Zrozumienie wpływu zużycia krateru na proces tworzenia chipów

Wstęp

Cięcie metalu, jako ważny proces produkcyjny, który usuwa niechciane materiały z przedmiotu obrabianego, zostało szeroko zbadane. Towarzyszy zarówno nieodwracalne deformacje, jak i przenoszenie ciepła, cięcie metali jest sprzężoneproces termomechaniczny. Ze względu na duże deformacje, wysokie prędkości odkształcenia, znaczne wzrosty temperatury, nadmierne tarcia i skomplikowane warunki obciążenia związane z procesem cięcia metalu, dokładne modele analityczne są bardzotrudne do opracowania. Większość istniejących modeli ma raczej opisowe niż predykcyjne, w wyniku czego nie można ją zastosować bezpośrednio w celu ustalenia optymalnych warunków cięcia w fazie projektowej. Z drugiej strony metody eksperymentalne sąz natury specyficzne dla konfiguracji i są bardzo drogie do modelowania złożonych procesów obróbki. Dlatego modele oparte na szczegółowych symulacjach numerycznych stają się niezwykle ważne w opracowywaniu predykcyjnych teorii metaluciąć.

Metoda elementów skończonych (FEM) jest najczęściej stosowanym narzędziem numerycznym w symulacjach cięcia metali od 1973 r., Kiedy metoda została najpierw zastosowana do modelu procesów obróbki przez Klameckiego [1]. Użycie MES w metaluAnaliza cięcia umożliwia włączenie prawdziwej konstytutywnej relacji metalu (przedmiot obrabiany), dokładne modelowanie interakcji między układem chipowym a narzędziem tnącą oraz uwzględnienie efektów granicznych powierzchni wolnego układu[2]. Co ważniejsze, MES, jako technika pełnego pola, umożliwia określenie pól naprężeń, odkształcenia i temperatury w obrabiarce, a także parametrów globalnych (w tym siły skrawania, siły zasilającej i geometrii układów). tenSzczegółowe informacje na temat rozkładów stresu i temperatury mają kluczowe znaczenie dla przewidywania optymalnych warunków cięcia. W związku z tym przeprowadzono wiele badań na temat symulacji cięcia metali przy użyciu różnych modeli elementów skończonych (FE),z których większość została sprawdzona w [3-5].

Cięcie metalu, jako proces usuwania materiału, zwykle obejmuje duże deformacje i bardzo wysokie prędkości odkształcenia. Chip wytwarzany w procesie cięcia jest w kontakcie z twarzą grabiaTarcie, które przekształci się w przesuwane tarcie w górę twarzy narzędzia. Duże deformacje tworzyw sztucznych i intensywne tarcia związane z cięciem metali generują ogromną ilość energii cieplnej, co powoduje znaczny wzrosttemperatura. Dlatego proces cięcia należy traktować jako sprzężony proces termomechaniczny. Niedawno podjęto wysiłki badawcze w tej linii. Na przykład model elementu skończonego naprężenia termomechanicznego dla elementów skończonychModelowanie cięcia ortogonalnego za pomocą ciągłej formy chipowej przedstawili Lei i in. [6], który zaniedbał siły tarcia na interfejsie chipu narzędzi i przyjął jednolity strumień ciepła zastosowany bezpośrednio do układu, aby uwzględnićWygenerowany w cierne transfer ciepła. Liu i Guo [7] zgłosili termoelastyczno-viscoplastyczny model FE, który został opracowany w celu zbadania wpływu tarcia narzędzia i sekwencyjnych cięć na naprężenia resztkowe w warstwach obrabianych. TemperaturaWzrost przedmiotu obrabia oszacowano w ich analizie przy użyciu ciepła generowanego przez deformacje plastyczne, z zaniedbaną pracą generowaną przez tarcie i przyjęto warunki adiabatyczne. Shet i Deng [8] przedstawili analizę FEProces cięcia metali ortogonalnych oparty na zmodyfikowanym prawie tarcia Coulomba i kryterium oddzielenia chipów opartych na stresie. W ich badaniu założono adiabatyczne warunki ogrzewaniaStrefy spowodowane deformacją tworzyw sztucznych i pracą tarcia. Ponieważ w obrabiarce zawsze odbywa się przewodzenie cieplne, chip i narzędzie tnące, a między układem a narzędziem, ogrzewanie adiabatyczne to tylkoPrzybliżenie, które może przynieść niedopuszczalne wyniki, szczególnie gdy stosuje się prędkość ograniczania niskiej lub średniej [9]. Dlatego ulepszone modele FE, które mogą w pełni reprezentować sprzężenie termomechaniczne w procesie cięcia metalu, są nadal wpotrzebować.

