Model elementu skończonego cięcia metali o dużej prędkości z adiabatycznym ścinaniem （3）

Proces tworzenia chipów

Ryc. 13 pokazuje historię tworzenia chipów dla symulacji wytwarzanej za pomocą techniki deformacji. Zmienna konturowa to równoważne odkształcenie plastyczne, odcięte na maksimum 3. (wykres temperatury Podobnie, ponieważ przewodność cieplna jest niewielka.) Warunki cięcia były takie same jak na ryc. 12.

Kształt pierwszego segmentu i pasma ścinania różni się od kształtów następujących. Pokazuje silnie podzielony pasek ścinania, podczas gdy te ostatnie pasma ścinające są dzielone tylko po stronie narzędzia. Krzywizna tego pierwszego Segment jest znacznie silniejszy, dzięki czemu kontaktuje się z nieoszlifowanym materiałem. Te ostatnie segmenty są bardzo podobne do siebie, ze stałą odległością między segmentami i podobnym stopniem segmentacji. Różnica między pierwszym a Poniższe segmenty wynikają z różnicy geometrii między początkowo nieoszlifowanym materiałem a materiałem z pasmem ścinającym.

Deformacja eksperymentalnie wytwarzanych układów różni się od symulacji w dwóch aspektach: stopień segmentacji jest silniejszy w eksperymencie (jest to częściowo spowodowane gęstością siatki, patrz wyżej) i odległość między pomiędzy Pasma ścinania są również większe (porównanie patrz ryc. 9). Jest to prawdopodobne, głównie ze względu na różnicę kąta zgarniania. Błędy w plastikowym przepływie

Ryc. 13. Opracowanie segmentowego układu. Pokazano równoważne odkształcenie plastyczne jako wykres konturu. Skala jest wybierana w taki sposób, że najciemniejszy kolor oznacza wszystkie wartości większe niż 3. Parametry cięcia: głębokość cięcia 40 lm, prędkość cięcia 50 ms, kąt zgrabia 10 °. Krzywe mogą również odgrywać pewną rolę, ale w tej chwili nie można tego zdecydować. Krzywia układów również nie jest w ścisłej zgodności, ponieważ symulowane układy są silniej zakrzywione.

Materiał między pasmami ścinania jest tylko słabo zdeformowany. Deformacja jest silniejsza po stronie narzędzia układu z przyczyn geometrycznych. Dotyczy to zarówno symulacji, jak i eksperymentu. Małe odkształcenie regionów Pomiędzy pasmami ścinania prowadzi do niewielkiego wzrostu temperatury; W symulacjach, Maksymalna temperatura w pasmach ścinania osiąga 800 ° C lub więcej, podczas gdy mniej zdeformowane regiony znajdują się w temperaturach poniżej 150 ° C. Ze względu na niską przewodność materiału, różnice te nie są nawet w symulacji rozważane czasy.

Szczegółowe badanie tworzenia jednego pasma ścinającego pokazano na ryc. 14. Na podstawie tego można wyróżnić kilka etapów procesu tworzenia pasma ścinania:

Lekkie odkształcenie z tworzywa sztucznego całego regionu przed końcówką narzędzi, zgięcie w górę tylnej części materiału.

Strefa deformacji tworzy się przed końcówką narzędzia.

Mały region na tyłku obrabia zaczyna deformować plastycznie.

Dwie strefy deformacyjne łączą się i odkształcenia plastyczne lokalizują się.

Segment mocno przechodzi wzdłuż pasma ścinania.

Druga strefa ścinania może tworzyć się, prowadząc do podziału pasma ścinania, który jest zakrzywiony w dół.

Z symulacji można zobaczyć, że pasmo ścinające nie zaczyna się po prostu tworzyć przed końcówką narzędzia, a następnie rozciąga się na układ. Zamiast tego drugi region deformacji tworzy się najpierw na odwrocie wiórów i tylko Następnie dołączają dwa regiony. 6 Jeśli ścinanie na powierzchni wywoła pęknięcia, może to prowadzić do tworzenia pęknięć we wczesnych stadiach procesu seg. Nie można tego jednak zakończyć z obecnej symulacji.

