Een eindig elementmodel van highspeed metaalknippen met adiabatische afschuifbaarheid (2)

Knoopscheidingstechniek

Als eerste methode hebben we een vooraf gedefinieerde scheidingslijn gekozen. Deze techniek is eerder door veel auteurs gebruikt, b.v. [13,18,22,27].

Het is belangrijk om de juiste verticale positionering van de lijn ten opzichte van het gereedschap te garanderen. Dit kan worden gedaan door plastic stammen in de simulatie te vergelijken met plastic stammen experimenteel gemeten. Hiervoor wordt een gesplitst monster gebruikt, waar een rooster wordt ingekapt in de binnenoppervlakken. De vervorming van dit raster kan vervolgens worden gemeten met een optische methode en kan worden vergeleken met de simulatiewaarden.

In de simulatie zijn de knooppunten langs de scheidingslijn beperkt om in het begin identieke vrijheidsgraden te hebben. Als een kritieke afstand tot de gereedschapstip wordt bereikt, zijn de knooppunten gescheiden. In [13] is aangetoond dat deze methode is niet erg gevoelig tegen details van het sepa -rantsoenproces. Een fysiek gebaseerd criterium zou de voorkeur hebben, maar een dergelijk criterium is niet beschikbaar bij de hier bestudeerde hoge snijsnelheden. Bovendien zal materiaalscheiding het meest zullen komen waarschijnlijk rechtstreeks voor de gereedschapstip voor (hoewel het moeilijk is om dit te bewijzen), zodat elk fysiek criterium in wezen dit feit zou weerspiegelen en ook zou leiden tot een materiële scheiding vrij dicht bij de tooltip.

Vanwege het gereedschapsvoorschot kan het materiaal voor de gereedschapstip worden afgedamd, zodat een knooppunt dat moet worden gescheiden, boven de gereedschapstip ligt. Als dit gebeurt, zou dit knooppunt contact opnemen met het harkoppervlak van het gereedschap en na scheiding Van de knooppunten zouden beide omhoog bewegen in de richting van de chipstroom, in plaats van dat één knooppunt onder het flankgezicht bewoog indien nodig voor de juiste materiaalscheiding. Een soortgelijk probleem kan optreden met een knooppunt van de chip na scheiding: als Dit knooppunt ligt heel dicht bij de tip van de gereedschap, de resulterende kracht op dit knooppunt is naar beneden gericht, zodat de knoop niet in de richting van de chipstroom beweegt (zie Fig. 7 (a)). In dit geval wordt het gaas lokaal ernstig vervormd en Convergentie van de iteratie is moeilijk.

Dit probleem kan worden verlicht als twee hulpconstructiefoppervlakken worden geïntroduceerd zoals getoond in Fig. 7 (b). Deze oppervlakken transporteren de knooppunten op het gereedschap. Omdat ze alleen een zeer klein gebied beïnvloeden (meestal is er slechts één knooppunt in contact met deze oppervlakken), de door hen geïntroduceerde fout is vergelijkbaar met de algemene discretisatiefout. Alleen bij het berekenen van de totale snijkracht moeten er rekening mee worden gehouden, omdat ze natuurlijk deel zullen uitmaken van de totale gereedschapsbelasting.

De knooppuntscheidingstechniek in de hier beschreven vorm introduceert twee fouten: de materiaalscheidingslijn wordt voorgeschreven en de hulpoppervlakken veroorzaken een extra kracht die de chip en het werkstuk scheidt. Om te controleren De invloed van deze fouten, een tweede techniek is geïmplementeerd.

