Ein Finite -Elemente -Modell des Hochgeschwindigkeits -Metallschnitts mit adiabatischer Scherung （3）

Der Chipbildungsprozess

Abb. 13 zeigt die Geschichte der Chipbildung für eine mit der Deformationstechnik erzeugte Simulation. Die Konturvariable ist die äquivalente plastische Dehnung, die bei maximal 3 abschneidet (ein Diagramm der Temperatur ist sehr Ähnlich wie in der thermischen Leitfähigkeit waren die Schnittbedingungen dieselben wie in Fig. 12.

Die Form des ersten Segments und der Scherbande unterscheidet sich von der folgenden. Es zeigt ein stark gespaltenes Scherband, während die letzteren Scherbänder auf der Werkzeugseite nur geringfügig gespalten werden. Die Krümmung dieser ersten Das Segment ist viel stärker, so dass es das ungeschnittene Material kontaktiert. Die letzteren Segmente sind einander sehr ähnlich, mit konstantem Abstand zwischen den Segmenten und einem ähnlichen Segmentierungsgrad. Der Unterschied zwischen dem ersten und Die folgenden Segmente sind auf den Geometrieunterschied zwischen dem anfänglich ungeschnittenen Material und dem Material mit einer Scherbande zurückzuführen.

Die Verformung der experimentell produzierten Chips unterscheidet sich von der Simulation in zwei Aspekten: Der Segmentierungsgrad ist im Experiment stärker (dies ist teilweise auf die Netzdichte zurückzuführen, siehe oben) und den Abstand zwischen Die Scherbänder sind ebenfalls größer (siehe Abb. 9 zum Vergleich). Dies ist wahrscheinlich hauptsächlich auf den Unterschied im Rechenwinkel zurückzuführen. Fehler im Plastikfluss

Abb. 13. Entwicklung eines segmentierten Chips. Dargestellt ist die äquivalente plastische Dehnung als Konturdiagramm. Die Skala wird so ausgewählt, dass die dunkelste Farbe alle Werte größer als 3 bedeutet 50 ms, Rechenwinkel 10 °. Kurven können auch eine Rolle spielen, aber dies kann im Moment nicht entschieden werden. Die Krümmung der Chips stimmt ebenfalls nicht überein, da die simulierten Chips stärker gekrümmt sind.

Das Material zwischen den Scherbändern ist nur schwach deformiert. Die Verformung ist auf der Werkzeugseite des Chips aus geometrischen Gründen stärker. Dies gilt sowohl in der Simulation als auch im Experiment. Die geringe Verformung der Regionen Zwischen den Scherbändern führt zu einer kleinen Temperaturerhöhung; in den Simulationen, Die maximale Temperatur in den Scherbändern erreicht 800 ° C oder mehr, während die weniger deformierten Regionen bei Temperaturen unter 150 ° C liegen. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Materials sind diese Unterschiede nicht einmal in der Simulation ausgelöst Zeiten berücksichtigt.

Eine detaillierte Untersuchung der Bildung eines Scherbandes ist in Abb. 14 dargestellt. Aus diesem Grund können mehrere Schritte des Scherbandbildungsprozesses unterschieden werden:

Leichte plastische Verformung des gesamten Bereichs vor der Werkzeugspitze, nach oben biege Biege des Materials.

Eine Verformungszone bildet vor der Werkzeugspitze.

Eine kleine Region auf der Rückseite des Werkstücks beginnt plastisch zu verformen.

Die beiden Verformungszonen verbinden sich und die plastische Verformung lokalisiert.

Das Segment schere stark entlang des Scherbandes.

Eine zweite Scherzone kann zu einem geteilten Scherband führen, das nach unten gebogen ist.

Aus der Simulation ist ersichtlich, dass sich das Scherband nicht einfach vor der Werkzeugspitze bildet und sich dann im gesamten Chip erstreckt. Stattdessen bildet sich zuerst eine zweite Verformungsregion auf der Rückseite der Chips und nur auf Danach beitreten die beiden Regionen. 6 Wenn das Scheren an der Oberfläche Risse induziert, kann dies in sehr frühen Stadien des Chip -Segmentationsprozesses zu Rissbildung führen. Dies kann jedoch nicht aus der vorliegenden Simulation abgeschlossen werden.

Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Bildung von Split -Scherbändern. Das Scherband beugt sich nach oben, während das Werkzeugspitzenschritt voranschreitet und eine neue Verformungszone vor dem Werkzeugspitzen bildet, was zu einer zweiten Scherband führt, die sich mit dem verbindet Erste. Sobald sich die zweite Scherbande gebildet hat, konzentriert sich die Verformungskonzentration in diesem Bereich und die obere Hälfte des Scherbandes ist nicht mehr ausgebildet. Dies ist aus der Verformungsrate ersichtlich, die in der oberen Hälfte klein wird des Scherbandes und groß im unteren Teil, sobald die Aufteilung auftritt.

