+ 86-18052080815 | info@harsle.com
Sie sind hier: Zuhause » Unterstützung » Bloggen » Ein Finite -Elemente -Modell für Hochgeschwindigkeitsmetallschneidungen mit adiabatischer Scherung (2)

Ein Finite -Elemente -Modell für Hochgeschwindigkeitsmetallschneidungen mit adiabatischer Scherung (2)

Anzahl Durchsuchen:39     Autor:Site Editor     veröffentlichen Zeit: 2018-11-05      Herkunft:Powered

erkundigen

Knoten -Trennungstechnik

Als erste Methode haben wir eine vordefinierte Trennlinie ausgewählt. Diese Technik wurde zuvor von vielen Autoren verwendet, z. [13,18,22,27].

Es ist wichtig, die korrekte vertikale Positionierung der Linie relativ zum Werkzeug zu gewährleisten. Dies kann durch Vergleich von Kunststoffstämmen in der Simulation mit experimentell gemessenen Kunststoffstämmen erfolgen. Dafür wird ein geteiltes Exemplar verwendet, wo ein Netz in die inneren Oberflächen eingekerbt ist. Die Verformung dieses Gitters kann dann mit einer optischen Methode gemessen und mit den Simulationswerten verglichen werden.


In der Simulation sind die Knoten entlang der Trennlinie zunächst identische Freiheitsgrade aufweisen. Wenn ein kritischer Abstand zur Werkzeugspitze erreicht ist, werden die Knoten getrennt. Es wurde in [13] gezeigt, dass diese Methode ist gegenüber Details des SEPA -Rationsprozesses nicht sehr sensibel. Ein physisch basiertes Kriterium wäre vorzuziehen, aber ein solches Kriterium ist bei hohen hier untersuchten Geschwindigkeiten nicht verfügbar. Zusätzlich wird die Materialtrennung am meisten Wahrscheinlich treten direkt vor der Werkzeugspitze auf (obwohl es schwierig ist, dies zu beweisen), so dass jedes physikalische Kriterium im Wesentlichen diese Tatsache widerspiegeln und auch zu einer Materialtrennung führen würde, die ganz nahe an der Werkzeugspitze liegt.


Aufgrund des Tool -Vormarsches kann das Material vor der Werkzeugspitze aufgebaut werden, so dass ein Knoten, der getrennt werden soll, über der Werkzeugspitze liegt. In diesem Fall würde dieser Knoten die Rake -Oberfläche des Werkzeugs und nach der Trennung kontaktieren Von den Knoten würden sich beide in der Chip -Flussrichtung nach oben bewegen, anstatt einen Knoten, der sich nach Bedarf für die korrekte Materialtrennung unter der Flankenfläche bewegt. Ein ähnliches Problem kann bei einem Knoten des Chips nach der Trennung auftreten: wenn Dieser Knoten ist sehr nahe an der Werkzeugspitze, die resultierende Kraft auf diesen Knoten ist nach unten gerichtet, so dass sich der Knoten nicht in die Chip -Flussrichtung bewegt (siehe Abb. 7 (a)). In diesem Fall ist das Netz vor Ort stark deformiert und Die Konvergenz der Iteration ist schwierig.


Dieses Problem kann gelindert werden, wenn zwei Hilfstaktflächen wie in Fig. 7 (b) gezeigt werden. Diese Oberflächen transportieren die Knoten auf das Werkzeug. Da sie nur einen sehr kleinen Bereich betreffen (normalerweise ist nur ein Knoten in Kontakt mit Diese Oberflächen), der von ihnen eingeführte Fehler ist vergleichbar mit dem Gesamtdiskretisierungsfehler. Nur bei der Berechnung der gesamten Schneidkraft sollen sie berücksichtigt werden, da sie natürlich einen Teil der Gesamtwerkzeuglast tragen.


Die Knoten -Trennungstechnik in der hier beschriebenen Form führt zwei Fehler ein: Die Materialtrennlinie wird vorgeschrieben und die Hilfsflächen verursachen eine zusätzliche Kraft, die den Chip und das Werkstück trennt. Um zu überprüfen Der Einfluss dieser Fehler, eine zweite Technik, wurde implementiert.