Pure vervormingstechniek

Het is ook mogelijk om het metalen snijproces te simuleren zonder knooppuntscheiding. In plaats daarvan kan het worden beschouwd als een vervormingsproces [21]. Naarmate de tool vordert, bewegen alle knooppunten op het gereedschapsoppervlak en kunnen de elementen sterk vervormen (Zie Fig. 8). Het materiaal dat overlapt met het gereedschap kan worden verwijderd tijdens een remeshing -stap. Frequent remeshing is noodzakelijk zodat de hoeveelheid verwijderde materiaal klein blijft. De getoonde case maakt gebruik van een oneindig scherp hulpmiddel, dat is Het slechtste geval als een gereedschap met een afgeronde rand zal leiden tot minder materiaal dat in het gereedschap doordringt. Voor de hier beschreven simulatie werd Remeshing gedaan na een gereedschapspenetratie van 2: 5 lm. Het verwijderde materiaal komt overeen met een kleine Strip van ongeveer 1 lm dikte voor de gereedschapstip.

Deze eenvoudige benadering heeft het voordeel dat het gemakkelijker wordt, omdat er geen discontinuïteiten optreden (omdat het het geval is wanneer een knooppaar scheidt). Het tweede voordeel is dat er geen materiële scheidingslijn wordt voorgeschreven; In plaats daarvan is het Mogelijk voor materiaal dat onder een horizontale lijn door de gereedschapstip ligt om vervormd te worden en naar het chipgebied te gaan. Na een remesse stap blijft deze in deze regio. Dus een van de belangrijkste problemen met de knoopscheiding Techniek is verlicht.

Fig. 7.

(a) Beweging van een knooppunt van de chip ‘‘ betrapt ’tussen gereedschap en werkstuk. De knooppuntbeweging is niet in de richting van de materiaalstroom, wat leidt tot convergentieproblemen.

(b) Hulpcontactoppervlakken leiden de knooppunten naar de Correcte richting. Oppervlak 1 werkt op de knooppunten in de chip, oppervlak 2 op die in het werkstuk.

Fig. 8. Materiaalscheiding zonder knooppuntscheiding: (a) vóór remeshing; (b) Na het verwijderen. In deze techniek bewegen knooppunten op het oppervlak zonder scheiding op het oppervlak. Materiaal wordt op elke remeshing -stap verwijderd. Als remeshing is Vaak gedaan en de gaasdichtheid is hoog, de fout die door deze verwijdering wordt geïntroduceerd, kan erg klein worden gehouden.

Aangezien de elementen alleen worden verwijderd wanneer een remeshing wordt gedaan, kunnen ze een lading tussen het gereedschap en het werkstuk dat onfysisch is vervoeren. In tegenstelling tot de kunstmatige belasting in de knoopscheidingstechniek, probeert deze lading chip te behouden en Werkstuk samen en heeft dus een positief teken.

Het gebruik van twee criteria met tegengestelde effecten maakt dus het mogelijk om de invloed van het scheidingscriterium te bestuderen. Als de resultaten voor een simulatie die met beide methoden is uitgevoerd, de invloed van de kunstmatige kracht op het resultaat moet zijn verwaarloosbaar. Dergelijke resultaten worden weergegeven in paragraaf 4.2.

3.8. Convergentie bereiken

Voor een impliciet algoritme is het belangrijk om convergentie te garanderen met redelijke tijdstappen. In deze sectie worden enkele verdere technieken die helpen om convergentie te bereiken, beschreven.

De ABAQUS -software die in de simulatie wordt gebruikt, controleert de grootste restkracht en vergelijkt dit met de gemiddelde kracht binnen het model om te testen op convergentie. Deze methode is niet geschikt voor het metaalsnijproces, zoals de De gemiddelde kracht in het model is klein samengevoegd tot de maximale krachten die zich voordoen in de afschuifzone.

Dit standaard convergentiecriterium is daarom veel te streng. Convergentiecontroles moeten worden aangepast en er moet een vergelijking worden gemaakt met een typische waarde van de kracht in de afschuifzone. Hetzelfde geldt voor de Berekening van temperaturen en warmtestromen.

