Een eindig elementmodel van metalen snijden met hoge snelheid met adiabatische afscheuren （3）

Het chip -vormingsproces

Fig. 13 toont de geschiedenis van de chipvorming voor een simulatie geproduceerd met de vervormingstechniek. De contourvariabele is de equivalente plastic spanning, afgesneden met maximaal 3. (een plot van de temperatuur is zeer Vergelijkbaar met dit, aangezien thermische geleidbaarheid klein is.) De snijomstandigheden waren hetzelfde als in Fig. 12.

De vorm van het eerste segment en de afschuifband is anders dan die van de volgende. Het toont een sterk gesplitste afschuifband, terwijl de laatste afschuifbanden slechts enigszins zijn gesplitst aan de gereedschapskant. De kromming van dit eerste Segment is veel sterker, zodat het contact maakt met het ongesneden materiaal. De laatste segmenten lijken erg op elkaar, met een constante afstand tussen de segmenten en een vergelijkbare mate van segmentatie. Het verschil tussen de eerste en De volgende segmenten zijn te wijten aan het geometrieverschil tussen het aanvankelijk ongesneden materiaal en het materiaal met een afschuifband.

De vervorming van de experimenteel geproduceerde chips verschilt van de simulatie in twee aspecten: de mate van segmentatie is sterker in het experiment (dit is deels te wijten aan de gaasdichtheid, zie hierboven) en de afstand tussen De afschuifbanden zijn ook groter (zie Fig. 9 voor vergelijking). Dit is waarschijnlijk waarschijnlijk te wijten aan het verschil in de harkhoek. Fouten in de plastic stroom

Fig. 13. Ontwikkeling van een gesegmenteerde chip. Getoond wordt de equivalente plastic spanning als een contourplot. De schaal wordt zodanig gekozen dat de donkerste kleur alle waarden groter is dan 3. Snijdparameters: snij diepte 40 lm, snijsnelheid 50 ms, harkhoek 10 °. Curves kunnen ook een rol spelen, maar dit kan op dit moment niet worden beslist. De kromming van de chips is ook niet in nauwe overeenstemming, omdat de gesimuleerde chips sterker zijn gebogen.

Het materiaal tussen de afschuifbanden is slechts zwak vervormd. De vervorming is sterker aan de gereedschapszijde van de chip vanwege geometrische redenen. Dit geldt zowel in de simulatie als in het experiment. De kleine vervorming van de regio's Tussen de afschuifbanden leidt tot een kleine temperatuurstijging; In de simulaties, De maximale temperatuur in de afschuifbanden bereikt 800 ° C of meer, terwijl de minder vervormde gebieden zich bij temperaturen onder 150 ° C bevinden. Vanwege de lage warmtegeleiding van het materiaal zijn deze verschillen niet eens in de simulatie Tijden beschouwd.

Een gedetailleerde studie van de vorming van één afschuifband wordt getoond in Fig. 14. Hieruit kunnen verschillende stappen van het schuifbandvormingsproces worden onderscheiden:

Lichte plastische vervorming van het hele gebied voor de gereedschapstip, opwaartse buiging van de achterkant van het materiaal.

Een vervormingszone vormt zich voor de tip van de gereedschap.

Een kleine regio op het werkstuk begint plastisch te vervormen.

De twee vervormingszones doen zich aan en plastic vervorming lokaliseert.

De segment schuift sterk langs de afschuifband.

Een tweede afschuifzone kan vormen die leidt naar een gesplitste afschuifband die naar beneden is gebogen.

Uit de simulatie kan worden gezien dat de afschuifband niet gewoon begint te vormen voor de tip van de gereedschap en zich vervolgens over de chip uitstrekt. In plaats daarvan vormt een tweede vervormingsgebied eerst op de achterste chips, en alleen Doet daarna de twee regio's meedoen. 6 Als het scheren aan het oppervlak scheuren induceert, kan dit leiden tot scheurvorming in zeer vroege stadia van het chip segmentatieproces. Dit kan echter niet worden geconcludeerd uit de huidige simulatie.

