+ 86-18052080815 | info@harsle.com
Jsi tady: Domov » Zprávy » Blog » Model konečných prvků vysokorychlostního řezání kovem s adiabatickým střihem (2)

Model konečných prvků vysokorychlostního řezání kovem s adiabatickým střihem (2)

Zobrazení:20     Autor:Editor webu     Čas publikování: 2018-11-05      Původ:Stránky Zeptejte se

  Technika separace uzlů

  Jako první metodu jsme zvolili předdefinovanou oddělovací linku. Tato technika byla již dříve použita mnoha autory, např. [13,18,22,27].

  Je důležité zajistit správné vertikální umístění linky vzhledem k nástroji. Toho lze dosáhnout porovnáním plastických kmenů v simulaci s plastickými kmeny měřenými experimentálně. Pro tento účel se používá dělený vzorek,kde je mřížka zasunuta do vnitřních ploch. Deformace této mřížky pak může být měřena optickou metodou a lze ji porovnat se simulačními hodnotami.

  V simulaci jsou uzly podél oddělovací linie nejprve nuceny mít stejné stupně volnosti. Pokud je dosaženo kritické vzdálenosti od špičky nástroje, jsou uzly odděleny. Ukázalo se [13], že tato metodanení příliš citlivý na detaily procesu oddělení. Kriteria založená na fyzice by byla vhodnější, ale takové kritérium není k dispozici při vysokých řezných rychlostech zde studovaných. Kromě toho bude nejvíce oddělovat materiálpravděpodobně dochází přímo před špičkou nástroje (ačkoli je to obtížné prokázat), takže jakékoliv fyzické kritérium by v podstatě odráželo tuto skutečnost a také vedlo k oddělení materiálu, které se dostalo těsně blízko špičky nástroje.

  Kvůli posunu nástroje může být materiál před špičkou nástroje přehrán, takže uzel, který má být oddělen, leží nad špičkou nástroje. Pokud k tomu dojde, tento uzel by se dostal do kontaktu s povrchem nástroje a po odděleníuzlů, oba by se pohybovaly směrem nahoru ve směru toku čipu, namísto jednoho uzlu, který se pohybuje pod bočním okrajem, což je nezbytné pro správné oddělení materiálu. Podobný problém může nastat při uzlu čipu po oddělení: pokudtento uzel je velmi blízko špičce nástroje, výsledná síla na tomto uzlu je směrována směrem dolů, takže se uzel nepohybuje ve směru toku čipu (viz obr. 7 (a)). V tomto případě je oka silně deformována místně akonvergence iterace je obtížné.

  Tento problém lze zmírnit, jestliže jsou zavedeny dva pomocné kontaktní plochy, jak je znázorněno na obr. 7 (b). Tyto plochy přenášejí uzly na nástroj. Jelikož ovlivňují pouze velmi malou oblast (obvykle je v kontaktu pouze jeden uzel)tyto povrchy) je jejich chyba srovnatelná s celkovou chybou diskretizace. Pouze při výpočtu celkové řezné síly je nutno vzít v úvahu, protože budou samozřejmě nést část celkové zátěže nástroje.

  Technika separace uzlů ve zde popsané formě zavádí dvě chyby: předepisuje se oddělovací linka materiálu a přídavné plochy způsobují přídavnou sílu, která odděluje čip a obrobek. Pro kontroluvliv těchto chyb byla provedena druhá technika.

  Čistá deformační technika

  Je také možné simulovat proces dělení kovu bez oddělení uzlů. Místo toho může být považován za proces deformace [21]. Jak nástroj postupuje, všechny uzly se pohybují na povrchu nástroje a prvky se mohou silně deformovat(viz obr. 8). Materiál, který se překrývá s nástrojem, může být během kroku obnovení odstraněn. Častá oprava je nutná, takže množství odstraněného materiálu zůstává malé. Uvedený případ používá nekonečně ostrý nástroj, který jenejhorší případ jako nástroj se zaobleným okrajem povede k menšímu průniku materiálu do nástroje. Pro simulaci popsanou zde byla provedena opracování po průniku nástroje 2: 5 lm. Odstraněný materiál odpovídá malémupás o tloušťce asi 1 mm před špičkou nástroje.

