Model konečných prvků s vysokorychlostním kovovým řezem s adiabatickým střihem (2)

Technika separace uzlů

Jako první metoda jsme vybrali předdefinovanou separační linii. Tuto techniku ​​bylo dříve použito mnoho autorů, např. [13,18,22,27].

Je důležité zajistit správné vertikální umístění linky vzhledem k nástroji. Toho lze provést porovnáním plastových kmenů v simulaci s plastovými kmeny měřenými experimentálně. K tomu se používá rozdělený vzorek, kde je mřížka zaznamenána do vnitřních povrchů. Deformace této mřížky pak lze měřit optickou metodou a lze ji porovnat s hodnotami simulace.

V simulaci jsou uzly podél separační linie omezeny tak, aby měly zpočátku stejné stupně svobody. Pokud je dosaženo kritické vzdálenosti k špičce nástroje, uzly jsou odděleny. V [13] bylo ukázáno, že tato metoda není příliš citlivý proti podrobnostem procesu přidělování SEPA. Výhodnější by bylo fyzicky založené kritérium, ale takové kritérium není k dispozici při vysokých rychlostech řezu zde. Kromě toho bude oddělení materiálu nejvíce Pravděpodobně se vyskytuje přímo před špičkou nástroje (i když je obtížné to dokázat), takže jakékoli fyzické kritérium by v podstatě odráželo tuto skutečnost a také vedlo k oddělení materiálu docela blízko špičce nástroje.

V důsledku postupu nástroje může být materiál před špičkou nástroje přehrazen, takže uzel, který má být oddělen, leží nad špičkou nástroje. Pokud k tomu dojde, tento uzel by kontaktoval hrubovou plochu nástroje a po oddělení Z uzlů by se obě pohybovaly nahoru ve směru toku čipu, namísto toho, aby jeden uzel pohyboval pod čelou boku podle potřeby pro správné oddělení materiálu. Podobný problém může nastat s uzlem čipu po separaci: pokud Tento uzel je velmi blízký špičce nástroje, výsledná síla na tento uzel je směrována dolů, takže se uzel nepohybuje ve směru toku čipu (viz obr. 7 (a)). V tomto případě je síť vážně deformována lokálně a Konvergence iterace je obtížná.

Tento problém lze zmírnit, pokud jsou zavedeny dva pomocné povrchy Con TACT, jak je znázorněno na obr. 7 (b). Tyto povrchy přenášejí uzly na nástroj. Protože ovlivňují pouze velmi malou oblast (obvykle je v kontaktu pouze jeden uzel Tyto povrchy), chyba, kterou je zavedena, je srovnatelná s celkovou chybou diskretizace. Je třeba vzít v úvahu pouze při výpočtu celkové řezné síly, protože samozřejmě budou mít část celkového zatížení nástroje.

Technika separace uzlů ve zde popsané podobě představuje dvě chyby: je předepsána linie separace materiálu a pomocné povrchy způsobují další sílu, která odděluje čip a obrobku. Za účelem kontroly Vliv těchto chyb, byla implementována druhá technika.

Technika čisté deformace

Je také možné simulovat proces řezání kovů bez oddělení uzlů. Místo toho jej lze považovat za deformační proces [21]. Jak nástroj postupuje, všechny uzly se pohybují po povrchu nástroje a prvky se mohou silně deformovat (Viz obr. 8). Materiál, který se překrývá s nástrojem, může být odstraněn během kroku rozstupu. Časté remesing je nutné, aby množství odstraněného materiálu zůstalo malé. Zobrazený případ používá nekonečně ostrý nástroj, který je Nejhorší případ jako nástroj se zaoblenou hranou povede k menšímu pronikání materiálu do nástroje. Pro zde popsanou simulaci bylo provedeno remesing po pronikání nástroje 2: 5 LM. Odstraněný materiál odpovídá malému Pás přibližně 1 lm tloušťky před špičkou nástroje.

Tento jednoduchý přístup má výhodu, že se snadněji zvyšuje, protože nedochází k žádným diskontinuitám (jak tomu tak je, když se dvojice uzlů oddělí). Druhou výhodou je, že není předepsána žádná linie separace materiálu; místo toho je Je možné, že materiál ležící pod vodorovnou čárou přes špičku nástroje, který má být deformován a přesune se do oblasti čipu. Po kroku k remesingu zůstane v této oblasti. Jeden z hlavních problémů se oddělením uzlu tedy Technika je zmírněna.