Er kan worden gewaarborgd dat dit convergentiecriterium strikt genoeg is door de berekende correcties te vergelijken met de berekende stappen tijdens de iteratieprocedure en hun kleinheid te waarborgen.

Na remeshing mag het krachtevenwicht niet worden vervuld vanwege de interpolatie van de vervorming en de variabelen van de materiaaltoestand. Dit kan initiële vervormingen veroorzaken en dus leiden tot convergentieproblemen die de Simulatie opnieuw opstarten. Om dit te voorkomen, is kunstmatige demping voor het eerste geïntroduceerd 5 × 10-11 s van een simulatie, zodat deze vervorming is klein gehouden. Deze demping voegt een kracht toe die evenredig is aan de knooppuntsnelheid bij elk knooppunt en vermindert dus sterke initiële vervormingen. 3 Het is ervoor gezorgd dat de hoeveelheid kunstmatige demping energie minder is dan 0,1% van het totaal Werk, zodat het te verwaarlozen invloed heeft op de algemene resultaten.

Chipvorming van ti6al4v

Procesparameters en materiaaleigenschappen

Fig. 9 toont een gesegmenteerde chip geproduceerd met een snijsnelheid van 40 m/s, een snij diepte van 42 lm en een hark hoek van 0 ° onder discontinu, orthogonaal snijden voorwaarden zoals beschreven in [10]. De chipvorm is niet sterk afhankelijk van de snijparameters. Anders dan het experiment, was de harkhoek die in de simulatie werd gebruikt, meestal 10 °, omdat enigszins positieve harkhoeken hebben een beter convergentiegedrag. Aangezien hier geen kwantitatieve overeenkomst tussen simulatie en experiment is gestreefd (vanwege onzekerheden in de plastic stroomcurves, zie dit verschil niet substantieel.

Een belangrijke parameter die de simulatie aangaat, is de wrijvingscoëfficiënt tussen gereedschap en werkstuk. De experimenten leiden tot de conclusie dat deze waarde vrij klein is [11]. Omdat het niet duidelijk is of wrijving een Belangrijke rol voor de vorming van afschuifbanden, werd aangenomen dat er geen wrijving voorkomt in de simulatie. Warmtestroom in het gereedschap werd ook verwaarloosd. Deze vereenvoudiging zal het chip -vormingsproces niet sterk beïnvloeden, als thermisch geleidbaarheid van De titaniumlegering is laag, zodat warmte van het gereedschapsoppervlak niet ver in de chip gaat. Door wrijving en warmtestroom in latere simulaties toe te voegen, kunnen de invloed van

Fig. 9. Experimenteel geproduceerde gesegmenteerde chip. De afschuifbanden worden duidelijk gemarkeerd door etsenlijnen. Snijdomstandigheden: snijsnelheid 40 ms, snijd diepte 42 lm, harkhoek 0 °.

deze effecten afzonderlijk. Dit is belangrijk voor een grondig begrip van de invloed van het verschillende fenomeen op het chipvormingsproces.

De thermische eigenschappen van de gebruikte titaniumlegering zijn gemeten door de Fraunhofer Institut Fu € r Keramische technologien und Sinterwerkstoffe (privécommunicatie) in een temperatuurbereik tussen kamer temperatuur en 1200 ° C met behulp van een laser-flash-apparaat en Een differentiële scanningcalorimeter. De thermische con -ductiviteit varieert tussen een waarde van 6,8 w/m k bij kamertemperatuur en 24,4 w/m k bij 1185 ° C, de specifieke Warmte is 502 j/kg k bij kamertemperatuur en 953 j/kg k bij 890 ° C, en de thermische expansiecoëfficiënt is bijna constant bij een waarde van 10-5 k-1.

Fig. 10 toont de plastic stroomcurves die worden gebruikt voor de simulatie. Waarden tussen die gegeven zijn lineair in terpolated. De waarden voor stammen tot ～ 0,25 worden verouderd door high-speed plastic vervormingsmetingen [14] bij stampercentages van 3000 S-1; Voor stammen boven deze waarde werd aangenomen dat het materiaal zal worden verzacht, zoals waargenomen voor Ti6Al4V bij lagere spanningssnelheden [8].