Innym interesującym aspektem jest tworzenie dzielonych pasm ścinania. Pasmo ścinające wygina się w górę, gdy końcówka narzędzia rozwija się i pojawia się nowa strefa deformacji przed końcówką narzędzia, co prowadzi do drugiego pasma ścinania, który łączy się z pierwszy. Gdy tylko powstanie drugi pasmo ścinające, koncentruje się deformacja w tym regionie, a górna połowa pasma ścinania nie jest już formowana. Można to zobaczyć z szybkości deformacji, która staje się niewielka w górnej połowie pasma ścinania i dużych w dolnej części, gdy tylko nastąpi podział.

Ten podzielony pasek ścinania wydaje się nie być artefaktem symulacyjnym, pomimo faktu, że na jego szczegółowy kształt ma wpływ mechanizm separacji (patrz ryc. 12). Podobne pasma ścinające zaobserwowano w innej symulacji (patrz [19], ryc. 9) I znaleziono również eksperymentalnie (patrz ryc. 15).

Możliwą przyczyną wystąpienia tych pasm ścinania można zrozumieć z ryc. 16. Pasmo ścinające początkowo tworzy się jako linia prawie prosta, jak pokazano na ryc. 16 (po lewej). W miarę postępu narzędzia region materiałowy A bezpośrednio z przodu końcówki narzędzia i poniżej pasma ścinania należy usunąć. Jedną z możliwości jest mocno zakrzywianie pasma ścinania w górę, podczas gdy narzędzie się rozwija, 7 tak, aby materiał do usunięcia przesunął się w lewo i w górę. Wymagałoby to jednak silnego odkształcenia plastycznego w strefie S2 po lewej stronie opaski ścinającej, gdzie temperatura jest nadal niewielka, a energia wymagana do deformacji jest odpowiednio duży, a także pewne odkształcenie w już utworzonym segmencie S1. Jeśli zamiast tego powstanie podzielone opaskę ścinającą, w lewo od regionu A, region ten można przesunąć przez ścinanie wzdłuż pasma ścinania, co jest znacznie łatwiejsze. To powoduje wszystko Już utworzony układ (S1) do poruszania się wzdłuż strefy ścinania, a ponieważ pasmo ścinające jest zakrzywione, chip również się zakrzywił. Region A przed końcówką narzędzia zmienia w ten sposób swoją rolę: początkowo należy do nowo tworzenia Segment S2, ale gdy tylko drugi zespół ścinający przejmie kontrolę, należy kinetycznie do utworzonego segmentu S1. Ograniczenia geometryczne nadal wymagają pewnego niewielkiego odkształcenia w tym regionie, ale tylko materiał po lewej opasce ścinającej musi nieznacznie deformować, aby pomieścić (małą) krzywiznę pasma ścinającego.

Tworzenie podzielonego pasma ścinającego nie jest oczywiście zjawiskiem czysto geometrycznym: ciągłe odkształcenie regionu A na rysunku może powodować podobny efekt bez silnej lokalizacji. Czy deformacja w tej strefie Koncentraty w drugim pasma ścinania zależą od krzywych przepływu i tendencji odkształcenia do lokalizacji.

Porównanie symulowanych i eksperymentu wytwarzanych przez podzielone pasma ścinania pokazuje, że ich kształt różni się: eksperymentalne pasma ścinające zakrzywione w przeciwnym kierunku od symulowanych. Ta różnica nie może być jeszcze Wyjaśniono, ale wpływ tarcia ciepła z narzędzia i różnych kąta rake może odgrywać w tym rolę.

Ryc. 17 pokazuje obliczoną siłę cięcia dla symulacji ryc. 13. Zgodnie z oczekiwaniami silne oscylacje 7 zauważają, że tarcie jest zaniedbane w tej symulacji, tak że nie może być spowodowane przez nią nie spowodowane krzywicą pasma ścinania. Jest prawdopodobne, że Włączenie tarcia przynajmniej częściowo zniszczyłoby podzielone pasma ścinające przez silne odkształcenie strony narzędzia układu.

Ryc. 14. Szczegóły tworzenia drugiego pasma ścinającego dla tej samej symulacji jak na ryc. 13. Pokazano równoważne odkształcenie plastyczne jako wykres konturu. Skala jest wybierana w taki sposób, że najciemniejszy kolor oznacza wszystkie wartości większe niż 2.

Czas między dwoma kolejnymi zdjęciami wynosi 50 ns. Linia pozioma jest pomocniczą powierzchnią kontaktową, aby uniknąć penetracji układu do nieoszlifowanego przedmiotu.

