Model elementu skończonego wysokiej prędkości cięcia metali z adiabatycznym ścinaniem (2)

Technika separacji węzłów

Jako pierwszą metodę wybraliśmy predefiniowaną linię separacji. Ta technika była wcześniej stosowana przez wielu autorów, np. [13,18,22,27].

Ważne jest, aby zapewnić prawidłowe pozycjonowanie pionowe linii względem narzędzia. Można tego dokonać, porównując szczepy tworzyw sztucznych w symulacji z plastikowymi szczepami mierzonymi eksperymentalnie. W tym celu używana jest próbka podzielona, gdzie siatka jest wciągnięta w wewnętrzne powierzchnie. Deformację tej siatki można następnie zmierzyć metodą optyczną i można ją porównać z wartościami symulacyjnymi.

W symulacji węzły wzdłuż linii separacji są ograniczone, aby początkowo mają identyczne stopnie swobody. Jeśli osiągnięto krytyczną odległość do końcówki narzędzia, węzły są oddzielone. Wykazano w [13], że ta metoda nie jest bardzo wrażliwy na szczegóły procesu relacji SEPA. Preferowane byłoby kryterium fizyczne, ale takie kryterium nie jest dostępne przy badanych tutaj dużych prędkościach cięcia. Ponadto separacja materiałów będzie najbardziej Prawdopodobnie występuje bezpośrednio przed końcówką narzędzia (chociaż trudno to udowodnić), aby każde kryterium fizyczne w istocie odzwierciedlało ten fakt, a także doprowadził do rozdziału materiału dość zbliżonego do końcówki narzędzia.

Ze względu na postęp narzędzia materiał przed końcówką narzędzia może być oszołomiony, aby węzeł, który ma być oddzielony nad końcówką narzędzi. Jeśli tak się stanie, ten węzeł skontaktowałby się z powierzchnią grobu narzędzia i po separacji Z węzłów oba poruszałyby się w górę w kierunku przepływu układu, zamiast jednego węzła poruszającego się pod twarzą flanki w razie potrzeby do prawidłowego rozdziału materiału. Podobny problem może wystąpić w przypadku węzła układu po separacji: jeśli Ten węzeł jest bardzo zbliżony do końcówki narzędzia, powstała siła tego węzła jest skierowana w dół, tak że węzeł nie poruszał się w kierunku przepływu układu (patrz ryc. 7 (a)). W takim przypadku siatka jest poważnie zdeformowana lokalnie i Konwergencja iteracji jest trudna.

Problem ten można złagodzić, jeśli wprowadzono dwie pomocnicze powierzchnie taktowe CON, jak pokazano na ryc. 7 (b). Powierzchnie te przenoszą węzły do ​​narzędzia. Ponieważ wpływają one tylko na bardzo mały region (zwykle tylko jeden węzeł jest w kontakcie Te powierzchnie), wprowadzony przez nich błąd jest porównywalny z ogólnym błędem dyskretyzacji. Tylko przy obliczaniu całkowitej siły cięcia należy wziąć pod uwagę, ponieważ oczywiście będą one ponieść część ogólnego obciążenia narzędzia.

Technika separacji węzłów w opisanej tutaj formie wprowadza dwa błędy: przepisywana jest linia separacji materiału, a powierzchnie pomocnicze powodują dodatkową siłę oddzielającą układ i przedmiot obrabiany. Aby sprawdzić Wpływ tych błędów zaimplementowano drugą technikę.

Technika czystej deformacji

Możliwe jest również symulacja procesu cięcia metalu bez separacji węzłów. Zamiast tego można to uznać za proces deformacji [21]. W miarę postępu narzędzia wszystkie węzły poruszają się po powierzchni narzędzia, a elementy mogą silnie deformować (Patrz ryc. 8). Materiał, który pokrywa się z narzędziem, można usunąć podczas etapu remesha. Konieczne jest częste remeshing, aby ilość usuniętego materiału pozostała niewielka. Pokazany przypadek wykorzystuje nieskończenie ostre narzędzie, które jest Najgorszy przypadek jako narzędzie o zaokrąglonej krawędzi doprowadzi do mniejszej liczby materiałów w przenikaniu do narzędzia. W przypadku opisanej tutaj symulacji remeshing przeprowadzono po penetracji narzędzia 2: 5 lm. Usunięty materiał odpowiada małemu Pasek o grubości około 1 lm przed końcówką narzędzi.

To proste podejście ma tę zaletę, że łatwiej jest ono być, ponieważ nie występują nieciągłości (ponieważ tak jest, gdy para węzłów oddziela się). Drugą zaletą jest to, że żadna linia separacji materiałowej nie jest zalecana; Zamiast tego jest Możliwe dla materiału leżącego pod poziomą linią przez końcówkę narzędzia, która ma zostać zdeformowana i przejść do obszaru układu. Po etapie naprawy pozostanie w tym regionie. Zatem jeden z głównych problemów z separacją węzłów Technika jest łagodzona.