Deze Fig. 10. Plastic stroomcurves die voor de simulatie worden gebruikt. Voor spanningswaarden boven 0,25 werd isotherme verzachting aangenomen.

Verzachten is moeilijk te bepalen in de experimenten, omdat afschuifbanden zich vormen in de testmonsters en metingen van de totale exemplaarvervorming daarom niet goed correleren met het echte materiaalgedrag. De nogal sterke Het is waarschijnlijk onrealistisch, maar het vergemakkelijkt de vorming van adiabatische afschuifbanden en maakt het mogelijk om het segmentatieproces gemakkelijker gemakkelijker te bestuderen.

Met de hier beschreven materiële wet, wordt het CATA -strofische afschuiffalen van het materiaal in de afschuifzone eenvoudig veroorzaakt door het overmaat van een kritische spanning. De breedte van de afschuifband wordt vervolgens bepaald door de elementgrootte, die heeft gekozen om een ​​afschuifbandbreedte te produceren die vergelijkbaar is met die in de experimenten. Een meer realistische materiaalwet zou geen sterke verzachting van de spanning gebruiken en zou in plaats daarvan vertrouwen op thermisch verzachten om de afschuifbanden te vormen. In aanvulling, Tariefafhankelijke opbrengst moet ook in aanmerking worden genomen. Met een dergelijke materiële wet zou de breedte van de afschuifband worden bepaald door thermische geleiding en zou hij onafhankelijk zijn van de gaasdichtheid. Zoals we vooral geïnteresseerd zijn in de Vervorming van de segmenten, de eenvoudigere aanpak is hier gebruikt om computertijd te besparen. Simulaties met een meer realistische wet zullen in de toekomst worden gedaan [6].

De fractie van plastic vervormingsenergie omgezet in warmte (Taylor -Quinney -coëfficiënt) is ook moeilijk te meten. Een waarde van 0,9 is gebruikt in overeenstemming met [17].

Details over de simulaties

Het aantal elementen in de simulatie is variabel naarmate het toeneemt met het aantal segmenten. Voor de simulatie in de volgende sectie werden ongeveer 5000 elementen en 7000 knooppunten gebruikt aan het begin van de simulatie en 10.000 Elementen en 12.000 knooppunten aan het einde, waar verschillende segmenten moeten worden opgelost. De elementrandlengte was ongeveer 0: 7 lm in de afschuifzone. De computertijd die nodig was voor deze simulatie bedroeg vijf dagen op een HP C360 -werkstation.

Sommige meshing -voorbeelden zijn te zien in Fig. 11. 4

De simulatie met lage snelheid beschreven in sectie 4.4 werd gedaan met een nog fijnere gaasdichtheid met randlengtes van ongeveer 0: 3 lm in de richting loodrecht op de afschuifband. Het aantal elementen was overeenkomstig groter, met tot nu toe 17.000 elementen gebruikt.

De sterke kromming van de chip leidt tot een penetratie van de chip in het materiaal. Om dit te voorkomen, is een hulpcontactoppervlak geïntroduceerd dat de chip scheidt van het ongesneden materiaal. Dit contactoppervlak kan zijn gezien als horizontale lijn in figuur 11.

Fig. 11.

Gebruikte eindige elementen mazen in verschillende stadia van het snijproces met gesegmenteerde chipvorming. Let op de sterke verfijning in de afschuifzone en de vergrote van het gaas van de eerste segmenten. Een hulphoogte horizontaal georiënteerd Contactoppervlak boven het ongesneden materiaal wordt weergegeven als een lijn.

