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Ein Finite-Elemente-Modell der Hochgeschwindigkeitszerspanung mit adiabatischer Scherung (2)

Anzahl Durchsuchen:28     Autor:Site Editor     veröffentlichen Zeit: 2018-11-05      Herkunft:Powered erkundigen

  Knotentrennungstechnik

  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 sicherzustellen. Dies kann durch den Vergleich von plastischen Dehnungen in der Simulation mit experimentell gemessenen plastischen Dehnungen erreicht werden. Dazu wird ein gespaltener Prüfling verwendet,wo ein Gitter in die Innenflächen eingekerbt ist. Die Verformung dieses Gitters kann dann auf optische Weise gemessen und mit den Simulationswerten verglichen werden.

  In der Simulation müssen die Knoten entlang der Trennlinie zunächst identische Freiheitsgrade haben. Wenn ein kritischer Abstand zur Werkzeugspitze erreicht ist, werden die Knoten getrennt. In [13] wurde diese Methode gezeigtist nicht sehr empfindlich gegenüber Details des Trennungsprozesses. Ein physikalisch basiertes Kriterium wäre vorzuziehen, aber ein solches Kriterium ist bei den hier untersuchten hohen Schnittgeschwindigkeiten nicht verfügbar. Dazu kommt die Materialtrennung am meistenwahrscheinlich direkt vor der Werkzeugspitze (obwohl dies schwer zu beweisen ist), so dass jedes physikalische Kriterium im Wesentlichen diese Tatsache widerspiegeln würde und auch zu einer Materialtrennung nahe der Werkzeugspitze führen würde.

  Durch den Werkzeugvorschub kann das Material vor der Werkzeugspitze gestaut werden, so dass ein zu trennender Knoten oberhalb der Werkzeugspitze liegt. In diesem Fall würde dieser Knoten nach dem Trennen die Spanfläche des Werkzeugs berührenvon den Knoten würden sich beide in der Spanflussrichtung nach oben bewegen, anstatt einen Knoten unter der Flankenfläche zu bewegen, wie es für eine korrekte Materialtrennung erforderlich ist. Ein ähnliches Problem kann bei einem Knoten des Chips nach der Trennung auftreten: ifDieser Knoten befindet sich sehr nahe an der Werkzeugspitze, die auf diesen Knoten entstehende Kraft ist nach unten gerichtet, so dass sich der Knoten nicht in der Spanflussrichtung bewegt (siehe 7 (a)). In diesem Fall wird das Netz örtlich stark verformtDie Konvergenz der Iteration ist schwierig.

  Dieses Problem kann verringert werden, wenn zwei Hilfskontaktflächen eingeführt werden, wie in Fig. 7 (b) gezeigt. Diese Flächen transportieren die Knoten auf das Werkzeug. Da sie nur eine sehr kleine Region betreffen (normalerweise hat nur ein Knoten Kontakt mit)diese Flächen) ist der von ihnen eingeführte Fehler mit dem Diskretisierungsfehler insgesamt vergleichbar. Nur bei der Berechnung der Gesamtschneidkraft sind sie zu berücksichtigen, da sie natürlich einen Teil der Gesamtwerkzeuglast tragen.

Die Knotentrennungstechnik in der hier beschriebenen Form führt zwei Fehler ein: Die Materialtrennlinie ist vorgeschrieben und die Hilfsflächen bewirken eine zusätzliche Kraft, die den Span von dem Werkstück trennt. Um zu überprüfenDurch den Einfluss dieser Fehler wurde eine zweite Technik implementiert.

Reine Verformungstechnik

  Es ist auch möglich, den Zerspanungsprozess ohne Knotentrennung zu simulieren. Stattdessen kann es als Deformationsprozess betrachtet werden [21]. Beim Fortschreiten des Werkzeugs bewegen sich alle Knoten auf der Werkzeugoberfläche, und die Elemente können sich stark verformen(siehe 8). Das Material, das sich mit dem Werkzeug überlappt, kann während eines Remeshing-Schrittes entfernt werden. Ein häufiges Neu-Vernetzen ist notwendig, damit die Menge des entfernten Materials gering bleibt. Der gezeigte Fall verwendet ein unendlich scharfes WerkzeugIm schlimmsten Fall führt ein Werkzeug mit abgerundeter Kante dazu, dass weniger Material in das Werkzeug eindringt. Für die hier beschriebene Simulation wurde nach einer Werkzeugdurchdringung von 2: 5 Lm erneut vernetzt. Das entfernte Material entspricht einem kleinenStreifen von ca. 1 lm Dicke vor der Werkzeugspitze.