Radząc sobie z zużyciem narzędzia występującego w procesie cięcia metali ortogonalnych, poprzedni badacze zidentyfikowali dwa mechanizmy tworzenia zużycia: zużycie krateru i zużycie flanki. Wpływ zmian geometrii narzędzia spowodowany przez flankęZużycie procesu cięcia zostało szeroko zbadane [10-12], ze szczególnym zainteresowaniem obliczaniem resztkowego wydzielania stresu oddzielenia chipów od przedmiotu obrabianego. Interakcja narzędzi chipowych będzie uważana za ślizganie się ibędzie reprezentowany przez prawo Coulomba. Równanie wykonywania ciepła zostanie rozwiązane w celu określenia pola temperatury spowodowanego ogrzewaniem z powodu deformacji i tarcia z tworzywa sztucznego. Kod elementu skończonego ogólnego Abaqus [16] będziesłużyć jako narzędzie obliczeniowe w obecnym modelu. Pola naprężenia i temperatury zostaną określone jednocześnie za pomocą Abaqus. Wykonalność tego kodu do symulacji cięcia metali została pomyślnie wykazana wPoprzednie badania [6-8]. Część wyników predykcyjnych uzyskanych w obecnym modelu zostanie porównana z danymi eksperymentalnymi zgłoszonymi w [14,15].

Względy modelowania

Założenia

W tym dochodzeniu przyjęto trzy główne założenia. Po pierwsze, zakłada się, że stan odkształcenia płaszczyzny, jak to miało miejsce w prawie wszystkich poprzednich badaniach. Ponieważ szerokość cięcia jest znacznie większa niż niezdekformowana grubość wiórów, to założenie jestusprawiedliwiony. Po drugie, w związku z dużym modułem sprężystym materiału narzędzia względem obrabiania, narzędzie tnące jest uważane za doskonale. Jest to dopuszczalne przybliżenie, ponieważ elastyczne ugięcia cięciaNarzędzie jest nieznaczne w porównaniu z dużymi deformacją plastikową przedmiotu obrabianego. Wreszcie narzędzie tnące jest uważane za idealnie ostre, aby ułatwić symulację.

Relacja konstytutywna

W tym badaniu rozważa się narzędzie do utwardzania oleju. Równoważne naprężenie von Mises tego materiału, σ, może być reprezentowane przez model Johnsona-Cook jako [15]ses. Jednak w przypadku wpływu zużycia krateru zgłoszono bardzo niewiele badań, chociaż ten mechanizm formowaniaISM jest równie ważny. Komvopoulos i Erpenbeck [13]zbadał połączone efekty zużycia krateru i zbudowanej krawędzi (BUE) przy użyciu modelu FE i izotermicznego przypuszczeniaTion. Aby lepiej zrozumieć wpływ zmian geometrii narzędzia spowodowanego zużyciem krateru na parametry cięcia, należy zastosować model termomechaniczny, biorąc pod uwagę sprzężone odpowiedzi termiczne i mechaniczne, ponieważ zużycie narzędziajest silnie związany z wzrostem temperatury podczas procesu obróbki.