  Tento jednoduchý přístup má tu výhodu, že se snáze utírá, protože nedochází k žádným nespojitostem (jak tomu je v případě, kdy se odděluje pár uzlů). Druhou výhodou je, že není předepsána žádná linka pro oddělování materiálu; místo toho jemožné pro materiál, který leží pod vodorovnou čarou přes hrot nástroje, aby se deformoval a přesunul do oblasti čipu. Po provedeném kroku zůstane v této oblasti. Jeden z hlavních problémů s oddělením uzlůtechnika je zmírněna.

konečný prvek (1)

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 plochy vedou uzly dosprávný směr. Povrch 1 působí na uzly v čipu, na povrchu 2 na obrobcích.

konečný prvek (2)

  Obrázek 8. Oddělování materiálu bez oddělení uzlů: (a) před opláchnutím; (b) po opláchnutí. V této technice se uzly na povrchu pohybují na povrchu bez oddělení. Materiál je odstraněn při každém kroku obnovení. Je-li to provedenočasto prováděné a hustota sítě je vysoká, chyba zavedená tímto odstraněním může být velmi malá.

  Jelikož jsou tyto prvky odstraněny pouze při provedeném vytažení, mohou nést zatížení mezi nástrojem a obrobkem, který je nefyzický. Na rozdíl od umělého zatížení v technice separace uzlů se tato zátěž snaží udržet čip aobrobku společně a má tedy znak op posit.

  Použití dvou kritérií s nepříznivými účinky umožňuje studovat vliv separačního kritéria. Pokud výsledky simulace provedené oběma metodami souhlasí, musí být vliv umělé síly na výsledekzanedbatelný. 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, který se používá při simulaci, kontroluje největší zbytkovou sílu a porovnává ji s průměrnou silou uvnitř modelu za účelem testování konvergence. Tato metoda není vhodná pro proces řezání kovem, jako jeprůměrná síla v modelu je malá ve srovnání s maximálními silami, ke kterým dochází ve smykové zóně.

  Toto standardní konvergenční kritérium je proto příliš přísné. Ovládání konvergence je nutno upravit tak, že se musí porovnávat s typickou hodnotou síly uvnitř smykové zóny. Totéž platí provýpočet teplot a tepelných toků.

  Může být zajištěno, že toto konvergenční kritérium je dostatečně přísné tím, že porovná vypočítané korekce s vypočítanými přírůstky během iteračního postupu a zajistí jejich malou hodnotu.

  Po vytažení se rovnováha síly nemusí splnit kvůli interpolaci deformace a proměnných stavu materiálu. To může způsobit počáteční deformace a vést tak k problémům s konvergencí, které bránísimulace restartovat. Abychom tomu zabránili, umělé tlumení bylo zavedeno pro první5 × 10-11 s simulace, takže tato deformace jeudržován malý. Toto tlumení přidává sílu úměrnou rychlosti uzlu v každém uzlu a tím snižuje silné počáteční deformace. 3 Bylo zajištěno, že množství umělé tlumící energie je menší než 0,1% z celkového množstvípráce, takže má zanedbatelný vliv na celkové výsledky.

  Tvorba čipu Ti6Al4V

  Parametry procesu a vlastnosti materiálu

  Na obr. 9 je znázorněn segmentovaný čip vyráběný při řezné rychlosti 40 m / s, hloubce řezu 42 lm a hrabítkoúhel 0 ° při diskontinuálním, ortogonálním řezánípodmínky popsané v [10]. Tvar třísek nezávisí výrazně na parametrech řezání. Jiný z experimentu byl úhel sklonu použitý při simulaci obvykle 10 °, protože mírně pozitivní úhel sklonulepší konvergenční chování. Vzhledem k tomu, že zde nebyla požadována žádná kvantitativní dohoda mezi simulací a experimenty (kvůli nejistotám v plastických tocích, viz níže), není tento rozdíl podstatný.