  Dieser einfache Ansatz hat den Vorteil, dass er leichter konvergiert, da keine Diskontinuitäten auftreten (wie es bei einem Knotenpaar der Fall ist). Der zweite Vorteil ist, dass keine Materialtrennlinie vorgeschrieben ist. stattdessen ist eses ist möglich, dass Material, das unterhalb einer horizontalen Linie durch die Werkzeugspitze liegt, verformt wird und in den Spanbereich bewegt wird. Nach einem erneuten Vernetzen bleibt es dann in dieser Region. Somit eines der Hauptprobleme bei der KnotentrennungTechnik wird gemildert.

ein finites Element (1)

Fig. 7.

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

  (b) Hilfskontaktflächen führen die Knoten in dierichtige richtung. Die Fläche 1 wirkt auf die Knoten im Chip, die Fläche 2 auf die im Werkstück.

ein finites Element (2)

  Fig. 8. Materialtrennung ohne Knotentrennung: (a) vor dem erneuten Vernetzen; (b) nach dem erneuten Vernetzen. Bei dieser Technik bewegen sich Knoten auf der Oberfläche ohne Trennung auf der Oberfläche. Bei jedem erneuten Vernetzen wird Material entfernt. Wenn wieder vernetzt wirdhäufig gemacht und die Maschendichte hoch ist, kann der durch diese Entfernung eingeführte Fehler sehr klein gehalten werden.

  Da die Elemente nur entfernt werden, wenn ein erneutes Vernetzen durchgeführt wird, können sie eine Last zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück tragen, die unphysikalisch ist. Im Gegensatz zu der künstlichen Last in der Knotentrennungs-Methode versucht diese Last, Chip und Chip zu haltenWerkstück zusammen und hat somit ein gegenüberliegendes Vorzeichen.

  Die Verwendung zweier gegenläufiger Kriterien erlaubt es somit, den Einfluss des Trennungskriteriums zu untersuchen. Wenn die Ergebnisse für eine mit beiden Methoden durchgeführte Simulation übereinstimmen, muss der Einfluss der künstlichen Kraft auf das Ergebnis seinunerheblich. Diese Ergebnisse werden in Abschnitt 4.2 gezeigt.

3.8. Konvergenz erreichen

  Für einen impliziten Algorithmus ist es wichtig, die Konvergenz mit angemessenen Zeitinkrementen sicherzustellen. In diesem Abschnitt werden einige weitere Techniken beschrieben, die zur Erreichung der Konvergenz beitragen.

  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 eignet sich nicht für das spanabhebende VerfahrenDie durchschnittliche Kraft im Modell ist klein verglichen mit den maximalen Kräften, die in der Scherzone auftreten.

  Dieses Standard-Konvergenzkriterium ist daher viel zu streng. Die Konvergenzkontrollen müssen entsprechend angepasst werden, und es muss ein Vergleich mit einem typischen Wert der Kraft innerhalb der Scherzone vorgenommen werden. Gleiches gilt für dieBerechnung von Temperaturen und Wärmeströmen.

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

  Nach dem erneuten Vernetzen kann das Kraftgleichgewicht aufgrund der Interpolation der Verformung und der Materialzustandsgrößen möglicherweise nicht erfüllt werden. Dies kann zu anfänglichen Verformungen führen und somit zu Konvergenzproblemen führen, die denSimulationsneustart Um dies zu vermeiden, wurde erstmals eine künstliche Dämpfung eingeführt5 × 10-11 s einer Simulation, so dass diese Verformung giltklein gehalten Diese Dämpfung fügt eine Kraft hinzu, die proportional zu der Knotengeschwindigkeit an jedem Knoten ist, und reduziert somit starke anfängliche Verformungen. 3 Es wurde sichergestellt, dass die Menge der künstlichen Dämpfungsenergie weniger als 0,1% der Gesamtmenge beträgtarbeiten, so dass es einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Gesamtergebnis hat.

  Chipbildung von Ti6Al4V

  Prozessparameter und Materialeigenschaften

  Fig. 9 zeigt einen segmentierten Span, der mit einer Schnittgeschwindigkeit von 40 m / s, einer Schnitttiefe von 42 µm und einem Span erzeugt wurdeWinkel von 0 ° bei unterbrochenem, orthogonalem SchneidenBedingungen wie in [10] beschrieben. Die Spanform hängt nicht stark von den Schnittparametern ab. Im Unterschied zum Experiment betrug der Spanwinkel, der in der Simulation verwendet wurde, normalerweise 10 °, da leicht positive Spanwinkel vorliegenein besseres Konvergenzverhalten. Da hier keine quantitative Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment angestrebt wurde (wegen Unsicherheiten in den plastischen Fließkurven, siehe unten), ist dieser Unterschied nicht wesentlich.