Celem tego artykułu jest opracowanie w pełni sprzężonego termomechanicznego modelu elementów skończonych do symulacji ortogonalnego procesu cięcia, ze szczególnym naciskiem na skutki zużycia krateru. Odkształcenie stanu ustalonego i płaszczyznyWarunki cięcia zostaną rozważone. Zastosowane zostanie konstytutywne równanie narzędzia do utwardzania olejuwcześniej ustalono przy użyciu podziału Testu paska Hopkinsona [14,15]. Krytyczne kryterium naprężenia zostanie zastosowane do miejsca, w którym A, B, C, M i N są stałymi konstytutywnymi, ε równoważne odkształcenie plastyczne von Mises, ε · równoważnySzybkość odkształcenia plastycznego, ε · 0 Równoważny odniesienie prędkości odkształcenia plastycznego, KT A Współczynnik stosowany do dostosowania naprężenia z powodu efektów zmiękczania termicznego, T 丰 Temperatura homologiczna, T temperatura przedmiotu obrabianego i Tmelt i T0 to,odpowiednio temperatura topnienia materiału i temperatura otoczenia odniesienia. W przypadku rozważanej stali O1 te stałe byłyokreślone przez Zheng i Sutherland [15], przy użyciu podziału testu paska Hopkinsona, jako A = 625,3 MPa, B = 650,0 MPa, N = 0,42, C = 0,011, ε · 0 = 451 S-1, M = 1, T0 = 25 ° C i Tmelt = 1500 ° C. Właściwości materiału, w tymZależność od temperatury w stosownych przypadkach wymieniono w tabeli 1. Eqs. (1) i (2), wraz z tymi materiałem

nieruchomości zostaną przyjęte w tym badaniu w celu przedstawienia konstytutywnego zachowania stali.

1 -letialny element skończony

Początkowa siatka elementu skończonego pokazano na ryc. 1. Szerokość cięcia, 3,861 mm, jest 76 razy większa niż głębokość cięcia, 50,8 µm, a zatem zakłada się stan odkształcenia płaskiego. Zastosowano pięć warstw pierwiastków o wysokości 10,16 µm w każdej warstwieAby modelować prospektywne tworzenie układów. Cztery warstwy pierwiastków, przy czym ich wysokości maleją od dołu przedmiotu obrabianego do powierzchni cięcia zgodnie z zasadą odchylenia (tj. Współczynnik wysokości sąsiednich elementów wynosi 0,6), wynosi 0,6), wynosi 0,6), wynosi 0,6), wynosi 0,6)Używany do przedmiotu obrabianego pod powierzchnią cięcia. Aby ułatwić tworzenie układów, domniemany jest początkowy układ, który jest modelowany przez pięć elementów, z 20 elementami w każdej warstwie. Istnieje całkowicie 640 elementów odkształcenia płaszczyzny (znaneJak CPET4 w ABAQUS), które są oparametryczne, czterodrzywowe i sprzężone o temperaturze, oraz 791 węzłów użytych w tej siatce. Elementy potencjalnego układu są zaprojektowane w taki sposób, że są one wsteczne, które są skierowane do swoich rozmiarów wKierunek poziomy jest większy niż w kierunku pionowym. Ta konfiguracja, początkowo zaproponowana przez Strena-Kowskiego i Carroll [17], może zrównoważyć poważne zniekształcenie pierwiastków z powodu intensywnej kompresji, ścinaniaPrzechylanie i cierne przesuwanie, unikając w ten sposób możliwej rozbieżności podczas iteracji numerycznych. Przebiegi próbne i błąd należy przeprowadzić, aby określić odpowiednie formy i rozmiary elementów [18]. W tym badaniu wszystkie elementy użyteSymulować potencjalny układ o długości 50 µm, a ich kąt orientacji wynosi 70 ° w stosunku do kierunku pionowego.

Narzędzie tnące i jego zużycie

W praktycznych operacjach obróbki zużycie narzędzia nie jest jednolite wzdłuż twarzy narzędzia. Wymaga to specyfiki położenia i stopnia zużycia, gdy należy podjąć dopuszczalną wartość zużycia. Kontur najwyższegoTemperatura, podczas obróbki stali o niskiej zawartości węgla, zwykle znajduje się w odległości wzdłuż grabiego twarzy od krawędzi tnącej, co prowadzi do zużycia w postaci krateru odpowiadającego temu konturowi temperatury [19]. Typowy pojedynczy punktNarzędzie z zużyciem krateru pokazano na ryc. 2, w którym KT głębokości krateru jest ogólnie traktowana jako miara ilości zużycia krateru [20]. Krater, jak pokazano, jest częścią okręgu, z KB mierzącym odległość pionową od środkaokrąg do końca narzędzia tnącego. W procesie cięcia obejmującym zużycie krateru ciepło będzie płynąć z gorącego punktu w kierunku tnącej krawędzi, gdy upływa czas cięcia lub prędkość cięcia [19]. Z drugiej strony krater możePochodzą również z najnowocześniejszego krawędzi podczas obróbki materiałów o wysokiej przewodności. Dlatego istnieją dwa rodzaje możliwych wzorów zużycia krateru przed osiągnięciem dopuszczalnego progu zużycia, tj. Zużycie krateru z Kb = km/2 i Kb ＞Km/2. W tym badaniu zostaną symulowane cztery przypadki. Parametry geometryczne narzędzi, z których wszystkie mają ten sam kąt grabie 10 °, pokazano w tabeli 2.