Siła występuje, z wysoką wartością bezwzględną siły, gdy deformacja nie jest skoncentrowana, a niższa wartość w czasach lokalizacji ścinania i ścinania układu wzdłuż pasm ścinania. Wartości bezwzględne siły to nie zgadza się z badaniami eksperymentalnymi, ale są zbyt niskie o około 2. to jest Głównie z powodu niepewności w plastikowych krzywych przepływu, a także z różnych kątów rake. Z jednej strony zmniejszenie naprężenia przy szczepach większych niż 0,2 jest prawdopodobnie przesadzone w krzywych; z drugiej strony, Wartości naprężeń przy ekstremalnych wskaźnikach deformacji będą znacznie wyższe niż wartości w

Ryc. 15. Występowanie podzielonych pasm ścinania w eksperymentalnie wytwarzanych układach: (po lewej) układ TI6AL4V (narzędzie po prawej stronie); (po prawej) Chip of CK 45 (narzędzie po lewej stronie) utworzony z szybkim eksperymentem zatrzymania w IEP, Magdeburg. Ta liczba został dostarczony przez U. Schreppel i P. Veit, IEP, Magdeburg.

Ryc. 16. Dwa etapy podczas tworzenia podzielonego pasma ścinania. Konfiguracje są pobierane z czwartego i siódmego stanu pokazane na ryc. 14. Segment S1 jest już utworzony w pierwszym stanie, segment S2 zaczyna ewoluować. Postęp Narzędzie musi usunąć region A. Pasmo ścinające podzielone przed A pozwala przenieść ten region do pozycji oznaczonej przez B na prawej figurze. Już utworzony segment S1 jest tylko nieznacznie zdeformowany podczas tego procesu. Podział Pasmo ścinające pozwala zatem uwzględnić usuwanie materiału z regionu A bez silnego odkształcenia w ramach S1 lub w S2

Badania parametryczne

Model elementu skończonego pozwala zbadać wpływ różnych parametrów materiałów i procesu na tworzenie chipów. W tej sekcji zostaną pokazane dwa przykłady.

W pierwszym eksperymencie zmieniono elastyczne właściwości materiału. Można argumentować, że tworzenie pasm ścinania jest wywoływane przez uwalnianie energii sprężystej przechowywanej w zdeformowanym materiale. Ryc. 18 pokazuje, że rzeczywiście Elastyczna gęstość energii silnie maleje po powstaniu segmentu układów. Wartość bezwzględna tej energii jest jednak niewielka w porównaniu z energią deformacji plastycznej. Aby jeszcze bardziej zbadać ten efekt, moduł materiału Younga był różni się między57,5 i 575 MPa w temperaturze pokojowej, tak aby przechowywana energia sprężysta odpowiednio się zmieniła. 8

Powstałe wzorce odkształcenia są podobne dla tych trzech przypadków, ale stopień segmentacji nieznacznie zmienia się, odpowiadając zmianie częstotliwości pomyślenia. Można to zobaczyć z ryc. 19, gdzie jest siła cięcia pokazane dla trzech różnych przypadków. Im niższy moduł sprężysty jest, tym wyższy jest stopień czasu segmentacji i czasu segmentacji. Możliwym wyjaśnieniem jest to, że większa ilość przechowywanej energii sprężystej ułatwia ścinanie lub to Preferowane jest ścinanie tworzyw sztucznych, ponieważ elastyczne odkształcenie obszaru po lewej opasce ścinającej jest niekorzystne energetycznie. Inną możliwością jest to, że deformacja koncentruje się silniej w sztywniejszym materiale, a tym samym wzrasta Częstotliwość segmentacji. Bardziej szczegółowe dochodzenie 8 Należy zauważyć, że ilość energii sprężystej jest ograniczona przez ustaloną granicę plastyczności materiału, tak że materiał z dolnym modułem sprężystym ma wyższą energię odkształcenia, jeśli materiał deformuje plastycznie.

Ryc. 18. Elastyczna gęstość energii (w jednostkach MJ/mm3) na drugim i czwartym etapie czasowym od ryc. 14. Skala jest wybierana tak, aby najciemniejszy kolor oznacza wszystkie wartości większe niż 20. Gęstość energii silnie zmniejsza się podczas podczas Tworzenie pasma ścinającego, sugerując, że uwolnienie energii sprężystej może wpływać na tworzenie pasma ścinającego.