Obr. 7.

a) Pohyb uzlu čipu „chyceného“ mezi nástrojem a obrobkem. Pohyb uzlu není ve směru toku materiálu, což vede k problémům s konvergencí.

(b) Pomocné kontaktní povrchy vedou uzly do Správný směr. Povrch 1 působí na uzly v čipu, povrch 2 na uzlech v obrobku.

Obr. 8. Oddělení materiálu bez oddělení uzlů: a) před rozložením; (b) Po rozmezení. V této technice se uzly na povrchu pohybují na povrchu bez oddělení. Materiál je odstraněn při každém kroku remesingu. Pokud je remesing Často se provádí a hustota oka je vysoká, chyba zavedená prostřednictvím tohoto odstranění může být udržována velmi malá.

Vzhledem k tomu, že prvky jsou odstraněny pouze tehdy, když se provádí remesing, mohou nést zatížení mezi nástrojem a obrobkem, který je nefyzický. Na rozdíl od umělého zatížení techniky separace uzlů se toto zatížení snaží udržet čip a obrobek společně, a proto má OP Posite znamení.

Použití dvou kritérií s protichůdnými účinky tak umožňuje studovat vliv separačního kritéria. Pokud výsledky pro simulaci provedené s oběma metodami souhlasí, musí být vliv umělé síly na výsledek zanedbatelný. Tyto výsledky budou uvedeny v části 4.2.

3.8. Dosažení konvergence

Pro implicitní algoritmus je důležité zajistit konvergenci s přiměřenými časovými přírůstky. V této části jsou popsány některé další techniky, které pomáhají dosáhnout konvergence.

Software ABAQUS použitý v simulaci kontroluje největší zbytkovou sílu a porovnává to s průměrnou silou v modelu, aby se otestoval na konvergenci. Tato metoda není vhodná pro proces řezání kovů jako Průměrná síla v modelu je malá komparovaná na maximální síly vyskytující se ve smykové zóně.

Toto standardní konvergenční kritérium je proto příliš přísné. Ovládací prvky konvergence musí být upraveny ac a porovnání musí být provedeno s typickou hodnotou síly ve smykové zóně. Totéž platí pro Výpočet teplot a tepelných toků.

Lze zajistit, že toto konvergenční kritérium je dostatečně přísné porovnáním vypočtených oprav s vypočtenými přírůstky během iteračního postupu a zajištění jejich maličkosti.

Po remesingu nemusí být rovnováha síly splněna kvůli interpolaci deformace a proměnných materiálu. To může způsobit počáteční deformace, a tak vést k problémům s konvergencí, které brání Restartování simulace. Aby se tomu zabránilo, bylo pro první zavedeno umělé tlumení 5 × 10-11 s simulace, takže tato deformace je udržoval malé. Toto tlumení přidává sílu úměrnou rychlosti uzlu v každém uzlu, a tak snižuje silné počáteční deformace. 3 Bylo zajištěno, že množství umělé tlumicí energie je menší než 0,1% z celkového počtu práce, aby měla zanedbatelný vliv na celkové výsledky.

Tvorba čipu ti6al4v

Parametry procesu a vlastnosti materiálu

Obr. 9 ukazuje segmentovaný čip produkovaný při řezné rychlosti 40 m/s, hloubku řezání 42 lm a hrábě úhel 0 ° pod diskontinuálním, ortogonálním řezání Podmínky, jak je popsáno v [10]. Tvar čipu nezávisí silně na parametrech řezání. Odlišný od experimentu byl úhel srážení použitý v simulaci obvykle 10 °, jak mají lehce pozitivní úhly hrabání lepší konvergenční chování. Protože zde nebyla usilována žádná kvantitativní shoda mezi simulací a experimentem (kvůli nejistotám v křivkách plastového toku, viz níže), tento rozdíl není podstatný.