Ryc. 7.

(a) Ruch węzła układu „złapanego” między narzędziem a przedmiotem obrabianym. Ruch węzłów nie jest w kierunku przepływu materiału, co prowadzi do problemów z konwergencją.

(b) Pomocnicze powierzchnie kontaktowe prowadzą węzły do prawidłowy kierunek. Powierzchnia 1 działa na węzłach w chipie, powierzchni 2 na norkach w przedmiotach obrabia.

Ryc. 8. Separacja materiałów bez separacji węzłów: (a) przed remeshing; (b) Po przerobieniu. W tej technice węzły na powierzchni poruszają się na powierzchni bez separacji. Materiał jest usuwany na każdym etapie remesha. Jeśli jest remeshing Często wykonywane, a gęstość siatki jest wysoka, błąd wprowadzony przez to usunięcie może być bardzo mały.

Ponieważ elementy są usuwane tylko po zakończeniu remeshingu, mogą nosić obciążenie między narzędziem a przedmiotem obrabianym, który jest niefizyczny. W przeciwieństwie do sztucznego obciążenia w technice separacji węzłów, obciążenie to stara się zachować chip i obrabia razem, a zatem ma znak pozycyjny.

Zastosowanie dwóch kryteriów z efektami przeciwnymi pozwala zatem zbadać wpływ kryterium separacji. Jeśli wyniki dla symulacji wykonanej z obiema metodami zgadzają się, wpływ sztucznej siły na wynik musi być nieistotny. Takie wyniki zostaną pokazane w rozdziale 4.2.

3.8. Osiągnięcie konwergencji

W przypadku algorytmu niejawnego ważne jest zapewnienie zbieżności przy rozsądnych przyrostach czasu. W tej sekcji opisano niektóre dalsze techniki, które pomagają osiągnąć zbieżność.

Oprogramowanie ABAQUS zastosowane w symulacji sprawdza największą siłę resztkową i porównuje to ze średnią siłą w modelu w celu przetestowania konwergencji. Ta metoda nie jest odpowiednia dla procesu cięcia metalu, jak Średnia siła w modelu jest niewielka do maksymalnych sił występujących w strefie ścinania.

To standardowe kryterium konwergencji jest zatem zbyt surowe. Kontrola zbieżności należy dostosować do przebiegu i porównanie należy dokonać do typowej wartości siły w strefie ścinania. To samo dotyczy Obliczanie temperatur i przepływów ciepła.

Można zapewnić, że to kryterium konwergencji jest wystarczająco ścisłe, porównując obliczone poprawki z obliczonymi przyrostami podczas procedury iteracji i zapewnienie ich niewielkiej.

Po przerobieniu równowaga siły może nie zostać spełniona z powodu interpolacji odkształcenia i zmiennych stanu materialnego. Może to powodować początkowe deformacje, a tym samym prowadzić do problemów zbieżności, które utrudniają Restart symulacji. Aby tego uniknąć, dla pierwszego wprowadzono sztuczne tłumienie 5 × 10-11 s symulacji, tak że ta deformacja jest trzymano małe. To tłumienie dodaje siły proporcjonalnej do prędkości węzła w każdym węźle, a zatem zmniejsza silne początkowe deformacje. 3 Zapewniono, że ilość sztucznej energii tłumienia jest mniejsza niż 0,1% całości Praca, aby miało nieistotny wpływ na ogólne wyniki.

Tworzenie chipów TI6AL4V

Parametry procesu i właściwości materiału

Ryc. 9 pokazuje segmentowany układ wytwarzany z prędkością cięcia 40 m/s, głębokością cięcia 42 lm i grabie kąt 0 ° pod nieciągłym, ortogonalnym cięciem Warunki opisane w [10]. Kształt układu nie zależy silnie od parametrów cięcia. Różni się od eksperymentu, kąt grabiego zastosowany w symulacji wynosił zwykle 10 °. Lepsze zachowanie zbieżności. Ponieważ nie doszło się o to, że nie została uwzględniona przez nie ma kwoty zgodności między symulacją a eksperymentem (z powodu niepewności w krzywych przepływu plastikowego, patrz poniżej), różnica ta nie jest znacząca.