Důležitým parametrem vstupujícím do simulace je koeficient tření mezi nástrojem a obrobkem. Pokusy vedou k závěru, že tato hodnota je poměrně malá [11]. Jelikož není jasné, zda tření hrajedůležitou roli při tvorbě smykových pásů, bylo předpokládáno, že v simulaci nedochází k žádnému tření. Tok tepla do nástroje byl také zanedbán. Toto zjednodušení neovlivní proces tvorby třísek silně, jako tepelnévodivost titanová slitina je nízká, takže teplo z povrchu nástroje nebude propa brána daleko do čipu. Přidání tření a toku tepla v pozdějších simulacích umožní studovat vliv

konečný prvek (3)

Obr. 9.Experimentálně vyrobený segmentový čip. Střihové pásy jsou jasně vyznačeny leptáním. Podmínky řezu: rychlost řezání 40 ms, hloubka řezu 42 lm, úhel sklonu 0 °.

tyto efekty zvlášť. To je důležité pro důkladné pochopení vlivu různých fenoménů na proces tvorby čipů.

  Tepelné vlastnosti použité titanové slitiny byly měřeny Fraunhofer Institut fuer Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (soukromá komunikace) v teplotním rozmezí mezi pokojemteplota a 1200 ° C pomocí zařízení s bleskem laseru adiferenciální skenovací kalorimetr. Tepelná konduktivita se pohybuje mezi hodnotou 6,8 W / m K při pokojové teplotě a 24,4 W / m K při 1185 ° C, specifickáteplo je 502 J / kg K při pokojové teplotě a 953 J / kg K při 890 ° C a koeficient tepelné roztažnosti je téměř konstantní v hodnotě 10-5 K-1.

  Na obr. 10 jsou znázorněny křivky plastických toků používané prosimulace. Hodnoty mezi uvedenými jsou lineárně v terpolované. Hodnoty pro kmeny až ~ 0,25 jsou dosaženy vysokorychlostními měřeními plastické deformace[14] při deformačních rychlostech 3000 s-1; u kmenů nad touto hodnotou se předpokládalo, že materiál změkne, jak bylo pozorováno u Ti6Al4V při nižších rychlostech deformace [8].

konečný prvek (4)

  Obrázek 10: Křivky průtoku plastické hmoty použité pro simulaci. Pro hodnoty deformace nad 0,25 bylo předpokládáno izotermické změkčení.

  Změknutí je v experimentech obtížné stanovit, protože ve zkušebních vzorcích se vytvářejí smykové pásma a měření celkové deformace vzorků proto dobře neodpovídají skutečnému chování materiálu. Poměrně silnázměkčení předpokládané zde je pravděpodobně nerealistické, nicméně usnadňuje tvorbu adiabatických smykových pásů a umožňuje tak snadněji studovat segmentační proces.

  S tu popsaným materiálním zákonem je katafické střihové poškození materiálu ve smykové zóně způsobeno jednoduše přebytkem kritického kmene. Šířka smykového pásu je pak určena velikostí prvku, který mábyly vybrány tak, aby vytvářely šířku smykového pásu srovnatelnou s tou, která byla pozorována v experimentech. Reálnější materiálový zákon by nepoužil silné změkčení napětí a namísto toho by se spoléhal na tepelné změkčení, aby vytvořil smykové pásy. Navíc,by měl být vzat v úvahu také výnos závislý na míře. S takovým materiálním zákonem by šířka smykového pásu byla určena tepelným vedením a byla by nezávislá na síle oka. Jelikož nás většinou zajímádeformace segmentů, zde byl použit jednodušší přístup k úspoře času počítače. V budoucnu budou prováděny simulace s realističtějším zákonem [6].

  Část plastické deformační energie přeměněná na teplo (koeficient Taylor-Quinney) je také obtížně měřitelná. Hodnota 0,9 byla použita v souladu s [17].

  Podrobnosti o simulacích

  Počet prvků v simulaci je proměnlivý, protože se zvyšuje s počtem segmentů. Pro simulaci ukázanou v následující části bylo na počátku simulace použito asi 5000 prvků a 7000 uzlů a 10 000prvků a 12 000 uzlů blízko konce, kde musí být několik okrajů. Délka okrajů prvku byla v oblasti smyku asi 0: 7 lm. Počítačový čas potřebný pro tuto simulaci činil pět dní na pracovní stanici HP C360.

  Některé příklady záběru lze vidět na obr. 11. 4

  Simulace s nízkými otáčkami popsaná v bodě 4.4 byla provedena s ještě jemnější hustotou oka s délkou okraje asi 0: 3 lm ve směru kolmém k smykovému pásmu. Počet prvků byl odpovídajícím způsobem větší, až doPoužité 17 000 prvků.