Důležitým parametrem vstupujícím do simulace je koeficient tření mezi nástrojem a obrobkem. Experimenty vedou k závěru, že tato hodnota je poměrně malá [11]. Protože není jasné, zda tření hraje Důležitá role pro tvorbu smykových pásů se předpokládalo, že v simulaci nedochází k tření. Tok tepla do nástroje byl také zanedbán. Toto zjednodušení neovlivní proces formování čipů silně, jako tepelné vodivost Slitina titanu je nízká, takže teplo z povrchu nástroje nebude bránou Propa daleko do čipu. Přidání tření a toku tepla v pozdějších simulacích umožní studovat vliv

Obr. 9. Experimentálně produkovaný segmentovaný čip. Smykové pásy jsou jasně označeny leptací linií. Podmínky řezání: řezná rychlost 40 ms, hloubka řezání 42 lm, úhel hraběcího 0 °.

tyto účinky samostatně. To je důležité pro důkladné porozumění vlivu různých jevů ENA na proces tvorby čipů.

Tepelné vlastnosti použité titanové slitiny byly měřeny pomocí Fraunhofer Institut Fu € r Keramische Technolog und Sinterwerkstoffe (soukromá komunikace) v teplotním rozsahu mezi místností teplota a 1200 ° C pomocí zařízení laserového platu a diferenciální skenovací kalorimetr. Termální konferenční závažnost se liší mezi hodnotou 6,8 W/m K při teplotě místnosti a 24,4 w/m k při 1185 ° C, což je specifická Teplo je 502 J/kg K při teplotě místnosti a 953 J/kg K při 890 ° C a koeficient tepelné roztažnosti je téměř konstantní při hodnotě 10-5 K-1.

Obr. 10 ukazuje křivky plastu použitých pro simulace. Hodnoty mezi uvedenými hodnotami jsou lineárně v terpolované. Hodnoty pro kmeny až ～ 0,25 jsou OB obsazeny vysokorychlostními měřeními plastické deformace [14] při rychlostech deformace 3000 S-1; U kmenů nad touto hodnotou se předpokládalo, že materiál změkčí, jak je pozorováno pro Ti6al4V při nižších rychlostech napětí [8].

Tento obr. 10. Křivky plastového toku používané pro simulaci. U hodnot napětí nad 0,25 se předpokládalo izotermální změkčení.

Změkčení je obtížné určit v experimentech, protože ve vzorcích testování se vytvářejí smykové pásy a měření celkové deformace vzorku, proto dobře nekorelují s skutečným materiálovým chováním. Poněkud silný Zmešení předpokládaného zde je pravděpodobně nerealistické, ale usnadňuje tvorbu adiabatických smykových pásů, a tak umožňuje snadněji studovat proces segnace.

S zde popsaným hmotným zákonem je Cata Strofic Shear selhání materiálu ve smykové zóně způsobeno jednoduše přebytkem kritického napětí. Šířka smykového pásma je pak určena velikostí prvku, která má byl vybrán k vytvoření šířky smykového pásma srovnatelnou s šířkou pozorovanou v experimentech. Realističtější materiální zákon by nepoužíval žádné silné změkčení napětí a místo toho by se spoléhal na tepelné změkčení k vytvoření smykových pásů. Kromě toho Rovněž by se měl brát v úvahu výnos závislý na sazbě. S takovým materiálním zákonem by byla šířka smykového pásma určena tepelným vedením a byla by nezávislá na hustotě oka. Protože nás většinou zajímáme Deformace segmentů, zde byl použit jednodušší přístup k úspoře času počítače. Simulace s realističtějším zákonem budou provedeny v budoucnu [6].

Je také obtížné měřit zlomek plastové deformační energie přeměněné na teplo (koeficient Taylor - Quinney). Hodnota 0,9 byla použita v souladu s [17].

Podrobnosti o simulacích

Počet prvků v simulaci je variabilní, protože se zvyšuje s počtem segmentů. Pro simulaci uvedenou v další části bylo na začátku simulace použito asi 5 000 prvků a 7000 uzlů a 10 000 prvky a 12 000 uzlů na konci, kde je třeba zapadat několik segmentů. Délka okraje prvku byla asi 0: 7 lm ve smykové zóně. Čas počítače potřebný pro tuto simulaci činil pět dní na pracovní stanici HP C360.

Některé příklady meshingu lze vidět na obr. 11. 4

Nízkorychlostní simulace popsaná v části 4.4 byla provedena s ještě jemnější hustotou oka s délkou hrany asi 0: 3 lm ve směru kolmém k smykovému pásmu. Počet prvků byl odpovídajícím způsobem větší, s až do Použité 17 000 prvků.