  Ein wichtiger Parameter für die Simulation ist der Reibungskoeffizient zwischen Werkzeug und Werkstück. Die Experimente lassen den Schluss zu, dass dieser Wert eher gering ist [11]. Da ist nicht klar, ob Reibung eine spieltEine wichtige Rolle für die Bildung von Scherbändern war, dass in der Simulation keine Reibung auftritt. Der Wärmefluss in das Werkzeug wurde ebenfalls vernachlässigt. Diese Vereinfachung wird den Chipbildungsprozess nicht als thermisch stark beeinflussenLeitfähigkeit von Die Titanlegierung ist niedrig, so dass Wärme von der Werkzeugoberfläche nicht weit in den Chip eindringt. Durch das Hinzufügen von Reibung und Wärmefluss in späteren Simulationen kann der Einfluss von untersucht werden

ein finites Element (3)

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

diese Effekte separat. Dies ist wichtig für ein umfassendes Verständnis des Einflusses der verschiedenen Phänomene auf den Spanbildungsprozess.

  Die thermischen Eigenschaften der verwendeten Titanlegierung wurden vom Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe in einem Temperaturbereich zwischen den Räumen gemessenTemperatur und 1200 ° C mit einem Laserblitzgerät undein Differentialscanningkalorimeter. Die Wärmeleitfähigkeit variiert zwischen einem Wert von 6,8 W / m K bei Raumtemperatur und 24,4 W / m K bei 1185 ° CWärme beträgt 502 J / kg K bei Raumtemperatur und 953 J / kg K bei 890 ° C, und der Wärmeausdehnungskoeffizient ist bei einem Wert von 10-5 K-1 nahezu konstant.

Fig. 10 zeigt die verwendeten plastischen FließkurvenSimulation. Werte zwischen den angegebenen Werten sind linear in terpoliert. Die Werte für Dehnungen bis ~ 0,25 werden durch plastische Verformungsmessungen mit hoher Geschwindigkeit ermittelt[14] bei Verformungsraten von 3000 s-1; Für Dehnungen oberhalb dieses Wertes wurde angenommen, dass das Material weicher wird, wie bei Ti6Al4V bei niedrigeren Dehnungsraten beobachtet [8].

ein finites Element (4)

  Diese Abb. 10. Für die Simulation verwendete plastische Fließkurven. Für Dehnungswerte über 0,25 wurde eine isotherme Erweichung angenommen.

  Die Erweichung ist in den Versuchen schwer zu bestimmen, da sich Scherbänder in den Prüfkörpern bilden und Messungen der Gesamtverformung der Probekörper nicht gut mit dem tatsächlichen Materialverhalten korrelieren. Die ziemlich starkDie hier angenommene Erweichung ist wahrscheinlich unrealistisch, erleichtert jedoch die Bildung adiabatischer Scherbänder und ermöglicht so eine leichtere Untersuchung des Segmentierungsprozesses.

  Bei dem hier beschriebenen Materialgesetz wird der kata strophische Scherbruch des Materials in der Scherzone einfach durch das Übermaß einer kritischen Spannung verursacht. Die Breite des Scherbandes wird dann durch die Elementgröße bestimmt, die hatausgewählt worden, um eine Scherbandbreite zu erzeugen, die mit der in den Experimenten gesehenen vergleichbar ist. Ein realistischeres Materialgesetz würde keine starke Dehnung der Dehnung verwenden und würde stattdessen auf thermische Erweichung angewiesen sein, um die Scherbänder zu bilden. In Ergänzung,Die renditeabhängige Rendite sollte ebenfalls berücksichtigt werden. Bei einem solchen Materialgesetz würde die Breite des Scherbandes durch Wärmeleitung bestimmt und wäre unabhängig von der Maschendichte. Da interessieren uns meistens dieVerformung der Segmente, hier wurde der einfachere Ansatz verwendet, um Computerzeit zu sparen. In Zukunft werden Simulationen mit einem realistischeren Gesetz durchgeführt [6].

  Der Anteil der in Wärme umgewandelten plastischen Verformungsenergie (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, wenn sie mit der Anzahl der Segmente zunimmt. Für die im nächsten Abschnitt gezeigte Simulation wurden zu Beginn der Simulation ungefähr 5000 Elemente und 7.000 Knoten verwendet, und 10.000Elemente und 12 000 Knoten am Ende, an denen mehrere Segmente miteinander vernetzt werden müssen. Die Elementkantenlänge betrug in der Scherzone etwa 0: 7 lm. Die für diese Simulation benötigte Computerzeit betrug auf einer HP C360-Workstation fünf Tage.

  Einige Vernetzungsbeispiele sind in Abb. 11 zu sehen. 4

  Die in Abschnitt 4.4 beschriebene Low-Speed-Simulation wurde mit einer noch feineren Maschendichte mit Kantenlängen von etwa 0: 3 μm in der Richtung senkrecht zum Scherband durchgeführt. Die Anzahl der Elemente war entsprechend um bis zu17 000 Elemente verwendet.