Jak pokazano na ryc. 3, przedmiot obrabiany jest przymocowany do jego dolnej i prawej powierzchni, a narzędzie tnące może poruszać się horyzontująco z lewej do prawej, jednocześnie powstrzymując się pionowo.

Ryc. 1. Początkowa siatka modelu elementu skończonego. Ryc. 2. Konfiguracja twarzy narzędzia.

Ponadto górna powierzchnia przedmiotu obrabianego i powierzchnie układu narażonego na powietrze są przyjęte jako adiabatyczne, podobnie jak górna i lewa powierzchnia obróbki przedmiotu obrabianego, ponieważ przenoszenie ciepła między nimi a powietrzem jest nieznacznei dlatego można go zaniedbać. Prawe i dolne powierzchnie przedmiotu obrabianego pozostają w początkowej temperaturze, ponieważ znajdują się z dala od stref deformacji.

Narzędzie tnące, z modułem sprężystym znacznie większym niż element obrabia, jest modelowane jako sztywne korpus. Ponieważ zakłada się, że narzędzie jest idealnie ostre, tylko odcinek twarzy z producentem musi być zdefiniowany przez dwaSztywny element węzła. Ograniczenia kinematyczne i obciążenia narzędzia są przepisywane przez węzeł odniesienia, który jest przymocowany do sztywnego narzędzia. Prędkość cięcia jest przypisywana do narzędzia przez ten węzeł odniesienia z wybranym czasemInterwał i odpowiednie przesunięcie narzędzia w kierunku poziomym. Przed modelowaniem interakcji i separacji chipów narzędzi należy zdefiniować dwie pary styków powierzchniowych, tj. Para układów narzędzi iPara chipów na temat przedmiotu. Warunkiem początkowym dla tej ostatniej pary jest to, że dwa identyczne węzły wzdłuż prospektywnej linii rozdziału są całkowicie związane. Innym początkowym warunkiem w tym badaniu jestTemperatura początkowa, 25 ° C, do nałożenia na wszystkie elementy.

W obszarze ślizgowym zakłada się stały współczynnik tarcia µ, podczas gdy w obszarze przyklejania nakłada się równoważna granica naprężenia ścinającego, τmax. Naprężenie tarcia τfr na interfejsie można zatem wyrazić jakogdzie σs jest normalnym naprężeniem wzdłuż twarzy grabie narzędzia. Oczywiście ten model tarcia opiera się na prawie Coulomba.

Eq. (3) Reprezentuje region przesuwany, podczas gdy równ. (4) opisuje obszar przyklejania. Aby wykorzystać Abaqus, τmax = σ s/y'3 jestprzyjęte w tym badaniu, gdzie σ S jest równoważnym naprężeniem von Misesa w wtórnej strefie ścinania przylegającej do twarzy narzędzia. Jako przybliżenie uśredniony współczynnik tarcia w obszarze ślizgowym można obliczyć na podstawie zmierzonegoSiły cięcia i zasilania. τmax można oszacować na podstawie podziału zmierzonej siły zasilającej (gdy kąt grabiego wynosi 0 °) przez zajęty obszar kontaktu na powierzchni zboczu [19]. W tym badaniu uzyskuje się µ = 0,85 i τmax = 500 MPaKorzystanie z danych eksperymentalnych dostarczonych w [14].

2.6. Wpływ temperatury

Nieodwracalne deformacje i tarcia z tworzywa sztucznego na interfejsie narzędzi generują ciepło i powodują wzrost temperatury. Plastikowe deformacje prowadzą dogdzie Q · P jest objętościowym strumieniem ciepła z powodu pracy z tworzywa sztucznego, ηp współczynnik konwersji pracy z tworzywa sztucznego oraz odpowiednio L ', E · Pare, tensor naprężenia Cauchy i tensor prędkości odkształcenia plastycznego.

