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Ein Finite-Elemente-Modell der Hochgeschwindigkeitszerspanung mit adiabatischer Scherung (3)

Anzahl Durchsuchen:21     Autor:Site Editor     veröffentlichen Zeit: 2018-11-12      Herkunft:Powered erkundigen

  Der Spanbildungsprozess

  Fig. 13 zeigt die Geschichte der Spanbildung für eine mit der Verformungstechnik erzeugte Simulation. Die Konturvariable ist die äquivalente plastische Dehnung, die bei maximal 3 abgeschnitten wird. (Ein Diagramm der Temperatur ist sehrähnlich, da die Wärmeleitfähigkeit gering ist.) Die Schneidbedingungen waren die gleichen wie in 12.

  Die Form des ersten Segments und des Scherbandes unterscheidet sich von der der folgenden. Es zeigt ein stark gespaltenes Scherband, wohingegen die letzteren Scherbänder werkzeugseitig nur leicht gespalten sind. Die Krümmung dieser erstenSegment ist viel stärker, so dass es das ungeschnittene Material berührt. Die letzteren Segmente sind sich sehr ähnlich, mit einem konstanten Abstand zwischen den Segmenten und einem ähnlichen Segmentierungsgrad. Der Unterschied zwischen dem ersten und demDie folgenden Segmente sind auf den geometrischen Unterschied zwischen dem anfangs nicht geschnittenen Material und dem Material mit einem Scherband zurückzuführen.

  Die Deformation der experimentell hergestellten Chips unterscheidet sich von der Simulation in zwei Aspekten: Der Segmentierungsgrad ist im Experiment stärker (dies ist zum Teil auf die Maschendichte, siehe oben) und den Abstand dazwischen zurückzuführenDie Scherbänder sind ebenfalls größer (vergleiche Fig. 9 zum Vergleich). Dies ist wahrscheinlich hauptsächlich auf den Unterschied des Spanwinkels zurückzuführen. Fehler im Kunststofffluss

ein Finite-Elemente-Modell (1)

  Abb. 13. Entwicklung eines segmentierten Chips. Dargestellt ist die äquivalente plastische Dehnung als Konturdiagramm. Die Skala wird so gewählt, dass die dunkelste Farbe alle Werte größer als 3 angibt. Schnittparameter: Schnitttiefe 40 lm, Schnittgeschwindigkeit50 ms, Spanwinkel 10 °.

kurven können auch eine rolle spielen, aber dies kann momentan nicht entschieden werden. Die Krümmung der Chips stimmt auch nicht genau überein, da die simulierten Chips stärker gekrümmt sind.

  Das Material zwischen den Scherbändern wird nur schwach verformt. Die Verformung ist auf der Werkzeugseite des Chips aus geometrischen Gründen stärker. Dies gilt sowohl für die Simulation als auch für das Experiment. Die kleine Verformung der Regionenzwischen den Scherbändern führt zu einem geringen Temperaturanstieg; in den SimulationenDie maximale Temperatur in den Scherbändern erreicht 800 ° C oder mehr, während die weniger deformierten Bereiche bei Temperaturen unter 150 ° C liegen. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Materials werden diese Unterschiede in der Simulation nicht ausgeglichenmal überlegt.

  Eine detaillierte Untersuchung der Bildung eines Scherbandes ist in Fig. 14 dargestellt. Daraus können mehrere Schritte des Scherbandbildungsprozesses unterschieden werden:

Leichte plastische Verformung des gesamten Bereichs vor der Werkzeugspitze, Biegung der Materialrückseite nach oben.

  Vor der Werkzeugspitze bildet sich eine Verformungszone.

  Ein kleiner Bereich auf der Werkstückrückseite beginnt sich plastisch zu verformen.

  Die zwei Deformationszonen verbinden sich und die plastische Deformation lokalisiert sich.

  Das Segment schneidet stark entlang des Scherbandes.

  Es kann sich eine zweite Scherzone bilden, die zu einem gespaltenen Scherband führt, das nach unten gekrümmt ist.

  Aus der Simulation ist ersichtlich, dass sich das Scherband nicht einfach vor der Werkzeugspitze bildet und sich dann über den gesamten Chip erstreckt. Stattdessen bildet sich ein zweiter Verformungsbereich zuerst auf der Rückseite der Chips ausDanach schließen sich die beiden Regionen an. 6 Wenn durch das Scheren an der Oberfläche Risse entstehen, könnte dies in sehr frühen Stadien des Chipsegments zu Rissbildung führen. Dies kann jedoch aus der vorliegenden Simulation nicht geschlossen werden.

  Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Bildung von Spaltscherbändern. Das Scherband biegt sich beim Vorschieben der Werkzeugspitze nach oben, und es bildet sich eine neue Verformungszone vor der Werkzeugspitze, die zu einem zweiten Scherband führt, das sich mit dem Werkzeug verbindetzuerst. Sobald sich das zweite Scherband gebildet hat, konzentriert sich die Verformung in diesem Bereich und die obere Hälfte des Scherbandes verformt sich nicht mehr. Dies ist aus der Verformungsrate ersichtlich, die in der oberen Hälfte klein wirddes Scherbandes und groß im unteren Teil, sobald die Spaltung erfolgt.

  Dieses gespaltene Scherband scheint kein Simulationsartefakt zu sein, obwohl seine detaillierte Form vom Trennmechanismus beeinflusst wird (siehe Abb. 12). Ähnliche Scherbänder wurden in einer anderen Simulation beobachtet (siehe [19], Abb. 9).und sie wurden auch experimentell gefunden (siehe 15).

  Ein möglicher Grund für das Auftreten dieser Scherbänder ist aus 16 zu verstehen. Das Scherband bildet sich anfänglich als eine fast gerade Linie, wie in 16 (links) zu sehen ist. Mit fortschreitendem Werkzeug liegt der Materialbereich A direkt vorder Werkzeugspitze und unterhalb des Scherbandes muss entfernt werden. Eine Möglichkeit hierfür besteht darin, das Scherband während des Vorschubs des Werkzeugs stark nach oben zu krümmen, 7so dass sich das zu entfernende Material nach links und aufwärts bewegt. Dies würde jedoch eine starke plastische Verformung in der Zone S2 links vom Scherband erfordern, wo die Temperatur noch gering ist und die zur Verformung erforderliche Energie erforderlich istist dementsprechend groß und auch eine gewisse Verformung in dem bereits ausgebildeten Segment S1. Wenn sich ein geteiltes Scherband statt links vom Bereich A bildet, kann dieser Bereich durch Scheren entlang des Scherbandes bewegt werden, was wesentlich einfacher ist. Das verursacht allesder bereits gebildete Chip (S1) bewegt sich ebenfalls entlang der Scherzone, und wenn das Scherband gekrümmt ist, wird auch der Chip gekrümmt. Der Bereich A vor der Werkzeugspitze wechselt somit seine Rolle: Zunächst gehört er zur UmformungSegment S2, aber sobald das zweite Scherband übernimmt, gehört es kinetisch zu dem bereits gebildeten Segment S1. Geometrische Beschränkungen erfordern in diesem Bereich immer noch eine kleine Verformung, das Material verbleibt jedoch nur im Scherbandmuss sich geringfügig verformen, um die (geringe) Krümmung des Scherbandes aufzunehmen.

  Die Bildung des Spaltscherbandes ist natürlich kein rein geometrisches Phänomen: Eine kontinuierliche Verformung des Bereichs A in der Figur könnte einen ähnlichen Effekt ohne starke Lokalisierung bewirken. Ob Verformung in dieser ZoneKonzentrate in einem zweiten Scherband hängen von den Fließkurven und der Tendenz der Deformation ab, sich zu lokalisieren.

  Ein Vergleich der simulierten und der experimentell erzeugten Spaltscherbänder zeigt, dass sich ihre Form unterscheidet: Die experimentellen Scherbänder sind entgegengesetzt zu den simulierten gekrümmt. Dieser Unterschied kann noch nicht seinerklärt, aber der Einfluss der Reibung, der Wärme des Werkzeugs und der unterschiedlichen Spanwinkel kann dabei eine Rolle spielen.

  Fig. 17 zeigt die berechnete Schnittkraft für die Simulation von Fig. 13. Wie erwartet, starke Schwingungen von 7 Beachten Sie, dass Reibung in dieser Simulation vernachlässigt wird, so dass keine Scherbandkrümmung dadurch verursacht werden kann. Das ist wahrscheinlichDie Einbeziehung von Reibung würde die gespaltenen Scherbänder durch die starke Verformung der Werkzeugseite des Chips zumindest teilweise zerstören.

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  Fig. 14. Detail der Bildung des zweiten Scherbandes für dieselbe Simulation wie in Fig. 13. Gezeigt ist die äquivalente plastische Dehnung als Konturdiagramm. Die Skala wird so gewählt, dass die dunkelste Farbe alle Werte größer als 2 angibt.