Diese geteilte Scherbande scheint kein Simulationsartefakt zu sein, obwohl seine detaillierte Form durch den Trennungsmechanismus beeinflusst wird (siehe Abb. 12). Ähnliche Scherbanden wurden in einer anderen Simulation beobachtet (siehe [19], Abb. 9) und sie wurden auch experimentell gefunden (siehe Abb. 15).

Ein möglicher Grund für das Auftreten dieser Scherbänder kann aus Abb. 16 verstanden werden. Die Scherbande bildet sich zunächst als nahezu gerade Linie, wie in Abb. 16 (links) zu sehen ist. Wenn das Werkzeug voranschreitet, ist die Materialregion direkt vorne ein der Werkzeugspitze und unterhalb des Scherbandes müssen entfernt werden. Eine Möglichkeit hierfür besteht darin, das Scherband nach oben zu krümmen, während das Werkzeug Fortschritte macht, 7 so dass sich das zu entfernende Material nach links und nach oben bewegt. Dies würde jedoch eine starke plastische Verformung in der Zone S2 links vom Scherband erfordern, wo die Temperatur noch gering ist und die für die Verformung erforderliche Energie benötigt ist dementsprechend groß und auch eine Verformung im bereits gebildeten Segment S1. Wenn sich ein geteiltes Scherband stattdessen aus Region A bildet, kann diese Region durch Scheren entlang des Scherbandes bewegt werden, was viel einfacher ist. Dies verursacht alle Der bereits gebildete Chip (S1), um sich auch entlang der Scherzone zu bewegen, und wenn das Scherband gekrümmt ist, wird auch der Chip gebogen. Die Region A vor der Werkzeugspitze ändert somit ihre Rolle: Zunächst gehört sie zum neu forming Segment S2, aber sobald das zweite Scherband übernimmt, gehört sie kinetisch zu Segment S1, die sich bereits gebildet haben. Geometrische Einschränkungen erfordern in dieser Region immer noch eine geringe Verformung, aber das Material, das nur vom Scherband links ist muss leicht verformen, um die (kleine) Krümmung des Scherbandes aufzunehmen.

Die Bildung des geteilten Scherbandes ist natürlich kein rein geometrisches Phänomen: Eine kontinuierliche Verformung der Region A in der Figur kann ohne starke Lokalisierung einen ähnlichen Effekt verursachen. Ob Verformung in dieser Zone Konzentrate in einer zweiten Scherbande hängt von den Durchflusskurven und der Tendenz der Deformation zur Lokalisierung ab.

Ein Vergleich der simulierten und des Experiments erzeugte geteilte Scherbänder zeigt, dass sich ihre Form unterscheidet: Die experimentellen Scherbanden, die in entgegengesetzter Richtung von den simulierten geschworen wurden. Dieser Unterschied kann noch nicht sein erklärt, aber der Einfluss der Reibung, der Hitze aus dem Werkzeug und der verschiedenen Rechenwinkel kann dabei eine Rolle spielen.

Fig. 17 zeigt die berechnete Schneidkraft für die Simulation von Fig. 13. Wie erwartet ist starke Oszillationen von 7 Beachten, dass die Reibung in dieser Simulation vernachlässigt wird, so dass keine Scherbandkrümmung durch sie verursacht werden kann. Es ist wahrscheinlich, dass Die Einbeziehung von Reibung würde zumindest teilweise die geteilten Scherbänder durch die starke Verformung der Werkzeugseite des Chips zerstören.

Abb. 14. Detail der Bildung der zweiten Scherbande für dieselbe Simulation wie in Abb. 13. Die gezeigte äquivalente plastische Dehnung als Konturdiagramm. Die Skala wird so ausgewählt, dass die dunkelste Farbe alle Werte größer als 2 bezeichnet.

Die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern beträgt 50 ns. Die horizontale Linie ist die Hilfskontaktoberfläche, um das Eindringen des Chips in das ungeschnittene Werkstück zu vermeiden.