2.5. Tarcie na interfejsie Chip narzędzi

Interakcja między narzędziem tnącą a układem jest złożonym problemem kontaktowym. Obserwacje eksperymentalne [21] wykazały, że istnieją dwa odrębne regiony na powierzchni zboczu narzędzia tnącego, tj. Regiony przyklejające i przesuwane.

Ryc. 3. Warunki brzegowe w ortogonalnym cięciu metalu (narzędzie płaskie).

gdzie Q · F jest objętościowym strumieniem ciepła z powodu pracy tarcia, Y · Szybkość poślizgu, ηf Współczynnik konwersji pracy tarcia, ułamek energii cieplnej przeprowadzonej w układie, a τfr jest zdefiniowany w pobliżu równania. (3). Zauważając toWiększość tworzyw sztucznych przekształca się w ciepło, ηp uznaje się na 0,9. Ponadto, zakładając, że wszystkie prace tarcia przekształcają się w ciepło, ηf = 1,0 zostaną wykorzystane w tym badaniu parametrycznym. Wartość FF jest określana przez termiczneWłaściwości materiałów narzędzia i przedmiotów obrabianych, a także gradient temperatury w pobliżu interfejsu chipu narzędzi. W tym badaniu przyjmuje się FF = 0,5 (średnia). Podobne wartości zastosowano dla tych parametrów w poprzednich badaniachna temat tych samych argumentów [6,22].

Równanie energii, które definiuje pole temperaturygdzie Q · = Q · P + Q · F jest całkowitą objętością prędkości wytwarzania ciepła, ρ, K i CP są odpowiednio gęstością, przewodnictwem termicznym i ciepłem właściwym materiału obrabianego, a 72 jest operatorem Laplace. Oczywiście równania. (1), (2)i (5)- (7) pokazują, że pola naprężenia i odkształcenia są w pełni sprzężone z polem temperatury, co spowodowało sprzężony model termo mechaniczny, jak wspomniano wcześniej. Równania te zostaną rozwiązane jednocześnie za pomocą AbaqustoOkreśl pola naprężenia, odkształcenia i temperatury.

2.7. Kryterium separacji chipów

Istnieją dwa główne preparaty FE, tj. Preparaty Lagrangian i Eulerian. W formułach Lagrangian elementy, obejmujące dokładnie region analizy, są przymocowane do materiału i zdeformowane razem zprzedmiot. Z drugiej strony preparat euleryjski uważa elementy ustalone w przestrzeni i oblicza właściwości materiału w ustalonych lokalizacjach przestrzennych, gdy przepływa materia przez siatkę.

W procesie obróbki układ, który początkowo jest częścią przedmiotu obrabianego, oddziela się od obrabianej powierzchni na końcówce narzędzia. Aby modelować ten proces za pomocą sformułowania Lagrangian Fe, kryterium regulujące rozdział chipów musizostało dane. W literaturze zgłoszono różne takie kryteria. Można je podzielić jako dwa typy, tj. Geometryczne i fizyczne [23]. Zgodnie z kryterium separacji geometrycznej, układ zostanie oddzielony, gdyOdległość między końcówką narzędzi a najbliższym węzłem tuż przed końcówką narzędzia jest równa lub mniej niż dana wartość. Wadą metody geometrycznej jest to, że nie ma ona fizycznego znaczenia. Kryteria fizyczne są oparte naWartości wybranych zmiennych fizycznych, takich jak naprężenie, równoważne odkształcenie plastyczne lub gęstość energii odkształcenia, w elemencie bezpośrednio przed końcówką narzędzi. W tak fizycznym kryterium przepisywane są para zbieżnych węzłówZakłada się, że jak początkowo doskonale związane jest, gdy wartość określonej zmiennej fizycznej w wyznaczonym elemencie jest większa niż wybrana wartość progowa.