Reine Verformungstechnik

Es ist auch möglich, den Metallschneidemittel ohne Knoten zu simulieren. Stattdessen kann es als Verformungsprozess angesehen werden [21]. Wenn das Werkzeug voranschreitet, bewegen sich alle Knoten auf der Werkzeugoberfläche und die Elemente können stark verformen (Siehe Abb. 8). Das Material, das sich mit dem Werkzeug überlappt, kann während eines Remeshing -Schritts entfernt werden. Eine häufige Remeshing ist erforderlich, so dass die Menge an entferntem Material klein bleibt. Der gezeigte Fall verwendet ein unendlich scharfe Werkzeug, nämlich Der schlimmste Fall als Werkzeug mit einer abgerundeten Kante führt zu weniger materiellen Eindringen in das Werkzeug. Für die hier beschriebene Simulation wurde die Remeshing nach einer Werkzeugdurchdringung von 2: 5 lm durchgeführt. Das entfernte Material entspricht einem kleinen Streifen Sie vor der Werkzeugspitze mit einer Dicke von ungefähr 1 LM.


Dieser einfache Ansatz hat den Vorteil, dass er leichter übertrifft, da keine Diskontinuitäten auftreten (wie es der Fall ist, wenn sich ein Knotenpaar trennt). Der zweite Vorteil ist, dass keine Materialtrennlinie vorgeschrieben ist. Stattdessen ist es Möglicherweise für Material, das unter einer horizontalen Linie durch die Werkzeugspitze liegt, um deformiert zu werden und sich in den Chipbereich zu bewegen. Nach einem Rückschritt wird es dann in dieser Region bleiben. Somit eines der Hauptprobleme bei der Knotenabteilung Die Technik wird gelindert.

ein endliches Element

Abb. 7.

(a) Bewegung eines Knotens des Chips "gefangen" zwischen Werkzeug und Werkstück. Die Knotenbewegung befindet sich nicht in Richtung des Materialflusses, was zu Konvergenzproblemen führt.

(b) Hilfskontaktoberflächen führen die Knoten in die Richtige Richtung. Oberfläche 1 wirkt auf die Knoten im Chip, Oberfläche 2 auf denjenigen im Werkstück.

ein endliches Element

Abb. 8. Materialtrennung ohne Knoten Trennung: (a) vor der Wiederherstellung; (b) Nach dem Wiederherstellen. In dieser Technik bewegen sich Knoten auf der Oberfläche ohne Trennung auf der Oberfläche. Das Material wird bei jedem Remeshing -Schritt entfernt. Wenn sich erholt Häufig erledigt und die Netzdichte hoch ist, kann der durch diese Entfernung eingeführte Fehler sehr klein gehalten werden.


Da die Elemente nur dann entfernt werden, wenn ein Remeshing abgeschlossen ist, können sie eine Last zwischen dem Werkzeug und dem unphysischen Werkstück tragen. Entgegen der künstlichen Belastung in der Knoten -Trennungstechnik versucht diese Last, Chip zu halten und Werkstück zusammen und hat somit ein op -posite -Zeichen.


Die Verwendung von zwei Kriterien mit entgegengesetzten Effekten ermöglicht somit den Einfluss des Trennungskriteriums. Wenn die Ergebnisse für eine Simulation mit beiden Methoden übereinstimmen, muss der Einfluss der künstlichen Kraft auf das Ergebnis sein unerheblich. Solche Ergebnisse werden in Abschnitt 4.2 gezeigt.

3.8. Konvergenz erreichen

Für einen impliziten Algorithmus ist es wichtig, die Konvergenz mit angemessenen Zeitschritten sicherzustellen. In diesem Abschnitt werden einige weitere Techniken beschrieben, die zur Konvergenz helfen.

Die in der Simulation verwendete ABAQUS -Software überprüft die größte Restkraft und vergleicht diese mit der durchschnittlichen Kraft innerhalb des Modells, um die Konvergenz zu testen. Diese Methode ist für den Metallschneidvorgang nicht geeignet, wie die Die durchschnittliche Kraft im Modell ist klein auf die in der Scherzone auftretenden maximalen Kräfte entspricht.


Dieses Standardkonvergenzkriterium ist daher viel zu streng. Konvergenzkontrollen müssen eingestellt werden, und es muss ein Vergleich zu einem typischen Wert der Kraft innerhalb der Scherzone durchgeführt werden. Gleiches gilt für die Berechnung von Temperaturen und Wärmeflüssen.