  Die starke Krümmung des Chips führt zu einem Eindringen des Chips in das Material. Um dies zu vermeiden, wurde eine Hilfskontaktfläche eingeführt, die den Chip vom ungeschnittenen Material trennt. Diese Kontaktfläche kann seinals horizontale Linie in Fig. 11 gesehen.

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Fig. 11.

  Verwendete Finite-Elemente-Netze in verschiedenen Phasen des Schneidprozesses mit segmentierter Spanbildung. Beachten Sie die starke Verfeinerung in der Scherzone und die Vergröberung der Maschen der ersten Segmente. Ein Hilfsmittel, das horizontal ausgerichtet istKontaktfläche über dem ungeschnittenen Material wird als Linie angezeigt.

  Bevor die Ergebnisse der Simulation interpretiert werden, muss der Einfluss der Trenntechnik untersucht werden. Fig. 12 zeigt Chips, die mit der Knotentrennung und der reinen Verformungstechnik in nahezu identischen Zeitschritten hergestellt wurden. 5Die Schnittbedingungen für beide Simulationen.

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

  5 Aufgrund der automatischen Berechnung der Zeitinkremente war es nicht möglich, beide Bilder exakt zum selben Zeitpunkt zu machen.

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  Fig. 12. Äquivalente plastische Stämme in zwei Simulationen, die mit den zwei verschiedenen Separationstechniken durchgeführt wurden: (a) Knotentrennungsverfahren; (b) reines Verformungsverfahren. Die Maschendichte in der letzteren Simulation war imScherzone, so dass die Scherbänder schmaler sind. Die Übereinstimmung zwischen den Verformungsmustern ist immer noch recht gut. Schnittparameter: Schnitttiefe 40 lmSchnittgeschwindigkeit 50 ms, Spanwinkel 10 °.waren wie folgt: Schnitttiefe 40 lm, Schnittgeschwindigkeit 50 m / s, Spanwinkel 10 °.

  Es ist ersichtlich, dass die Gesamtverformung der Späne sehr ähnlich ist. Sogar Details der Verformungsmuster, wie der Segmentierungsgrad (Verhältnis von minimaler zu maximaler Spanhöhe) und das Auftreten von "Split" -ScherbändernIn der Nähe der Werkzeugspitze stimmen Sie in beiden Simulationen recht gut überein, obwohl geringfügige Unterschiede auftreten. Die Scherbänder sind in der Simulation unter Verwendung der Verformungstechnik schmaler, was auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass die Maschendichte waretwas höher dort.

  Die Schnittkraft schwankt in beiden Simulationen für die Knotentrennungstechnik zwischen etwa -20 und-42 N, für die Verformungstechnik sind die Kräfteetwas größer und liegen zwischen -23 und -45 N. Der Grund liegt in der Beanspruchung von leicht durchdringendem Materialin das Werkzeug. Es ist zu erwarten, dass die Vereinbarung noch besser wäre, wenn das Werkzeug nicht unendlich scharf ist. Die Frequenz der Schwingungen (und damit der Scherbandbildung) ist in beiden Fällen gleich.

  Die Ergebnisse dieses Vergleichs zeigen, dass die Verformungsmuster ziemlich gut übereinstimmen. Die Kräfte ändern sich um etwa 10% zwischen den beiden Techniken, sind aber für die unten dargestellten Untersuchungen nicht zu relevant. Trotzdem einFür das reine Verformungsmodell sollte eine verbesserte Werkzeugform gewählt werden, wenn die Schnittkraft detailliert untersucht werden soll.

  Ein weiterer wichtiger zu untersuchender Aspekt ist die Maschendichte. Eine weitere Verfeinerung des Netzes führt in der Simulation zu schmaleren Scherbändern, jedoch nur zu geringen Unterschieden bei den Schnittkräften und den resultierenden Verformungsmustern (dem Grad vond.h. das Verhältnis von maximaler und minimaler Segmenthöhe nimmt geringfügig zu und die Scherbandbreite nimmt ab). Daraus konnte geschlossen werden, dass das verwendete Netz nicht fein genug ist. Da jedoch keine Rate abhängig istHärten und da die isothermen Strömungskurven ein Maximum zeigen, gibt es keinen Mechanismus, um die Verengung des Scherbandes zu beschränken. Unter den verwendeten Bedingungen kann erwartet werden, dass das Scherband singulär wird. Daher würde jedes Mesh verwendetleiden an diesem Problem, das auf die zu vereinfachten Annahmen über das plastische Verhalten des Materials zurückzuführen ist. Die Maschendichte für die unten gezeigten Simulationen wurde so gewählt, dass die Breite des Scherbandes übereinstimmtexperimentell beobachtete Werte.

Bemerkungen

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