Die Kraft tritt auf, mit einem hohen Absolutwert der Kraft, wenn die Verformung nicht konzentriert ist, und ein niedrigerer Wert in Zeiten der Scherlokalisierung und Scherung des Chips entlang der Scherbänder. Die absoluten Werte der Kraft sind Nicht mit experimentellen Untersuchungen überein Meistens aufgrund der Unsicherheiten in den plastischen Flusskurven und auch auf die verschiedenen Rechenwinkel. Einerseits ist die Abnahme der Spannung bei Stämmen größer als 0,2 in den Kurven wahrscheinlich übertrieben; auf der anderen Seite, Die Spannungswerte in den extremen Verformungsraten sind viel höher als die bei der

Abb. 15. Auftreten von Split -Scherbanden in experimentell produzierten Chips: (links) Chip von Ti6al4V (Werkzeug auf der rechten Seite); (rechts) Chip von CK 45 (Werkzeug auf der linken Seite) mit einem schnellen Stop -Experiment bei IEP, Magdeburg. Diese Figur wurde von U. Schreppel und zur Verfügung gestellt P. Veit, IEP, Magdeburg.

Abb. 16. Zwei Stufen während der Bildung eines geteilten Scherbandes. Die Konfigurationen stammen aus dem in Abb. 14 gezeigten vierten und siebten Zustand. Segment S1 ist bereits im ersten Zustand gebildet, Segment S2 beginnt sich zu entwickeln. Die Vorrückung Das Werkzeug muss Region A entfernen A entfernen. Das geteilte Scherband vor A ermöglicht es, diese Region in die von B in der rechte Abbildung gekennzeichnete Position zu bewegen. Das bereits gebildete Segment S1 ist während dieses Prozesses nur geringfügig deformiert. Die Aufteilung der Die Scherbande ermöglicht somit die Entfernung von Material aus Region A ohne starke Verformung entweder innerhalb von S1 oder in S2

Parametrische Studien

Das Finite -Elemente -Modell ermöglicht es, den Einfluss verschiedener Material- und Prozessparameter auf die Chipbildung zu untersuchen. In diesem Abschnitt werden zwei Beispiele angezeigt.

In einem ersten Experiment wurden die elastischen Eigenschaften des Materials geändert. Es kann argumentiert werden, dass die Bildung von Scherbändern durch die Freisetzung elastischer Energie ausgelöst wird, die im deformierten Material gespeichert ist. Abb. 18 zeigt, dass tatsächlich die Die elastische Energiedichte nimmt bei der Bildung eines Chipsegments stark ab. Der absolute Wert dieser Energie ist jedoch im Vergleich zur plastischen Verformungsenergie gering. Um diesen Effekt weiter zu untersuchen, war Young's Modul des Materials zwischen57,5 und 575 MPa bei Raumtemperatur, so dass sich die gespeicherte elastische Energie entsprechend ändern würde. 8

Die resultierenden Verformungsmuster sind in diesen drei Fällen ähnlich, aber der Grad der Segmentierung ändert sich geringfügig, was einer Änderung der Seg -Mentationsfrequenz entspricht. Dies ist aus Abb. 19 zu sehen, wo die Schneidkraft ist für die drei verschiedenen Fälle gezeigt. Je niedriger der elastische Modul ist, desto höher ist der Grad der Segmentierungs- und Segmentierungszeit. Eine mögliche Erklärung ist, dass eine größere Menge gespeicherter elastischer Energie das Scheren oder das erleichtert Kunststoffschur wird bevorzugt, da die elastische Verformung des Region, das vom Scherband links links ist, energisch ungünstig ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass sich die Verformung stärker auf das steifere Material konzentriert und somit zunimmt Die Segmentierungsfrequenz. Eine detailliertere Untersuchung 8 Beachten Sie, dass die Menge der elastischen Energie durch die feste Streckgrenze des Materials begrenzt wird, so dass das Material mit dem niedrigeren elastischen Modul die höhere Dehnungsenergie aufweist, wenn das Material plastisch verformt.

Abb. 18. Elastische Energiedichte (in Einheiten MJ/mm3) zum zweiten und vierten Zeitschritt von Abb. 14. Die Skala wird so ausgewählt, dass die dunkelste Farbe alle Werte größer als 20 bezeichnet. Die Energiedichte nimmt während der stark ab Bildung des Scherbandes, was darauf hindeutet, dass die Freisetzung von elastischer Energie die Scherbandbildung beeinflussen kann.

Abb. 19. Schnittkraft für drei Simulationen mit unterschiedlichen elastischen Eigenschaften. Es ist ersichtlich, dass die Segmentierungsfrequenz mit zunehmendem Elastizitätsmodul verringert wird. Schnittparameter: Schneiden von 40 lm, Schnittgeschwindigkeit 50 m/s, Rechen Winkel 10 °.Der Einfluss des elastischen Moduls ist notwendig, um diese Frage gründlich zu verstehen.

