Model konečných prvků vysokorychlostního kovového řezání s adiabatickým střihem （3）

Proces formování čipů

Obr. 13 ukazuje historii tvorby čipů pro simulaci produkované technikou deformace. Proměnná kontury je ekvivalentní plastový napětí, odříznuto maximálně 3. (graf teploty velmi Podobně jako je, protože tepelná vodivost je malá.) Řezací podmínky byly stejné jako na obr. 12.

Tvar prvního segmentu a smykového pásma se liší od tvaru následujících. Ukazuje silně rozdělený smykový pruh, zatímco posledně uvedené smykové pásy jsou rozděleny jen mírně na straně nástroje. Zakřivení tohoto prvního Segment je mnohem silnější, takže kontaktuje neřezaný materiál. Posledně jmenované segmenty jsou navzájem velmi podobné, s konstantní vzdáleností mezi segmenty a podobným stupněm segmentace. Rozdíl mezi prvním a Následující segmenty jsou způsobeny geometrickým rozdílem mezi původně neřezaný materiál a materiálem se smykovým pásem.

Deformace experimentálně vyráběných čipů se liší od simulace ve dvou aspektech: stupeň segmentace je v experimentu silnější (to je částečně způsobeno hustotou sítě, viz výše) a vzdálenost mezi Smykové pásy jsou také větší (porovnání viz obr. 9). To je pravděpodobné hlavně kvůli rozdílu v úhlu srážení. Chyby v plastovém toku

Obr. 13. Vývoj segmentovaného čipu. Zobrazeno je ekvivalentní plastové napětí jako obrysový graf. Měřítko je vybráno tak, že nejtemnější barva označuje všechny hodnoty větší než 3. řezné parametry: hloubka řezání 40 lm, řezná rychlost 50 ms, úhel srážení 10 °. Křivky mohou také hrát roli, ale v tuto chvíli nelze rozhodnout. Zakřivování čipů také není v úzce shodě, protože simulované čipy jsou silněji zakřivené.

Materiál mezi smykovými pásy je pouze slabě deformovaný. Deformace je silnější na straně nástroje čipu z geometrických důvodů. To platí jak v simulaci, tak v experimentu. Malá deformace regionů Mezi smykovými pásy vede k malému zvýšení teploty; v simulacích, Maximální teplota ve smykových pásech dosahuje 800 ° C nebo více, zatímco méně deformované oblasti jsou při teplotách pod 150 ° C. Vzhledem k nízké tepelné vodivosti materiálu tyto rozdíly ani v simulaci nevyjádřeny zvažované časy.

Podrobná studie o tvorbě jednoho smykového pásma je znázorněna na obr. 14. Z toho lze rozlišit několik kroků procesu tvorby smykového pásma:

Mírná plastická deformace celé oblasti před špičkou nástroje, ohýbání zadní strany materiálu.

Před špičkou nástroje se tvoří deformační zóna.

Malá oblast na zadní straně obrobku se začíná plasticky deformovat.

Obě deformační zóny se spojují a plastická deformace se lokalizuje.

Segment stéry silně podél smykového pásma.

Druhá smyková zóna může tvořit vedoucí k rozdělené střižné pásmo, které je zakřivené dolů.

Ze simulace je vidět, že smykový pás se jednoduše nezačne tvořit před špičkou nástroje a poté se rozprostírá po celém čipu. Místo toho se druhá deformační oblast tvoří nejprve na zadní straně žetonů a pouze Poté se oba regiony připojí. 6 Pokud střih na povrchu indukuje praskliny, mohlo by to vést k tvorbě trhlin ve velmi raných stádiích procesu segnace chip. To však nelze uzavřít z současné simulace.

Jedním dalším zajímavým aspektem je vytvoření rozdělených smykových pásů. Smykový pás se ohýbá vzhůru, jak se hrot nástroje postupuje a před špičkou nástroje se vytváří nová deformační zóna, což vede k druhému smykovému pásmu, který se spojuje s První. Jakmile se vytvořil druhý smykový pás, soustředí se deformace v této oblasti a horní polovina smykového pásma se již netvoří. To lze vidět z rychlosti deformace, která se v horní polovině stává malým smykového pásu a velké ve spodní části, jakmile dojde k rozdělení.

Zdá se, že tento rozdělený smykový pás není simulačním artefaktem, a to i přes skutečnost, že jeho podrobný tvar je ovlivněn mechanismem separace (viz obr. 12). Podobné smykové pásy byly pozorovány v jiné simulaci (viz [19], obr. 9) a byly také nalezeny experimentálně (viz obr. 15).