Een ander interessant aspect is de vorming van gesplitste afschuifbanden. De afschuifband buigt omhoog naarmate de tooltip vordert en een nieuwe vervormingszone vormt voor de tip van de gereedschap, wat leidt tot een tweede afschuifband die zich aansluit bij de eerst. Zodra de tweede afschuifband zich heeft gevormd, concentreert de vervorming zich in dit gebied en wordt de bovenste helft van de afschuifband niet meer ontstaan. Dit is te zien uit de vervormingssnelheid, die klein wordt in de bovenste helft van de afschuifband en groot in het onderste deel zodra de splitsing optreedt.

Deze gesplitste afschuifband lijkt geen simulatieartefact te zijn, ondanks het feit dat de gedetailleerde vorm ervan wordt beïnvloed door het scheidingsmechanisme (zie figuur 12). Soortgelijke afschuifbanden zijn waargenomen in een andere simulatie (zie [19], Fig. 9) en ze zijn ook experimenteel gevonden (zie Fig. 15).

Een mogelijke reden voor het optreden van deze afschuifbanden kan worden begrepen uit Fig. 16. De afschuifband vormt aanvankelijk als een bijna rechte lijn, zoals te zien in Fig. 16 (links). Naarmate de tool vordert, is het materiaalgebied direct vooraan van de gereedschapstip en onder de afschuifband moeten worden verwijderd. Een mogelijkheid hiervoor is om de afschuifband sterk naar boven te bochten terwijl de tool vooruitgang gaat, 7 zodat het te verwijderen materiaal naar links en omhoog beweegt. Dit zou echter een sterke plastische vervorming vereisen in de zone S2 links van de afschuifband, waar de temperatuur nog klein is en de energie die nodig is voor vervorming is dienovereenkomstig groot, en ook enige vervorming in het reeds gevormde segment S1. Als een gesplitste afschuifband zich in plaats van regio A vormt, kan deze regio worden verplaatst door het scheren langs de afschuifband, wat veel gemakkelijker is. Dit veroorzaakt alles De reeds gevormde chip (S1) om ook langs de afschuifzone te bewegen, en als de afschuifband is gebogen, wordt de chip ook gebogen. De regio A voor de tip van de gereedschap verandert dus zijn rol: in eerste instantie behoort het tot de nieuw vormgevende Segment S2, maar zodra de tweede afschuifband het overneemt, behoort deze kinetisch om S1 al gevormd te segmenteren. Geometrische beperkingen vereisen nog steeds enige kleine vervorming in deze regio, maar het materiaal dat alleen is links van de afschuifband Moet enigszins vervormen om de (kleine) kromming van de afschuifband tegemoet te komen.

De vorming van de gesplitste afschuifband is natuurlijk geen puur geometrisch fenomeen: een continue vervorming van het gebied A in de figuur kan een soortgelijk effect veroorzaken zonder sterke lokalisatie. Of vervorming in deze zone Concentraten in een tweede afschuifband hangt af van de stroomkrommen en de neiging van de vervorming om te lokaliseren.

Een vergelijking van de gesimuleerde en het experiment geproduceerde gesplitste afschuifbanden laat zien dat hun vorm verschilt: de experimentele afschuifbanden gebogen in de tegenovergestelde richting van de gesimuleerde. Dit verschil kan nog niet zijn legde uit, maar de invloed van wrijving, van warmte uit het gereedschap en van de verschillende harkhoeken kan hierin een rol spelen.

Fig. 17 toont de berekende snijkracht voor de simulatie van Fig. 13. Zoals verwacht, merken sterke oscillaties van 7 op dat wrijving wordt verwaarloosd in deze simulatie, zodat er geen afschuifbandkromming door kan worden veroorzaakt. Het is waarschijnlijk dat De opname van wrijving zou op zijn minst gedeeltelijk de gesplitste afschuifbanden vernietigen door de sterke vervorming van de gereedschapszijde van de chip.

Fig. 14. Detail van de vorming van de tweede afschuifband voor dezelfde simulatie als in Fig. 13. Getoond is de equivalente plastic stam als een contourplot. De schaal wordt zodanig gekozen dat de donkerste kleur alle waarden groter dan 2 aangeeft.

De tijd tussen twee opeenvolgende foto's is 50 ns. De horizontale lijn is het extra contactoppervlak om penetratie van de chip in het ongesneden werkstuk te voorkomen.