Es kann sichergestellt werden, dass dieses Konvergenzkriterium streng genug ist, indem die berechneten Korrekturen mit den berechneten Schritten während des Iterationsverfahrens verglichen und ihre Kleinheit gewährleistet werden.

Nach der Wiederherstellung kann das Kraftgleichgewicht aufgrund der Interpolation der Deformation und der materiellen Zustandsvariablen möglicherweise nicht erfüllt werden. Dies kann anfängliche Verformungen verursachen und somit zu Konvergenzproblemen führen, die die behindern Simulation neu starten. Um dies zu vermeiden, wurde die künstliche Dämpfung zum ersten Mal eingeführt 5 × 10-11 s einer Simulation, so dass diese Deformation ist klein gehalten. Diese Dämpfung fügt eine Kraft hinzu, die an jedem Knoten proportional zur Knotengeschwindigkeit ist und somit starke Anfangsdeformationen reduziert. 3 Es wurde sichergestellt Arbeiten, damit es den Gesamtergebnis vernachlässigbar beeinflusst.

Chipbildung von Ti6al4V


Prozessparameter und Materialeigenschaften

Abb. 9 zeigt einen segmentierten Chip, der bei einer Schneidgeschwindigkeit von 40 m/s, einer Schneidentiefe von 42 lm und einem Rake erzeugt wird Winkel von 0 ° unter diskontinuierlicher orthogonaler Schnitt Bedingungen wie in [10] beschrieben. Die Chipform hängt nicht stark von den Schneidparametern ab. Anders als das Experiment betrug der in der Simulation verwendete Rechenwinkel normalerweise 10 °, da leicht positive Rechenwinkel haben Ein besseres Konvergenzverhalten. Da hier keine quantitative Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment anstrebte (aufgrund von Unsicherheiten in den plastischen Flusskurven siehe unten), ist dieser Unterschied nicht wesentlich.


Ein wichtiger Parameter, der in die Simulation eingeht, ist der Reibungskoeffizient zwischen Werkzeug und Werkstück. Die Experimente führen zu der Schlussfolgerung, dass dieser Wert eher klein ist [11]. Da es nicht klar ist, ob die Reibung eine spielt Wichtige Rolle für die Bildung von Scherbändern. Es wurde angenommen, dass in der Simulation keine Reibung auftritt. Der Wärmefluss in das Werkzeug wurde ebenfalls vernachlässigt. Diese Vereinfachung beeinflusst den Chipbildungsprozess nicht stark als thermisch Leitfähigkeit von Die Titanlegierung ist niedrig, so dass die Wärme von der Werkzeugoberfläche nicht weit in den Chip eingeht. Das Hinzufügen von Reibung und Wärmefluss in späteren Simulationen ermöglicht es, den Einfluss von zu untersuchen

ein endliches Element

Abb. 9. Experimentell hergestellter segmentierter Chip. Die Scherbänder sind deutlich durch Ätzlinien gekennzeichnet. Schnittbedingungen: Schnittgeschwindigkeit 40 ms, Schnitttiefe 42 lm, Rechenwinkel 0 °.

diese Effekte getrennt. Dies ist wichtig für ein gründliches Verständnis des Einflusses der verschiedenen Phänomen auf den Chipbildungsprozess.


Die thermischen Eigenschaften der verwendeten Titanlegierung wurden vom Fraunhofer Institut Fu Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (Privatkommunikation) in einem Temperaturbereich zwischen Raum gemessen Temperatur und 1200 ° C unter Verwendung eines Laser-Flash-Geräts und ein differentiales Scankalorimeter. Die thermische Konstruktivität variiert zwischen einem Wert von 6,8 W/m K bei Raumtemperatur und 24,4 W/m K bei 1185 ° C, der spezifischen Die Wärme beträgt 502 J/kg K bei Raumtemperatur und 953 J/kg K bei 890 ° C, und der Wärmeausdehnungskoeffizient ist bei einem Wert von 10 bis 5 k-1 nahezu konstant.