Možný důvod výskytu těchto smykových pásů lze pochopit z obr. 16. Smykové pásmo se zpočátku tvoří jako téměř přímku, jak je vidět na obr. 16 (vlevo). Jak nástroj postupuje, materiál oblast A přímo vpředu tipu nástroje a pod smykovým pásem musí být odstraněno. Jednou z možností je silně zakřivit smykový pás nahoru, zatímco nástroj postupuje, 7 aby se materiál odstranil, pohyboval se doleva a nahoru. To by však vyžadovalo silnou plastickou deformaci v zóně S2 vlevo od smykového pásma, kde je teplota stále malá a energie potřebná pro deformaci je tedy velká a také určitá deformace v již vytvořeném segmentu S1. Pokud se místo toho vytvoří rozštěpený střihový pruh, může být tato oblast přesunuta střihem podél smykového pásma, což je mnohem snazší. To způsobuje všechny Již vytvořený čip (S1) se také pohybuje podél smykové zóny, a jak je smykový pás zakřivený, čip se také zakřivuje. Oblast A před špičkou nástroje tak mění její roli: Nejprve patří k nově formování Segment S2, ale jakmile se druhý smykový pruh převezme, patří kineticky k segmentu S1, který byl již vytvořen. Geometrická omezení stále vyžadují v této oblasti určitou malou deformaci, ale materiál vlevo z smykového pásu pouze musí mírně deformovat, aby se přizpůsobilo (malému) zakřivení smykového pásma.

Tvorba rozděleného smykového pásma není samozřejmě čistě geometrický jev: kontinuální deformace oblasti A na obrázku by mohla způsobit podobný účinek bez silné lokalizace. Ať už deformace v této zóně Koncentráty ve druhém smykovém pásmu závisí na křivkách toku a tendenci deformace k lokalizaci.

Porovnání simulovaných a experimentových součtových splitků smyků ukazuje, že jejich tvar se liší: experimentální smykové pásy zakřivené v opačném směru od simulovaných. Tento rozdíl zatím nemůže být vysvětlil, ale vliv tření, tepla z nástroje a různých úhel srážek v tom může hrát roli.

Obr. 17 ukazuje vypočítanou řeznou sílu pro simulaci na obr. 13. Jak se očekávalo, silné oscilace 7 Všimněte si, že v této simulaci je zanedbáno tření, takže tím nemůže být způsobena žádné zakřivení smykového pásma. Je pravděpodobné, že Zahrnutí tření by alespoň částečně zničilo rozdělené smykové pásy silnou deformací nástroje na straně čipu.

Obr. 14. Detail tvorby druhého smykového pásma pro stejnou simulaci jako na obr. 13. Je znázorněn ekvivalentní plastový napětí jako obrysový graf. Měřítko je vybráno tak, že nejtemnější barva označuje všechny hodnoty větší než 2.

Čas mezi dvěma po sobě jdoucími obrázky je 50 ns. Vodorovná čára je pomocný kontaktní povrch, který zabrání průniku čipu do neřezané obrobky.

Síla dochází, s vysokou absolutní hodnotou síly, když není deformace koncentrována a nižší hodnota v době lokalizace a střihu čipu podél smykových pásů. Absolutní hodnoty síly jsou ne v souladu s experimentálními vyšetřováními, ale jsou příliš nízké faktorem asi 2. Toto je Většinou kvůli nejistotám v plastových křivkách toku a také různým úhly hrabání. Na jedné straně je snížení napětí u kmenů větších než 0,2 pravděpodobně přehnané v křivkách; na druhou stranu, Hodnoty napětí při extrémních deformačních rychlostech budou mnohem vyšší než hodnoty na

Obr. 15. Výskyt rozštěpených smykových pásů v experimentálně produkovaných čipech: (levý) čip Ti6al4V (nástroj na pravé straně); (vpravo) Čip CK 45 (nástroj na levé straně) vytvořen s experimentem s rychlým zastavením v IEP v Magdeburgu. Toto číslo byl poskytnut U. Schreppel a P. Veit, IEP, Magdeburg.

Obr. 16. Dvě fáze během tvorby rozděleného smykového pásma. Konfigurace jsou převzaty ze čtvrtého a sedmého stavu znázorněného na obr. 14. Segment S1 je již vytvořen v prvním stavu, segment S2 se začíná vyvíjet. Pokrok Nástroj musí odstranit oblast A. Rozštěpený smykový pás před A umožňuje přesunout tuto oblast na polohu označenou B na pravém obrázku. Během tohoto procesu je již vytvořený segment S1 jen mírně deformován. Rozdělení Smykový pás tak umožňuje pojmout odstranění materiálu z oblasti A bez silné deformace buď v rámci S1 nebo v S2

Parametrické studie

Model konečných prvků umožňuje studovat vliv různých parametrů materiálu a procesu na tvorbu čipů. V této části budou uvedeny dva příklady.

V prvním experimentu byly změněny elastické vlastnosti materiálu. Lze tvrdit, že tvorba smykových pásů je vyvolána uvolňováním elastické energie uložené v deformovaném materiálu. Obr. 18 ukazuje, že skutečně Hustota elastické energie silně snižuje, když se vytvoří segment čipu. Absolutní hodnota této energie je však ve srovnání s plastovou deformační energií malá. Abych tento účinek dále studoval, Youngův modul materiálu byl lišil se mezi57,5 a 575 MPa při teplotě místnosti, takže by se uložená elastická energie podle toho změnila. 8

Výsledné vzorce deformace jsou pro tyto tři případy podobné, ale stupeň segmentace se mírně mění, což odpovídá změně frekvence seg mentace. To je vidět z obr. 19, kde je řezací síla Zobrazeno pro tři různé případy. Čím nižší je elastický modul, tím vyšší jsou stupeň segmentace a doba segmentace. Možným vysvětlením je, že větší množství uložené elastické energie usnadňuje střih nebo že Plastové střih je preferováno, protože elastická deformace oblasti levé od smykového pásma je energeticky nepříznivá. Další možností je, že deformace se soustředí silněji v tužších materiálech, a tak se zvyšuje frekvence segmentace. Podrobnější vyšetřování 8 Všimněte si, že množství elastické energie je ohraničeno pevnou výnosovou pevností materiálu, takže materiál s dolním elastickým modulem má vyšší energii napětí, pokud se materiál plasticky deformuje.