De kracht komt voor, met een hoge absolute waarde van de kracht wanneer de vervorming niet geconcentreerd is en een lagere waarde in tijden van afschuiflocatie en afschuiving van de chip langs de afschuifbanden. De absolute waarden van de kracht zijn niet in overeenstemming met experimenteel onderzoek, maar zijn te laag met een factor van ongeveer 2. Dit is Meestal vanwege de onzekerheden in de plastic stroomcurves en ook tot de verschillende harkhoeken. Enerzijds wordt de afname van de spanning bij stammen groter dan 0,2 waarschijnlijk overdreven in de krommen; aan de andere kant, De stresswaarden bij de extreme vervormingspercentages zullen veel hoger zijn dan die bij de

Fig. 15. Optreden van gesplitste afschuifbanden in experimenteel geproduceerde chips: (links) chip van Ti6Al4V (gereedschap aan de rechterkant); (rechts) Chip van CK 45 (gereedschap aan de linkerkant) gemaakt met een snel stop -experiment bij IEP, Magdeburg. Dit figuur werd geleverd door U. Schreppel en P. Veit, IEP, Magdeburg.

Fig. 16. Twee fasen tijdens de vorming van een gesplitste afschuifband. De configuraties zijn afkomstig van de vierde en zevende toestand getoond in Fig. 14. Segment S1 is al gevormd in de eerste status, segment S2 begint te evolueren. Het voortschrijdend Gereedschap moet regio A verwijderen A. De split -afschuifband voor A maakt het mogelijk om deze regio naar de positie te verplaatsen die wordt gemarkeerd door B in de rechterfiguur. Het reeds gevormde segment S1 is tijdens dit proces slechts enigszins vervormd. Het splitsen van de afschuifband maakt dus het mogelijk om de verwijdering van materiaal uit gebied A zonder sterke vervorming op te vangen, hetzij binnen S1 of in S2

Parametrische studies

Het eindige -elementmodel maakt het mogelijk om de invloed van verschillende materiaal- en procesparameters op chipvorming te bestuderen. Twee voorbeelden worden in dit gedeelte getoond.

In een eerste experiment werden de elastische eigenschappen van het materiaal veranderd. Men kan stellen dat de vorming van afschuifbanden wordt geactiveerd door de afgifte van elastische energie die is opgeslagen in het vervormde materiaal. Fig. 18 toont dat inderdaad de Elastische energiedichtheid neemt sterk af wanneer een chipsegment wordt gevormd. De absolute waarde van deze energie is echter klein in vergelijking met de plastic vervormingsenergie. Om dit effect verder te bestuderen, was Young's modulus van het materiaal gevarieerd tussen57.5 en 575 MPa bij kamertemperatuur, zodat de opgeslagen elastische energie dienovereenkomstig zou veranderen. 8

De resulterende vervormingspatronen zijn vergelijkbaar voor deze drie gevallen, maar de mate van segmentatie verandert enigszins, overeenkomend met een verandering in de SEG -mentatiefrequentie. Dit is te zien uit figuur 19, waar de snijkracht is getoond voor de drie verschillende gevallen. Hoe lager de elastische modulus is, hoe hoger de mate van segmentatie en segmentatietijd. Een mogelijke verklaring is dat een grotere hoeveelheid opgeslagen elastische energie de afschuiving verlicht of dat Plastic afschuiving heeft de voorkeur omdat de elastische vervorming van het gebied links van de afschuifband energetisch ongunstig is. Een andere mogelijkheid is dat de vervorming zich sterker concentreert in het stijvere materiaal en dus neemt toe de segmentatiefrequentie. Een meer gedetailleerd onderzoek 8 Merk op dat de hoeveelheid elastische energie wordt begrensd door de vaste vloeigrenssterkte van het materiaal, zodat het materiaal met de onderste elastische modulus de hogere spanningsergie heeft als het materiaal plastisch vervormt.

Fig. 18. Elastische energiedichtheid (in eenheden MJ/mm3) bij de tweede en vierde keer stap uit Fig. 14. De schaal wordt zodanig gekozen dat de donkerste kleur alle waarden groter dan 20 aangeeft. De energiedichtheid neemt sterk af tijdens de Vorming van de afschuifband, waardoor de afgifte van elastische energie de vorming van de afschuifband kan beïnvloeden.

Fig. 19. Snijdkracht voor drie simulaties met verschillende elastische eigenschappen. Het is te zien dat de segmentatiefrequentie wordt verminderd met toenemende elastische modulus. Snijdparameters: snij diepte 40 lm, snijsnelheid 50 m/s, hark hoek 10 °.van de invloed van de elastische modulus is noodzakelijk om deze vraag grondig te begrijpen.