Abb. 10 zeigt die für die verwendeten plastischen Flusskurven Simulation. Die Werte zwischen den angegebenen sind linear in terpoliert. Die Werte für Stämme bis zu ~ 0,25 werden durch Hochgeschwindigkeits-Plastikdeformationsmessungen berücksichtigt [14] bei Dehnungsraten von 3000 s-1; Für Stämme über diesem Wert wurde angenommen, dass das Material bei niedrigeren Dehnungsraten für Ti6al4V erweichen wird [8].

ein endliches Element

Diese Abb. 10. Plastische Durchflusskurven, die für die Simulation verwendet werden. Für Dehnungswerte über 0,25 wurde eine isotherme Erweichen angenommen.


Die Erweichung ist in den Experimenten schwer zu bestimmen, da sich in den Testproben Scherbanden bilden, und Messungen der Gesamtprobendeformation korrelieren daher nicht gut mit dem wahren materiellen Verhalten. Die ziemlich starken Die hier angenommene Erweichung ist wahrscheinlich unrealistisch, erleichtert jedoch die Bildung adiabatischer Scherbänder und ermöglicht es daher, den Segmentationsprozess leichter zu untersuchen.


Mit dem hier beschriebenen materiellen Gesetz wird das strophische Scherversagen des Materials in der Scherzone einfach durch den Überschuss einer kritischen Belastung verursacht. Die Breite des Scherbandes wird dann durch die Elementgröße bestimmt, die hat wurde ausgewählt, um eine Scherbandbreite zu erzeugen, die mit der in den Experimenten beobachteten vergleichbar ist. Ein realistischeres materielles Gesetz würde keine starke Dehnungsweichung verwenden und sich stattdessen auf thermische Erweichung verlassen, um die Scherbänder zu bilden. Zusätzlich, Die ratenabhängige Rendite sollte ebenfalls berücksichtigt werden. Bei einem solchen materiellen Gesetz würde die Breite der Scherbande durch die thermische Leitung bestimmt und wäre unabhängig von der Netzdichte. Da sind wir meistens an der interessiert In Verformung der Segmente wurde hier der einfachere Ansatz verwendet, um die Computerzeit zu sparen. Simulationen mit einem realistischeren Gesetz werden in Zukunft durchgeführt [6].


Der Anteil der in Wärme umgewandelten plastischen Deformationsenergie (Taylor -Quinney -Koeffizient) ist ebenfalls schwer zu messen. Ein Wert von 0,9 wurde gemäß [17] verwendet.


Details zu den Simulationen

Die Anzahl der Elemente in der Simulation ist variabel, da sie mit der Anzahl der Segmente zunimmt. Für die im nächsten Abschnitt gezeigte Simulation wurden zu Beginn der Simulation etwa 5000 Elemente und 7000 Knoten verwendet, und 10 000 Elemente und 12 000 Knoten gegen Ende, wo mehrere Segmente vermerkt werden müssen. Die Elementkantenlänge betrug ungefähr 0: 7 LM in der Scherzone. Die für diese Simulation erforderliche Computerzeit belief sich auf einer HP C360 -Workstation auf fünf Tage.


Einige machende Beispiele sind in Abb. 11 zu sehen. 4

Die in Abschnitt 4.4 beschriebene niedrige Geschwindigkeitssimulation wurde mit einer noch feineren Netzdichte mit Kantenlängen von etwa 0: 3 lm in der Richtung senkrecht zum Scherband durchgeführt. Die Anzahl der Elemente war entsprechend größer, mit bis zu bis zu 17 000 Elemente verwendet.


Die starke Krümmung des Chips führt zu einer Durchdringung des Chips in das Material. Um dies zu vermeiden, wurde eine Hilfskontaktoberfläche eingeführt, die den Chip vom ungeschnittenen Material trennt. Diese Kontaktfläche kann sein als horizontale Linie in Abb. 11 gesehen.

ein endliches Element

Abb. 11.

Verwendete Finite -Elemente -Maschen in verschiedenen Stufen des Schneidvorgangs mit segmentierter Chipbildung. Beachten Sie die starke Verfeinerung der Scherzone und das Verhandeln des Netzes der ersten Segmente. Eine horizontal orientierte Hilfs Die Kontaktfläche über dem ungeschnittenen Material wird als Linie dargestellt.


Vor der Interpretation der Ergebnisse der Simulation muss der Einfluss der Trennungstechnik untersucht werden. Fig. 12 zeigt Chips, die mit der Knotenabteilung und der reinen Verformungstechnik in nahezu identischen Zeitschritten erzeugt werden. 5 Die Schneidbedingungen für beide Simulationen.