Silné zakřivení čipu vede k pronikání čipu do materiálu. Aby se tomu zabránilo, byla zavedena pomocná kontaktní plocha, která odděluje čip od nesestříhaného materiálu. Tato kontaktní plocha může být Považováno za horizontální čáru na obr. 11.

Obr. 11.

Používá se síť konečných prvků v různých fázích řezného procesu se segmentovanou tvorbou čipů. Všimněte si silného zdokonalení ve smykové zóně a hrubování sítě prvních segmentů. Pomocný horizontálně orientovaný Kontaktní povrch nad neřezaný materiál je zobrazen jako čára.

Před interpretací výsledků simulace je třeba studovat vliv separační techniky. Obr. 12 ukazuje čipy produkované separací uzlů a technikou čisté deformace v téměř stejných časových krocích. 5 Řezací podmínky pro obě simulace.

Nástroj se předpokládá jako rigidní, takže zatížení nástroje je irelevantní. Byl přidán, aby umožnil vedení tepla a deformace nástroje v pozdější fázi simulace.

5 Vzhledem k automatickému výpočtu časových přírůstků nebylo možné pořídit obě snímky přesně v kroku Sametime.

Obr. 12. Ekvivalentní plastové kmeny ve dvou simulacích prováděných se dvěma různými separačními technikami: (a) metoda separace uzlů; (b) Metoda čisté deformace. Hustota sítě v druhé simulaci byla o něco vyšší v Smyková zóna, takže smykové pásy jsou užší. Souhlas mezi vzory deformace je stále přiměřeně dobře. Řezací parametry: Hloubka řezání 40 lm,řezná rychlost 50 ms, úhel hraček 10 °.byly následující: Hloubka řezání 40 lm, řezná rychlost 50 m/s, úhel srážení 10 °.

Je vidět, že celková deformace čipů je velmi podobná. Dokonce i podrobnosti o deformačních vzorcích, jako je stupeň segmentace (poměr minimálního k maximální výšce čipu) a výskyt „rozdělených“ smykových pásů V blízkosti hrotu nástroje souhlasíte v obou simulacích přiměřeně dobře, i když dochází k mírným rozdílům. Smykové pásy jsou v simulaci užší pomocí techniky deformace, je to způsobeno skutečností, že hustota sítě byla o něco vyšší.

Řezací síla osciluje v obou simulacích, pro techniku ​​oddělení uzlů mezi -20 a -42 n, pro techniku ​​deformace jsou síly o něco větší a leží mezi -23 a -45 N. Důvodem je namáhání materiálu mírně pronikání materiálu do nástroje. Lze očekávat, že dohoda by byla ještě lepší, pokud by nástroj nebyl nekonečně ostrý. Frekvence oscilací (a tedy tvorby smykového pásma) je v obou případech stejná.

Výsledky tohoto srovnání ukazují, že vzory deformace se docela dobře shodují. Síly se mění mezi oběma technikami asi o 10%, ale nejsou příliš relevantní pro níže uvedená vyšetřování. Nicméně An Vylepšený tvar nástroje by měl být vybrán pro model čisté deformace, pokud má být provedeno podrobné zkoumání řezné síly.

Dalším důležitým aspektem studia je hustota sítě. Rafinace sítě dále vede k těsnějším smykovým pásům v simulaci, ale pouze k malým rozdílům v řezacích silách a výsledným vzorcům deformace (stupeň Segmentace, tj. Poměr maximální a minimální výšky segmentu, mírně zvyšuje a šířka smykového pásma se snižuje). Z toho lze dospět k závěru, že použitá síť není dostatečně v pořádku. Protože však není závislá na sazbě Kalení a jako izotermální křivky toku vykazují maximum, neexistuje žádný mechanismus pro omezení zúžení smykového pásma. Za použitých podmínek lze očekávat, že smykový pás se stane singulárním. Proto by jakákoli použitá síť Trpí tímto problémem, který je způsoben příliš zjednodušenými předpoklady o plastovém chování materiálu. Hustota sítě pro simulace uvedená níže byla vybrána tak, aby šířka smykového pásma souhlasila experimentálně pozorované hodnoty.