Krytyczne kryterium stresu, jedno z kryteriów fizycznych, jest stosowane w tym badaniu. Kryterium to mówi, że węzeł pęknięcia debontuje, gdy lokalne naprężenie równoważne w określonej odległości przed końcówką pęknięcia na założonym rozstaniuLinia osiąga wartość krytyczną. Krytyczne kryterium stresu jest zdefiniowane jako [16]

Wiadomo, że preparat Lagrangian z wykorzystaniem kryterium separacji węzłów ma pewne braki [24]. Jednak jego prostota i powiązane niższe koszty obliczeniowe sprawiają, że ten preparat jest nadal bardziej atrakcyjny niż inneMetody, w tym ciągłe techniki remeshing [25], euleryjski sformułowanie i dowolne podejście Lagrangian-Eulerian [24], do stosowania w badaniach parametrycznych obejmujących wiele przypadków. Stąd formuła Lagrangian przy użyciuW bieżącym badaniu przyjęto kryterium stresu krytycznego (separacji węzłów). Popularność tego sformułowania świadczy jego szerokie zastosowanie w licznych badaniach [8,26] oraz w głównych kodach komputerowych (takich jak Abaqus[16]).

Wyniki i dyskusje

Cztery przypadki wymienione w tabeli 2 są symulowane. Można je zaklasyfikować jako trzy typy pod względem geometrii twarzy narzędzia: płaska twarz (przypadek 1), kraterowana twarz Kb = km/2 (przypadek 2) i kraterowaną twarz KB ＞ km/2 (przypadki 3 i 4) . WięcejUwaga zostanie tutaj zwrócona na skutki zużycia krateru z KB ＞ km/2, ponieważ w praktyce ten rodzaj zużycia krateru. Reprezentatywne wyniki, które mogą rzucić nowe światło na wpływ geometrycznyZmiany powierzchni zboczu narzędzia, takie jak lokalizacja krateru, głębokość krateru i szerokość krateru, w procesie cięcia ortogonalnym są przedstawione w tej sekcji. W szczególności wyniki te obejmują zdeformowane siatki, rozkłady vonRównoważne odkształcenie plastyczne MISE, równoważne naprężenie von Misesa i temperatura cięcia, profil naprężenia kontaktowego na interfejsie narzędzi i siły tnące.

Prędkość cięcia dla wszystkich czterech przypadków ma być4,064 m/s. Jako podstawę porównania, przypadek płaskiej twarzy jest najpierw symulowany, a uzyskane siły tnące są porównywane i weryfikowane przez dane eksperymentalne zgłoszone w [15]. Następnie efekty zużycia krateru sąbadane przy wszystkich innych warunkach pozostających niezmienionych.

Zasadniczo narzędzie tnące powinno kontynuować poruszanie się w odległości co najmniej 20-krotność głębokości cięcia, aby zapewnić osiągnięcie tworzenia chipów w stanie ustalonym [18]. W konsekwencji w każdym przypadku w tym badaniu, narzędzie przeszłonajmniej 2 mm w zalecanych warunkach cięcia w kierunku miejsca docelowego. Aby ukończyć każdą symulację, potrzebny jest około 2,5 godziny czasu procesora Sun (Ultra Sparc-III 440 MHz).gdzie σ22 jest komponentem naprężenia normalnego w kierunku 2 (pionowym) w określonym punkcie, τ21 naprężenie ścinające w kierunku 1 (poziomym) w tym samym punkcie, a σf i τf są odpowiednio normą awarii i ścinania ścinaniastresuje się materiału obrabianego. Początkowo związane węzły oddzielają się, gdy f = 1 士! Jeśli, gdzie! Jeśli jest daną tolerancję. Symulacje próby i błędów są ogólnie potrzebne do określenia pozycji, w której oceniane są naprężenia.

Wygodne jest przyjmowanie końcówki pęknięcia, ponieważ ten punkt, a zachowanie oddzielające okazuje się dość zadowalające.

Obudowa z płaskim narzędziem

Zdeformowana siatka pokazano na ryc. 4. Na tym rysunku i kolejnych rysunkach współczynnik powiększenia jest ustawiony na 3,5, chyba że wskazano inaczej. Należy zauważyć, że początkowo pierwiastki do tyłu stają się z grubsza prostopadłedo twarzy grabie po przejściu przez pierwotną strefę ścinania. Wzrost wysokości i spadek szerokości elementów powodują wyższą grubość wiórów niż głębokość cięcia.

Ryc. 4. Deformowana siatka (przypadek 1: narzędzie płaskie).

Dolna warstwa elementów doświadcza ścinania w strefie pierwotnej, przesuwa się wzdłuż twarzy grabie i przechyla się do przodu, po czym sprowadza się z powierzchni. Dwie najwyższe warstwy elementów obrabianej części pozostają nachyloneNarzędzie odniosło się daleko. W związku z tym w obrabiarce generowane są resztkowe szczepy i naprężenia po obróbce.