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

  Die Kraft tritt mit einem hohen absoluten Wert der Kraft auf, wenn die Verformung nicht konzentriert ist, und einem niedrigeren Wert während der Scherlokalisierung und der Scherung des Chips entlang der Scherbänder. Die absoluten Werte der Kraft sindnicht im Einklang mit experimentellen Untersuchungen, aber um einen Faktor von etwa 2 zu niedrig. Dies isthauptsächlich aufgrund der Unsicherheiten in den plastischen Fließkurven und auch aufgrund der unterschiedlichen Spanwinkel. Zum einen ist die Abnahme der Spannung bei Dehnungen größer als 0,2 in den Kurven wahrscheinlich übertrieben; auf der anderen Seite,Die Belastungswerte bei den extremen Verformungsraten werden viel höher sein als bei den

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  Bild 15. Vorkommen von Split-Scherbändern in experimentell hergestellten Chips: (linker) Chip von Ti6Al4V (Werkzeug auf der rechten Seite); (rechts) Chip von Ck 45 (Werkzeug auf der linken Seite) erstellt mit einem Schnellstoppexperiment am IEP, Magdeburg. Diese Figurwurde von U. Schreppel zur Verfügung gestelltP. Veit, IEP, Magdeburg.

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  Abb. 16. Zwei Stufen während der Bildung eines Split-Scherbandes. Die Konfigurationen stammen aus dem vierten und siebten Zustand, der in Fig. 14 gezeigt ist. Das Segment S1 ist bereits im ersten Zustand ausgebildet, das Segment S2 beginnt sich zu entwickeln. Das VorrückenDas Werkzeug muss den Bereich A entfernen. Das geteilte Scherband vor A ermöglicht das Bewegen dieses Bereichs an die Position, die in der rechten Abbildung mit B markiert ist. Das bereits ausgebildete Segment S1 wird dabei nur geringfügig verformt. Die Spaltung derDas Scherband erlaubt somit die Aufnahme des Materials aus dem Bereich A ohne starke Verformung entweder innerhalb von S1 oder in S2

  Parametrische Studien

  Das Finite-Elemente-Modell erlaubt die Untersuchung des Einflusses verschiedener Material- und Prozessparameter auf die Spanbildung. In diesem Abschnitt werden zwei Beispiele gezeigt.

  In einem ersten Versuch wurden die elastischen Eigenschaften des Materials verändert. Man kann argumentieren, dass die Bildung von Scherbändern durch die Freisetzung von elastischer Energie ausgelöst wird, die in dem verformten Material gespeichert ist. 18 zeigt, dass in der Tat dieDie elastische Energiedichte nimmt stark ab, wenn ein Chipsegment gebildet wird. Der absolute Wert dieser Energie ist jedoch klein im Vergleich zur plastischen Verformungsenergie. Um diesen Effekt weiter zu untersuchen, wurde der Young-Modul des Materialsvariiert zwischen57,5 und 575 MPa bei Raumtemperatur, so dass sich die gespeicherte elastische Energie entsprechend ändern würde. 8

  Die resultierenden Verformungsmuster sind für diese drei Fälle ähnlich, aber der Segmentierungsgrad ändert sich geringfügig, was einer Änderung der Segmentierungsfrequenz entspricht. Dies ist aus Fig. 19 ersichtlich, wo die Schneidkraft liegtfür die drei verschiedenen Fälle angezeigt. Je niedriger der Elastizitätsmodul ist, desto höher ist der Grad der Segmentierung und Segmentierungszeit. Eine mögliche Erklärung ist, dass eine größere Menge an gespeicherter elastischer Energie das Abscheren erleichtertEin plastisches Scheren ist bevorzugt, da die elastische Verformung des linken Bereichs des Scherbandes energetisch ungünstig ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass sich die Verformung im steiferen Material stärker konzentriert und somit zunimmtdie Segmentierungsfrequenz. Eine detailliertere Untersuchung8 Beachten Sie, dass der Betrag der elastischen Energie durch die feste Streckgrenze des Materials begrenzt ist, so dass das Material mit dem niedrigeren Elastizitätsmodul die höhere Dehnungsenergie aufweist, wenn sich das Material plastisch verformt.

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  Abb. 18. Elastische Energiedichte (in Einheiten mJ / mm3) im zweiten und vierten Zeitschritt aus Abb. 14. Die Skala wird so gewählt, dass die dunkelste Farbe alle Werte größer als 20 bezeichnetBildung des Scherbandes, was darauf hindeutet, dass die Freisetzung 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: Schnitttiefe 40 lm, Schnittgeschwindigkeit 50 m / sRechenWinkel 10 °.Der Einfluss des Elastizitätsmoduls ist notwendig, um diese Frage gründlich zu verstehen.