Als tweede variatie is de snijsnelheid verlaagd met een factor 100-0,5 m/s. Bij deze snelheid is de thermische geleidbaarheid hoog genoeg zodat geen sterke temperatuurconcentratie mogelijk is. Vanwege de maxi -moeder in de plastic stroom Curves, er moet niettemin worden verwacht dat chip -segmentatie plaatsvindt, omdat het ook experimenteel doet. (Dit feit was een deel van de reden om stroomcurves met een duidelijk maximum te gebruiken.) Dit is inderdaad waar, maar het is alleen te zien in de Simulatie als de gaasdichtheid verder wordt verhoogd, zoals vermeld in paragraaf 4.2. Dit geeft aan dat de neiging om gesegmenteerde chips te vormen kleiner is bij de lagere snijsnelheid.

Uitzicht

Er is een eindig elementmodel van het metaalsnijproces getoond met behulp van standaardsoftware (Abaqus/Standard). Het model is gebaseerd op de volgende technieken:

gebruik van vierhoekige elementen;

frequent remeshing;

speciale vorm van het eerste gaas;

Discontinue remeshing voor gesegmenteerde chips;

Gebruik van twee verschillende scheidingstechnieken.

Het model werd toegepast op het orthogonale snijden van een titaniumlegering, met behulp van plastic stroomcurves op basis van experiment, maar bezat enige experimentele onzekerheid.

Sommige resultaten die met het model zijn geproduceerd, zijn ook aangetoond. Het is mogelijk om de details van het chip -vormingsproces te analyseren. De vorming van de afschuifband begint voor de tip van de gereedschap. Een tweede vervormingsgebied vormt zich op de chip Achterzijde, en de twee regio's doen zich aan. Het DE -formatiegebied smeert verder, totdat vervorming is geconcentreerd in een zeer kleine afschuifband. De afschuifband kan daarna splitsen, een fenomeen dat ook in sommige experimenten is waargenomen.

Een mogelijke verklaring hiervoor is gegeven.

Bovendien werd de invloed van de elastische modulus en van de snijsnelheid bestudeerd. De elastische modulus beïnvloedt de mate van segmentatie van de chips. Met stroomcurven die een sterk maximaal isotherme, gesegmenteerde chips vormen Zelfs bij lage snijsnelheden, als de gaasdichtheid voldoende wordt verhoogd.

De overeenkomst tussen geproduceerde geproduceerde chips was redelijk gezien de onzekerheden van de invoerparameters. Het belangrijkste is dat de mate van segmentatie in de simulatie kleiner is dan in de experimenten. Dit kan worden veroorzaakt door de gebruikte plastic stroomcurven die de generatie van afschuifbanden sterk bevorderen, zodat de segmentatiefrequentie wordt verhoogd en de mate van segmentatie dienovereenkomstig afnam. Dit zou kunnen Geef aan dat materiaalfalen moet worden opgenomen in de simulatie, maar dit is nog niet duidelijk.

Om redenen van eenvoud zijn wrijving en warmtegeleiding in het gereedschap verwaarloosd in deze studie. Toekomstige onderzoeken zullen deze processen omvatten en zullen dus het mogelijk maken om hun effect op het chip -vormingsproces te bestuderen.

Een noodzakelijke verbetering betreft de vorm van het gereedschap, vooral in het geval van het pure vervormingsmodel. Hier zijn de passieve kracht en de vervorming van het werkstukoppervlak veel te klein, omdat er geen materiaal onder het gereedschap wordt geduwd. De Veronderstelling van een oneindig scherp gereedschap en de resulterende penetratie van materiaal in het gereedschap (zie Fig. 8) moeten worden verbeterd door een eindige gereedschapsradius toe te voegen.

Ten slotte kunnen parametrische studies worden uitgevoerd om de invloed van verschillende materiaalparameters op het chipvormingsproces te begrijpen. De meest interessante variabelen om te veranderen zijn de plastic stroomcurves en de thermische Eigenschappen van de titaniumlegering. De resultaten van deze studies helpen misschien niet alleen om te begrijpen wat titanium moeilijk maakt om te snijden, maar kunnen ook wijzen op mogelijke verbeteringen van de legering.