Das Werkzeug wird als starr angenommen, daher ist das Vernetzung des Werkzeugs irrelevant. Es wurde hinzugefügt, um Wärmeleitung und Werkzeugverformung in einem späteren Stadium der Simulation zu ermöglichen.

5 Aufgrund der automatischen Berechnung der Zeitschritte war es nicht möglich, beide Bilder im Sametime -Schritt zu machen.

ein endliches Element

Abb. 12. äquivalente Kunststoffstämme in zwei mit den beiden unterschiedlichen Trennungstechniken durchgeführten Simulationen: (a) Knoten -Trennungsmethode; (b) reine Verformungsmethode. Die Netzdichte in der letzteren Simulation war in der etwas höher Scherzone, so dass die Scherbänder schmaler sind. Die Übereinstimmung zwischen den Verformungsmustern ist immer noch einigermaßen gut. Schnittparameter: Schneiden von 40 lm,Schnittgeschwindigkeit 50 ms, Rechenwinkel 10 °.waren wie folgt: Schneiden von 40 lm, Schnittgeschwindigkeit 50 m/s, Rechenwinkel 10 °.


Es ist ersichtlich, dass die allgemeine Verformung der Chips sehr ähnlich ist. Sogar Details der Verformungsmuster wie dem Segmentierungsgrad (Verhältnis von minimaler zu maximaler Chiphöhe) und dem Auftreten von „Split“ -Sheandbändern In der Nähe der Werkzeugspitze stimmen Sie in beiden Simulationen einigermaßen gut zu, obwohl geringfügige Unterschiede auftreten. Die Scherbänder sind in der Simulation unter Verwendung der Deformationstechnik enger. Dies liegt an der Tatsache, dass die Netzdichte war etwas höher dort.


Die Schneidkraft schwankt in beiden Simulationen, für die Knoten -Trennungstechnik zwischen etwa -20 und -42 n, für die Verformungstechnik die Kräfte sind etwas größer und liegen zwischen -23 und -45 N. Der Grund ist die Belastung des Materials, das leicht eindringt in das Werkzeug. Es ist zu erwarten, dass die Vereinbarung noch besser wäre, wenn das Tool nicht unendlich scharf ist. Die Häufigkeit der Schwingungen (und damit der Scherbandbildung) ist in beiden Fällen gleich.


Die Ergebnisse dieses Vergleichs zeigen, dass die Verformungsmuster recht gut übereinstimmen. Die Kräfte ändern sich zwischen den beiden Techniken um etwa 10%, sind jedoch für die nachstehend vorgestellten Untersuchungen nicht zu relevant. Trotzdem an Für das reine Verformungsmodell sollte eine verbesserte Werkzeugform ausgewählt werden, wenn detaillierte Untersuchungen der Schneidkraft durchgeführt werden sollen.


Ein weiterer wichtiger Aspekt zum Studium ist die Netzdichte. Die Verfeinerung des Netzes führt weiter zu schmaleren Scherbändern in der Simulation, jedoch nur zu kleinen Unterschieden in den Schneidkräften und den daraus resultierenden Verformungsmustern (der Grad von Die Segmentierung, d. H. Das Verhältnis der maximalen und minimalen Segmenthöhe, nimmt leicht zu und die Scherbandbreite nimmt ab). Daraus könnte der Schluss gezogen werden, dass das gebrauchte Netz nicht gut genug ist. Da es jedoch keinen rateabhängigen Verhärtung und wie die isothermen Flusskurven maximal zeigen, gibt es keinen Mechanismus, um die Verengung des Scherbandes einzuschränken. Unter den benutzten Bedingungen kann erwartet werden, dass die Scherbande singulär wird. Daher würde jedes verwendete Netz würden Leiden Sie unter diesem Problem, was auf die zu vereinfachten Annahmen über das plastische Verhalten des Materials zurückzuführen ist. Die Netzdichte für die unten gezeigten Simulationen wurde so ausgewählt, dass die Breite der Scherbande mit übereinstimmt experimentell beobachtete Werte.

Get A Quote
Zuhause
Urheberrechte ©2023 Nanjing Harsle Machine Tool Co. Ltd. Alle Rechte vorbehalten.