Ważnym parametrem wchodzącym do symulacji jest współczynnik tarcia między narzędziem a przedmiotem obrabianym. Eksperymenty prowadzą do wniosku, że wartość ta jest raczej niewielka [11]. Ponieważ nie jest jasne, czy tarcia gra Ważna rola w tworzeniu pasm ścinania założono, że w symulacji nie występuje tarcie. Zaniedbano również przepływ ciepła do narzędzia. To uproszczenie nie wpłynie silnie na proces tworzenia chipów, jako termiczny przewodność Stop tytanowy jest niski, dzięki czemu ciepło z powierzchni narzędzia nie będzie bramki propa daleko do układu. Dodanie tarcia i przepływu ciepła w późniejszych symulacjach pozwoli zbadać wpływ

Ryc. 9. Eksperymentalnie wyprodukowany segmentowany układ. Pasma ścinające są wyraźnie oznaczone liniami trawienia. Warunki cięcia: prędkość cięcia 40 ms, głębokość cięcia 42 lm, kąt zgrabienia 0 °.

Te efekty osobno. Jest to ważne dla dokładnego zrozumienia wpływu innego zjawiska na proces tworzenia chipów.

Właściwości termiczne zastosowanego stopu tytanowego zostały zmierzone przez Fraunhofer Institut Fu € R Keramische Technologien und sinterwerkstoffe (komunikacja prywatna) w zakresie temperatur między pomieszczeniem temperatura i 1200 ° C przy użyciu urządzenia laserowego i różnicowy kalorymetr skanujący. Konstrukcja termiczna zmienia się między wartością 6,8 W/m K w temperaturze pokojowej a 24,4 W/M K w 1185 ° C, co specyficzne Ciepło wynosi 502 J/kg K w temperaturze pokojowej i 953 J/kg K w 890 ° C, a współczynnik rozszerzalności cieplnej jest prawie stały przy wartości 10-5 K-1.

Ryc. 10 pokazuje krzywe przepływu z tworzywa sztucznego używane dla symulacja. Wartości między podanymi osobami są liniowo w terpolardzkim. Wartości szczepów do ～ 0,25 są objęte przez szybkie pomiary deformacji tworzyw sztucznych [14] przy prędkościach odkształcenia 3000 s-1; W przypadku szczepów powyżej tej wartości założono, że materiał zmięknie, jak zaobserwowano dla Ti6AL4V przy niższych prędkościach odkształcenia [8].

Ten ryc. 10. Krzywe przepływu tworzyw sztucznych stosowane do symulacji. Dla wartości odkształcenia powyżej 0,25 przyjęto zmiękczenie izotermiczne.

Zmiękczenie jest trudne do ustalenia w eksperymentach, ponieważ pasma ścinania tworzą się w próbkach testowych i pomiarach ogólnej deformacji próbki, dlatego nie korelują dobrze z prawdziwym zachowaniem materialnym. Raczej silny Założone tutaj jest prawdopodobnie nierealne, jednak ułatwia tworzenie się adiabatycznych pasm ścinania, a tym samym pozwala łatwiej badać proces seg.

Przy opisanym tutaj prawa materialnym, stroficzne uszkodzenie ścinania materiału w strefie ścinającej jest spowodowane po prostu nadmiarem krytycznego szczepu. Szerokość pasma ścinania jest następnie określana przez rozmiar elementu, który ma zostały wybrane do wytworzenia szerokości pasma ścinającego porównywalnego z obserwowaną w eksperymentach. Bardziej realistyczne prawo materialne nie wykorzystałoby silnego zmiękczania odkształcenia i zamiast tego polegałoby na zmiękczaniu termicznym, tworząc pasma ścinające. Dodatkowo, Należy również wziąć pod uwagę wydajność zależną od stawki. Przy takim prawie materialnym szerokość pasma ścinania byłaby określona przez przewodnictwo termiczne i byłaby niezależna od gęstości siatki. Ponieważ jesteśmy w większości zainteresowani Deformację segmentów, zastosowano tutaj prostsze podejście do zaoszczędzenia czasu komputera. Symulacje z bardziej realistycznym prawem zostaną wykonane w przyszłości [6].

Frakcja energii deformacji tworzywa sztucznego przekształcona w ciepło (współczynnik Taylor - Quinney) jest również trudny do zmierzenia. Wartość 0,9 zastosowano zgodnie z [17].

Szczegóły dotyczące symulacji

Liczba elementów w symulacji jest zmienna, ponieważ wzrasta wraz z liczbą segmentów. Do symulacji pokazanej w następnej sekcji na początku symulacji zastosowano około 5000 elementów i 7000 węzłów Elementy i 12 000 węzłów pod koniec, w których kilka segmentów musi zostać pomieszane. Długość krawędzi elementu wynosiła około 0: 7 lm w strefie ścinania. Czas komputerowy potrzebny do tej symulacji wyniósł pięć dni na stacji roboczej HP C360.