Ryc. 19. Siła cięcia dla trzech symulacji o różnych właściwościach sprężystości. Można zauważyć, że częstotliwość segmentacji jest zmniejszona wraz ze wzrostem modułu sprężystego. Parametry cięcia: głębokość cięcia 40 lm, prędkość cięcia 50 m/s, grabie kąt 10 °.wpływ modułu sprężystego jest niezbędny do dokładnego zrozumienia tego pytania.

Jako druga zmiana prędkość cięcia zmniejszyła się o współczynnik 100–0,5 m/s. Przy tej prędkości przewodność cieplna jest wystarczająco wysoka, aby nie było możliwe silne stężenie temperatury. Z powodu maxi mamy w plastikowym przepływie Krzywe należy jednak oczekiwać, że segmentacja układów występuje, tak jak również eksperymentalnie. (Fakt ten był częścią powodu, aby używać krzywych przepływu z wyraźnym maksimum.) To jest rzeczywiście prawda, ale można go zobaczyć tylko w Symulacja Jeśli gęstość siatki jest dalej zwiększona, jak wspomniano w sekcji 4.2. Wskazuje to, że tendencja do tworzenia segmentowanych układów jest mniejsza przy niższej prędkości cięcia.

Perspektywy

Pokazano model elementu skończonego procesu cięcia metalu przy użyciu standardowego oprogramowania (ABAQUS/Standard). Model opiera się na następujących technikach:

użycie elementów czworobocznych;

Częste remeshing;

specjalny kształt początkowej siatki;

nieciągłe rekultywa dla segmentowanych wiórów;

Zastosowanie dwóch różnych technik separacji.

Model zastosowano do ortogonalnego cięcia stopu tytanowego, stosując krzywe przepływu plastikowego oparte na eksperymencie, ale posiadając pewną niepewność eksperymentalną.

Pokazano również niektóre wyniki uzyskane z modelem. Możliwe jest przeanalizowanie szczegółów procesu tworzenia układów. Formacja pasma ścinania zaczyna się przed końcówką narzędzia. Drugi region deformacji tworzy się na chipie Backside i dwa regiony dołączają. Obszar formacji DE zwęża się dalej, aż do deformacji koncentruje się w bardzo małym pasie ścinającym. Pasmo ścinające może się później podzielić, zjawisko, które zaobserwowano również w niektórych eksperymentach.

Podano możliwe wyjaśnienie tego.

Ponadto badano wpływ modułu sprężystego i prędkości cięcia. Moduł sprężysty wpływa na stopień segmentacji układów. Z krzywymi przepływu wykazującym silną maksymalną izotermicznie, segmentowane wióry tworzą Nawet przy niskich prędkościach cięcia, jeśli gęstość siatki wzrośnie się odpowiednio.

Umowa między symulowanymi a eksperymentami produkowanymi układami było uzasadnione, biorąc pod uwagę niepewność parametrów wejściowych. Najważniejsze jest to, że stopień segmentacji w symulacji jest mniejszy niż w eksperymenty. Może to być spowodowane zastosowanymi krzywymi przepływu plastikowego, które silnie sprzyjają generowaniu pasm ścinania, tak że częstotliwość segmentacji jest zwiększona i odpowiednio zmniejszał się stopień segmentacji. To mogłoby Wskaż, że awaria materialna musi zostać włączona do symulacji, ale nie jest to jeszcze jasne.

Ze względu na prostotę, tarcie i przewodnictwo cieplne do narzędzia zostały zaniedbane w tym badaniu. Przyszłe badania obejmą te procesy, a tym samym pozwoli na zbadanie ich wpływu na proces tworzenia chipów.

Niezbędna poprawa dotyczy kształtu narzędzia, szczególnie w przypadku modelu czystego deformacji. Tutaj siła pasywna i odkształcenie powierzchni obrabiania są o wiele za małe, ponieważ pod narzędziem nie jest wypychany materiał. . Założenie nieskończenie ostrego narzędzia i wynikowej penetracji materiału do narzędzia (patrz ryc. 8) należy poprawić, dodając ograniczony promień narzędzia.

Wreszcie można przeprowadzić badania parametryczne w celu zrozumienia wpływu różnych parametrów materialnych na proces tworzenia chipów. Najciekawsze zmienne do zmiany są krzywe przepływu plastikowego i termiczne Właściwości stopu tytanu. Wyniki tych badań mogą nie tylko pomóc w zrozumieniu, co sprawia, że ​​tytan trudny jest cięcie, ale mogą również wskazywać na możliwą poprawę stopu.