Obr. 18. Hustota elastické energie (v jednotkách MJ/MM3) ve druhém a čtvrtém kroku od obr. 14. Měřítko je vybráno tak, že nejtemnější barva označuje všechny hodnoty větší než 20. Hustota energie během Tvorba smykového pásma, naznačování, že uvolňování elastické energie může ovlivnit tvorbu smykového pásma.

Obr. 19. Řezací síla pro tři simulace s různými elastickými vlastnostmi. Je vidět, že frekvence segmentace je snížena se zvyšujícím se elastickým modulem. Řezací parametry: Hloubka řezání 40 lm, řezná rychlost 50 m/s, hrábě úhel 10 °.vlivu elastického modulu je nezbytné k důkladnému pochopení této otázky.

Jako druhá variace byla řezná rychlost snížena o faktor 100–0,5 m/s. Při této rychlosti je tepelná vodivost dostatečně vysoká, takže není možná žádná silná teplotní koncentrace. Kvůli maximu maminky v plastovém toku Křivky by se však mělo očekávat, že segmentace ChIP nastává, protože také to dělá experimentálně. (Tato skutečnost byla součástí důvodu používání křivek toku s jasným maximem.) To je skutečně pravda, ale lze ji vidět pouze v Simulace, pokud se hustota oka dále zvyšuje, jak je uvedeno v části 4.2. To ukazuje, že tendence vytvářet segmentované čipy je menší při nižší řezné rychlosti.

Výhled

Byl zobrazen model konečného prvku procesu řezání kovů pomocí standardního softwaru (ABAQUS/Standard). Model se spoléhá na následující techniky:

použití kvadrilaterálních prvků;

časté remesing;

speciální tvar počáteční sítě;

Diskontinuální remesing pro segmentované čipy;

použití dvou různých separačních technik.

Model byl aplikován na ortogonální řezání titanové slitiny pomocí plastových křivek toku na základě experimentu, ale mít určitou experimentální nejistotu.

Byly také ukázány některé výsledky vytvořené s modelem. Je možné analyzovat podrobnosti procesu tvorby čipů. Tvorba střihového pásma začíná před špičkou nástroje. Na čipu se vytváří druhá deformační oblast Zadní strana a dvě regiony se připojí. Oblast DE Formation se zužuje dále, dokud se deformace koncentruje ve velmi malém smykovém pásmu. Smykový pás se může poté rozdělit, což je jev, který byl také pozorován v některých experimentech.

Bylo pro to poskytnuto možné vysvětlení.

Kromě toho byl studován vliv elastického modulu a řezné rychlosti. Elastický modul ovlivňuje stupeň segmentace čipů. S křivkami toku ukazující silnou maximální izotermálně, segmentované čipy Dokonce i při nízkých rychlostech řezu, pokud se hustota oka dostane dostatečně.

Smlouva mezi simulovanými a experimentálními čipovými čipy byla přiměřená s ohledem na nejistoty vstupních parametrů. Nejdůležitější je, že stupeň segmentace v simulaci je menší než v experimenty. To může být způsobeno použitými křivkami plastových toků, které silně upřednostňují tvorbu smykových pásů, takže se zvyšuje frekvence segmentace a podle toho se stupeň segmentace podle toho sníží. Tohle by mohlo Uveďte, že do simulace musí být zahrnuto selhání materiálu, ale to ještě není jasné.

Z důvodu jednoduchosti bylo v této studii zanedbáno tření a vedení tepla do nástroje. Budoucí vyšetřování bude zahrnovat tyto procesy a umožní tak studovat jejich účinek na proces tvorby čipů.

Nezbytné zlepšení se týká tvaru nástroje, zejména v případě modelu čisté deformace. Zde je pasivní síla a deformace povrchu obrobku příliš malá, protože pod nástroj není tlačen žádný materiál. The Předpoklad nekonečně ostrého nástroje a výsledné pronikání materiálu do nástroje (viz obr. 8) musí být vylepšeny přidáním konečného poloměru nástroje.

Nakonec lze provést parametrické studie za účelem pochopení vlivu různých materiálových parametrů na proces tvorby čipů. Nejzajímavější proměnné, které se mají změnit, jsou křivky plastického toku a tepelné Vlastnosti slitiny titanu. Výsledky těchto studií mohou nejen pomoci pochopit, co způsobuje, že Titanium je snížen, ale může také poukazovat na možné zlepšení slitiny.