Niektóre przykłady siatków można zobaczyć na ryc. 11. 4

Symulację o niskiej prędkości opisaną w rozdziale 4.4 wykonano z jeszcze drobniejszą gęstością siatki o długości krawędzi około 0: 3 lm w kierunku prostopadłym do pasma ścinania. Liczba elementów była odpowiednio większa, z do Zastosowano 17 000 elementów.

Silna krzywizna układu prowadzi do penetracji układu do materiału. Aby tego uniknąć, wprowadzono pomocniczą powierzchnię kontaktową, która oddziela układ od nieoszlifowanego materiału. Ta powierzchnia styku może być postrzegane jako linia pozioma na ryc. 11.

Ryc. 11.

Zastosowano siatki elementów skończonych w różnych etapach procesu cięcia z segmentowaną tworzeniem układów. Zwróć uwagę na silne udoskonalenie w strefie ścinania i zgrubienie siatki pierwszych segmentów. Pomocniczy poziom zorientowany Powierzchnia kontaktowa nad nieoszlifowanym materiałem jest pokazana jako linia.

Przed interpretacją wyników symulacji należy zbadać wpływ techniki separacji. Ryc. 12 pokazuje układy wytwarzane z separacją węzłów i techniki czystej deformacji przy prawie identycznych krokach czasowych. 5 Warunki cięcia dla obu symulacji.

Narzędzie jest zakładane jako sztywne, więc siatka narzędzia jest nieistotna. Dodano go, aby umożliwić przewodzenie cieplne i deformację narzędzia w późniejszym etapie symulacji.

5 Ze względu na automatyczne obliczenie przyrostów czasowych nie było możliwe robienie obu zdjęć na etapie Sametime.

Ryc. 12. Równoważne szczepy tworzyw sztucznych w dwóch symulacjach wykonanych z dwiema różnymi technikami separacji: (a) metoda separacji węzłów; (b) Metoda czystej deformacji. Gęstość siatki w drugiej symulacji była nieco wyższa w Strefa ścinania, aby pasma ścinające były bardziej wąskie. Zgoda między wzorcami deformacji jest nadal dość dobrze. Parametry cięcia: głębokość cięcia 40 lm,Prędkość cięcia 50 ms, kąt zgrabia 10 °.były następująco: głębokość cięcia 40 lm, prędkość cięcia 50 m/s, kąt grabia 10 °.

Można zauważyć, że ogólne odkształcenie układów jest bardzo podobne. Nawet szczegóły wzorców deformacji, takie jak stopień segmentacji (stosunek minimum do maksymalnej wysokości chipów) i występowanie „podzielonych” pasm ścinających W pobliżu wskazówki narzędzia zgadzam się dość dobrze w obu symulacjach, chociaż występują niewielkie różnice. Pasma ścinania są bardziej wąskie w symulacji za pomocą techniki deformacji, wynika to z faktu, że gęstość siatki była nieco wyżej.

Siła tnąca oscyluje w obu symulacjach, dla techniki separacji węzłów między około -20 a -42 n, dla techniki deformacji siły są nieco większe i leżą między -23 do -45 N. Przyczyną jest wysiłek materiału penetrującego do narzędzia. Można się spodziewać, że umowa byłaby jeszcze lepsza, jeśli narzędzie nie jest nieskończenie ostre. Częstotliwość oscylacji (a tym samym tworzenia pasma ścinania) jest taka sama w obu przypadkach.

Wyniki tego porównania pokazują, że wzorce deformacji całkiem dobrze się zgadzają. Siły zmieniają się o około 10% między dwiema technikami, ale nie są one zbyt istotne dla badań przedstawionych poniżej. Niemniej jednak Ulepszony kształt narzędzia należy wybrać dla modelu czystego deformacji, jeśli należy przeprowadzić szczegółowe badania siły tnącej.

Kolejnym ważnym aspektem do badania jest gęstość siatki. Udoskonalenie siatki dodatkowo prowadzi do bardziej wąskich pasm ścinania w symulacji, ale tylko do niewielkich różnic w siłach tnącach i wynikających z tego wzorców deformacji (stopień Segmentacja, tj. Stosunek maksymalnej i minimalnej wysokości segmentu, nieznacznie wzrasta, a szerokość pasma ścinania spada). Z tego można stwierdzić, że zużyta siatka nie jest wystarczająco dobra. Ponieważ jednak nie ma zależności od szybkości Hartowanie, a krzywe przepływu izotermicznego wykazują maksimum, nie ma mechanizmu ograniczenia zwężenia pasma ścinającego. W zastosowanych warunkach można oczekiwać, że pasmo ścinające stanie się pojedyncze. Dlatego każda użyta siatka cierpią z powodu tego problemu, który jest spowodowany zbyt uproszczonymi założeniami dotyczącymi zachowania plastikowego materiału. Wybrano gęstość siatki dla symulacji pokazanych poniżej Eksperymentalnie obserwowane wartości.