Als zweite Variation wurde die Schnittgeschwindigkeit um den Faktor von 100–0,5 m/s reduziert. Bei dieser Geschwindigkeit ist die thermische Leitfähigkeit hoch genug, damit keine starke Temperaturkonzentration möglich ist. Aufgrund der maximalen Mutter im Plastikfluss Kurven, es sollte dennoch erwartet werden, dass die ChIP -Segmentierung auftritt, wie es auch experimentell ist. (Diese Tatsache war Teil des Grundes, Flusskurven mit einem klaren Maximum zu verwenden.) Dies ist in der Tat wahr, ist aber nur in der gesehen werden Simulation Wenn die Netzdichte weiter erhöht wird, wie in Abschnitt 4.2 erwähnt. Dies weist darauf hin, dass die Tendenz zur Bildung segmentierter Chips bei niedrigerer Schneidgeschwindigkeit kleiner ist.

Ausblick

Es wurde gezeigt, dass ein Finite -Elemente -Modell des Metallschneidvorgangs mit Standardsoftware (ABAQUS/Standard) unter Verwendung von Standard -Software (ABAQUS/Standard) gezeigt wird. Das Modell basiert auf den folgenden Techniken:

Verwendung von viereckigen Elementen;

häufiges Remeshing;

besondere Form des anfänglichen Netzes;

diskontinuierliche Wiederholung für segmentierte Chips;

Verwendung von zwei verschiedenen Trennungstechniken.

Das Modell wurde auf das orthogonale Schneiden einer Titanlegierung unter Verwendung von plastischen Durchflusskurven angewendet, die auf Experiment basieren, jedoch einige experimentelle Unsicherheiten besitzen.

Einige mit dem Modell erzeugte Ergebnisse wurden ebenfalls gezeigt. Es ist möglich, die Details des Chipbildungsprozesses zu analysieren. Die Scherbandbildung beginnt vor der Werkzeugspitze. Eine zweite Verformungsregion bildet sich auf dem Chip des Chips Rückseite und die beiden Regionen beitreten. Die DE -Bildungsregion verengt sich weiter, bis die Verformung in einem sehr kleinen Scherband konzentriert ist. Die Scherbande kann sich danach teilen, ein Phänomen, das auch in einigen Experimenten beobachtet wurde.

Eine mögliche Erklärung dafür wurde gegeben.

Darüber hinaus wurde der Einfluss des elastischen Moduls und der Schneidgeschwindigkeit untersucht. Der elastische Modul beeinflusst den Grad der Segmentierung der Chips. Mit Fließkurven, die eine starke maximale isothermische, segmentierte Chips zeigen Selbst bei geringen Schnittgeschwindigkeiten, wenn die Netzdichte ausreichend erhöht wird.

Die Übereinstimmung zwischen simulierten und experimieren erzeugten Chips war unter Berücksichtigung der Unsicherheiten der Eingabeparameter angemessen. Am wichtigsten ist, dass der Segmentierungsgrad in der Simulation kleiner ist als in der Experimente. Dies kann durch die verwendeten plastischen Flusskurven verursacht werden, die die Erzeugung von Scherbändern stark bevorzugen, so dass die Segmentierungsfrequenz erhöht und der Segmentierungsgrad entsprechend abnahm. Das könnte Geben Sie an, dass ein Materialversagen in die Simulation aufgenommen werden muss, dies ist jedoch noch nicht klar.

Aus Gründen der Einfachheit wurden in dieser Studie Reibung und Wärmeleitung in das Werkzeug vernachlässigt. Zukünftige Untersuchungen werden diese Prozesse umfassen und ermöglichen, ihre Auswirkungen auf den Chipbildungsprozess zu untersuchen.

Eine notwendige Verbesserung betrifft die Werkzeugform, insbesondere im Fall des reinen Verformungsmodells. Hier sind die passive Kraft und die Verformung der Werkstückoberfläche viel zu klein, da kein Material unter das Werkzeug gedrückt wird. Das Die Annahme eines unendlich scharfen Werkzeugs und der daraus resultierenden Materialseinsperrung in das Werkzeug (siehe Abb. 8) muss durch Hinzufügen eines endlichen Werkzeugradius verbessert werden.

Schließlich können parametrische Studien durchgeführt werden, um den Einfluss verschiedener Materialparameter auf den Chipbildungsprozess zu verstehen. Die interessantesten Variablen, die sich ändern können, sind die plastischen Flusskurven und die Wärme Eigenschaften der Titanlegierung. Die Ergebnisse dieser Studien können nicht nur helfen zu verstehen, was Titan schwierig macht, sondern auch auf mögliche Verbesserungen der Legierung hinzuweisen.