  Silné zakřivení čipu vede k proniknutí čipu do materiálu. Aby se tomu zabránilo, byl zaveden pomocný kontaktní povrch, který odděluje čip od neřezaného materiálu. Tato kontaktní plocha může býtviděno jako vodorovná čára na obr. 11.

konečný prvek (5)

Obr. 11.

  Použitá oka s konečnými prvky v různých fázích procesu řezání se segmentovanou tvorbou třísek. Všimněte si silného zpřesnění v oblasti smyku a hrubnutí oka prvních segmentů. Pomocný vodorovně orientovanýkontaktní plocha nad neřezaným materiálem je zobrazena jako čára.

  Před interpretací výsledků simulace je nutno studovat vliv separační techniky. Na obr. 12 jsou znázorněny čipy vyrobené se separací uzlu a technikou čisté deformace v téměř identických časových krocích. 5Podmínky řezání pro obě simulace.

  Nástroj je považován za tuhý, takže záběr nástroje není relevantní. Byl přidán, aby umožnil vedení tepla a deformaci nástroje v pozdější fázi simulace.

  5 Kvůli automatickému výpočtu časových přírůstků nebylo možné pořizovat oba snímky přesně ve stejnou dobu.

konečný prvek (6)

  Obrázek 12. Ekvivalentní plastické deformace ve dvou simulacích provedených dvěma různými separačními technikami: (a) metoda oddělování uzlů; b) metoda čisté deformace. Hustota sítě ve druhé simulaci byla mírně vyšší vsmykové zóny, takže smykové pásy jsou úzce. Dohoda mezi deformačními modely je stále poměrně dobrá. Parametry řezání: hloubka řezu 40 lm,řezná rychlost 50 ms, úhel sklonu 10 °.byly následující: Hloubka řezu 40 lm, rychlost řezání 50 m / s, úhel sklonu 10 °.

  Je zřejmé, že celková deformace čipů je velmi podobná. Dokonce i podrobnosti o deformačních vzorcích, jako je stupeň segmentace (poměr minimální k maximální výšce čipu) a výskyt "rozštěpených" smykových pásemv blízkosti špičky nástroje se v obou simulacích poměrně dobře shodují, ačkoli se objevují malé rozdíly. Střihové pásy jsou v simulaci s použitím deformační techniky úzceji, což je způsobeno tím, že hustota oka bylao něco výše.

  Rezná síla osciluje v obou simulacích, pro techniku ​​separace uzlů mezi -20 a-42 N, pro deformační techniku ​​jsou sílymírně větší a leží mezi -23 a -45 N. Důvodem je namáhání materiálu lehce pronikajícído nástroje. Lze očekávat, že dohoda by byla ještě lepší, kdyby nástroj nebyl nekonečně ostrý. Frekvence kmitání (a tudíž tvorba smykové pásky) je v obou případech stejná.

  Výsledky tohoto srovnání ukazují, že modely deformace se shodují celkem dobře. Síly se mezi těmito dvěma technikami mění o přibližně 10%, ale nejsou příliš relevantní pro níže uvedené vyšetřování. Nicméně, anlepší tvar nástroje by měl být zvolen pro model čisté deformace, pokud se mají provést podrobné zkoušky řezné síly.

  Dalším důležitým aspektem studia je síťová hustota. Zpracování oka dále vede k úzkým smykovým pásům v simulaci, ale pouze k malým rozdílům v řezných silách a následným deformačním vzorkům (stupeňsegmentace, tj. poměr maximální a minimální výšky segmentu, mírně vzrůstá a šířka smykového pásu klesá). Z toho lze konstatovat, že použité oko není dostatečně jemné. Nicméně, jelikož neexistuje závislost na sazběkalení a jak izotermické průtokové křivky vykazují maximum, neexistuje žádný mechanismus, který by omezoval zúžení smykového pásu. Za daných podmínek lze očekávat, že smykové pásmo bude jedinečné. Proto by byla použita jakákoli okatrpí tímto problémem, což je způsobeno příliš zjednodušenými předpoklady ohledně plastového chování materiálu. Hustota sítě pro níže uvedené simulace byla zvolena tak, aby souhlasila šířka smykového pásuexperimentálně pozorovaných hodnot.

Komentáře

Podpěra, podpora

Get A Quote

Domov

autorská práva2021 Nanjing Harsle Machine Tool Co. Ltd. Všechna práva vyhrazena.