  Als zweite Variante wurde die Schnittgeschwindigkeit um einen Faktor von 100 bis 0,5 m / s reduziert. Bei dieser Geschwindigkeit ist die Wärmeleitfähigkeit hoch genug, so dass keine starke Temperaturkonzentration möglich ist. Aufgrund des Maximums im KunststoffflussBei Kurvenverläufen ist jedoch zu erwarten, dass die Chip-Segmentierung ebenso auftritt wie experimentell. (Diese Tatsache war ein Teil des Grunds, Fließkurven mit einem klaren Maximum zu verwenden.) Dies stimmt zwar, ist aber nur imSimulation, wenn die Maschendichte weiter erhöht wird, wie in Abschnitt 4.2 erwähnt. Dies zeigt an, dass die Tendenz zur Bildung segmentierter Späne bei der niedrigeren Schneidgeschwindigkeit geringer ist.

  Ausblick

  Ein Finite-Elemente-Modell des Zerspanungsprozesses unter Verwendung von Standardsoftware (ABAQUS / Standard) wurde gezeigt. Das Modell basiert auf den folgenden Techniken:

Verwendung vierseitiger Elemente;

häufiges erneutes Vernetzen;

spezielle Form des Ausgangsnetzes;

Diskontinuierliches Remeshing für segmentierte Chips;

Verwendung von zwei verschiedenen Trenntechniken.

  Das Modell wurde auf das orthogonale Schneiden einer Titanlegierung angewendet, wobei plastische Fließkurven verwendet wurden, die auf Experimenten beruhten, jedoch experimentelle Unsicherheit aufwiesen.

  Einige mit dem Modell erzeugte Ergebnisse wurden ebenfalls gezeigt. Es ist möglich, die Details des Chipbildungsprozesses zu analysieren. Die Scherbandbildung beginnt vor der Werkzeugspitze. Ein zweiter Verformungsbereich bildet sich auf dem ChipRückseite, und die beiden Regionen schließen sich an. Der Deformationsbereich verengt sich weiter, bis die Deformation in einem sehr kleinen Scherband konzentriert ist. Die Scherbande kann sich danach spalten, ein Phänomen, das auch in einigen Experimenten beobachtet wurde.

  Eine mögliche Erklärung dafür wurde gegeben.

  Außerdem wurde der Einfluss des Elastizitätsmoduls und der Schnittgeschwindigkeit untersucht. Der Elastizitätsmodul beeinflusst den Segmentierungsgrad der Chips. Bei Fließkurven, die ein starkes isothermes Maximum zeigen, bilden sich segmentierte Späneauch bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten, wenn die Maschendichte ausreichend erhöht wird.

  Die Übereinstimmung zwischen simulierten und experimentell produzierten Chips war angesichts der Unsicherheiten der Eingangsparameter angemessen. Am wichtigsten ist, dass der Segmentierungsgrad in der Simulation geringer ist als in derExperimente. Dies kann durch die verwendeten plastischen Fließkurven verursacht werden, die die Erzeugung von Scherbändern stark begünstigen, so dass die Häufigkeit der Segmentierung erhöht wird und der Segmentierungsgrad entsprechend abnimmt. Das könntezeigen an, dass ein Materialfehler in die Simulation einbezogen werden muss, dies ist jedoch noch nicht klar.

  Aus Gründen der Einfachheit wurden Reibung und Wärmeleitung in das Werkzeug in dieser Studie vernachlässigt. Zukünftige Untersuchungen werden diese Prozesse einbeziehen und deren Auswirkungen auf den Chipbildungsprozess untersuchen.

  Eine notwendige Verbesserung betrifft die Werkzeugform, insbesondere beim reinen Deformationsmodell. Hier sind die Passivkraft und die Verformung der Werkstückoberfläche viel zu klein, da kein Material unter das Werkzeug geschoben wird. DasDie Annahme eines unendlich scharfen Werkzeugs und das daraus resultierende Eindringen von Material in das Werkzeug (siehe Abb. 8) müssen durch Hinzufügen eines endlichen Werkzeugradius verbessert werden.

  Schließlich können parametrische Untersuchungen durchgeführt werden, um den Einfluss verschiedener Materialparameter auf den Spanbildungsprozess zu verstehen. Die interessantesten Variablen, die geändert werden können, sind die plastischen Fließkurven und die thermischeEigenschaften der Titanlegierung. Die Ergebnisse dieser Studien können nicht nur helfen zu verstehen, warum Titan schwer zu schneiden ist, sondern auch auf mögliche Verbesserungen der Legierung hinweisen.

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