Voordat de resultaten van de simulatie worden geïnterpreteerd, moet de invloed van de scheidingstechniek worden bestudeerd. Fig. 12 toont chips geproduceerd met de knoopscheiding en de pure vervormingstechniek bij bijna identieke tijdstappen. 5 De snijcondities voor beide simulaties.

Het gereedschap wordt aangenomen als rigide, dus het meshing van het gereedschap is niet relevant. Het is toegevoegd om warmtegeleiding en gereedschapsvervorming in een later stadium van de simulatie mogelijk te maken.

5 Vanwege de automatische berekening van tijdstappen was het niet mogelijk om beide foto's te maken op exact de Sametime -stap.

Fig. 12. Equivalente plastic stammen in twee simulaties uitgevoerd met de twee verschillende scheidingstechnieken: (a) Node -scheidingsmethode; (b) Pure vervormingsmethode. De gaasdichtheid in de laatste simulatie was iets hoger in de Shear Zone, zodat de afschuifbanden smaler zijn. Overeenkomst tussen de vervormingspatronen is nog steeds redelijk goed. Snijdparameters: snijdendiepte 40 lm,Snijdsnelheid 50 ms, harkhoek 10 °.waren als volgt: snijdendiepte 40 lm, snijsnelheid 50 m/s, harkhoek 10 °.

Het is te zien dat de algehele vervorming van de chips erg vergelijkbaar is. Zelfs details van de vervormingspatronen, zoals de mate van segmentatie (verhouding van minimale tot maximale chiphoogte) en het optreden van ‘‘ split ’’ afschuifbanden In de buurt van de tooltip, komt het redelijk goed overeen in beide simulaties, hoewel kleine verschillen optreden. De afschuifbanden zijn meer smal in de simulatie met behulp van de vervormingstechniek, dit komt door het feit dat de gaasdichtheid was iets hoger daar.

De snijkracht oscilleert in beide simulaties, voor de knoopscheidingstechniek tussen ongeveer -20 en -42 n, voor de vervormingstechniek zijn de krachten Iets groter en ligt tussen -23 en -45 N. De reden is de inspanning van materiaal enigszins doordringend in het gereedschap. Er kan worden verwacht dat de overeenkomst nog beter zou zijn als de tool niet oneindig scherp is. De frequentie van de oscillaties (en dus van de vorming van de afschuifband) is in beide gevallen hetzelfde.

De resultaten van deze vergelijking tonen aan dat de vervormingspatronen vrij goed overeenkomen. De krachten veranderen met ongeveer 10% tussen de twee technieken, maar ze zijn niet te relevant voor de hieronder gepresenteerde onderzoeken. Desondanks een Verbeterde gereedschapsvorm moet worden gekozen voor het pure vervormingsmodel als gedetailleerde onderzoeken van de snijkracht moeten worden gedaan.

Een ander belangrijk aspect om te studeren is de gaasdichtheid. Het verfijnen van het gaas leidt verder tot meer smalle afschuifbanden in de simulatie, maar alleen tot kleine verschillen in de snijkrachten en de resulterende vervormingspatronen (de mate van Segmentatie, d.w.z. de verhouding van maximale en minimale segmenthoogte, neemt licht toe en neemt de afschuifbandbreedte af). Hieruit zou kunnen worden geconcludeerd dat het gebruikte gaas niet goed genoeg is. Omdat er echter geen snelheidsafhankelijk is Harding en omdat de isotherme stroomcurves een maximum vertonen, is er geen mechanisme om de vernauwing van de afschuifband te beperken. Onder de gebruikte omstandigheden kan van de afschuifband worden verwacht dat deze enkelvoudig wordt. Daarom zou alle gebruikte gaas Lijden aan dit probleem, dat te wijten is aan de te vereenvoudigde veronderstellingen over het plastic gedrag van het materiaal. De gaasdichtheid voor de hieronder getoonde simulaties werd zo gekozen dat de breedte van de afschuifband het daarmee eens is experimenteel waargenomen waarden.