Ryc. 5 wskazuje rozkład równoznacznego odkształcenia plastycznego von Misesa. Najwyraźniej deformacja plastyczna w pierwotnej strefie ścinania zaczyna się od dolnej granicy i wzrasta, gdy materiał porusza się w kierunku górnej granicytej strefy. Dlatego zamiast płaszczyzny ścinającej przewidywanej przez klasyczną ortogonalną teorię cięcia [27], pierwotna strefa ścinania dla tego przypadku rozszerza się, gdy rozciąga się od końcówki narzędzia do wolnej powierzchni układu. Kąt ścinaniaUzyskane eksperymentalnie na podstawie klasycznej teorii cięcia metalu wynosi 22 ° [15]. Oczywiście ta płaszczyzna ścinania (z kąta ścinającym 22 °) znajduje się w pierwotnej strefie ścinania, której kąt ścinania waha się od 14 do 23 °. To jestWidząc, że istnieje zauważalny gradient odkształcenia od dołu do górnej części układu, z maksymalną wartością odkształcenia na dole. Jest to fizycznie rozsądne, ponieważ elementy w dolnej warstwie przeszły przezPierwotna strefa ścinania i oddziałują z twarzą rake przez tarcie. Kontrola z ryc. 5 pokazuje również, że wielkość resztkowego odkształcenia plastycznego na powierzchni i poniżej powierzchni jest w tej samej kolejności, co na dolnej częściGranica pierwotnej strefy ścinania.

Rozkład równoważnego naprężenia von Mises pokazano na ryc. 6. Należy zauważyć, że szczyt konturu naprężenia von Mises zawiera środkowy region pierwotnej strefy ścinania, z jego wzorem bardzo podobnym do rozkładu von MisesRównoważne odkształcenie plastyczne pokazane na ryc. 5. Wielkość naprężenia równoważnego w wtórnej strefie ścinania jest niższa niż w pierwotnej strefie ścinania ze względu na efekt zmiękczania

Ryc. 5. Kontury równoważnego odkształcenia plastycznego von Misesa (obudowa 1: narzędzie płaskie).

Ryc. 6. Kontury równoważnego naprężenia von Misesa (przypadek 1: narzędzie płaskie).

Temperatura cięcia. Ważne jest również, aby zauważyć pojawienie się resztkowego równoważnego naprężenia poniżej obrabianej powierzchni i na wolnej powierzchni układu (patrz ryc. 6).

Ryc. 7 pokazuje rozkład temperatury cięcia. Wzrost temperatury zaczyna się w dolnej granicy pierwotnej strefy ścinania i trwa w chipstrefy ścinania. Przewodnictwo stanowi to zjawisko. Ponadto ciepło generowane przez interakcję tarcia między narzędziem a chipem również przyczynia się do wzrostu temperatury. Dlatego najwyższa temperatura występujeInterfejs Chip narzędzi. Warto zauważyć, że w chipie istnieje znaczący gradient temperatury, podobny do równoważnego gradientu odkształcenia plastycznego pokazanego na ryc. 5.

Ryc. 8 pokazuje profil naprężeń kontaktowych normalnych i ścinających rozłożonych wzdłuż powierzchni zboczu. Wielkość normalnego naprężenia, która jest ściskająca, pokazano na ryc. 8. Dotyczy to kolejnych opisanych liczb, które opisująSkontaktuj się z profilem stresu. Elementy powierzchniowe są ponumerowane w kolejności rosnącej od końcówki narzędzia do końca długości styku, na której chip zaczyna zwinąć się od powierzchni narzędzia. Z ryc. 8 widać, że normalne naprężenieOsiąga najwyższą wartość w pobliżu końcówki narzędzia, gwałtownie obniża się w trzecim elemencie, stopniowo spada przez element nr. 22 i wreszcie gwałtownie zeskakuje na koniec kontaktu. Zjawisko zsuwającego się jest wyraźnie zbierane naKrzywa naprężenia ścinającego: Wartość naprężenia ścinającego pozostaje stała w obszarze w pobliżu końcówki narzędzia (tj. Obszaru przyklejania) i proporcjonalnego do normalnego naprężenia w pozostałej strefie kontaktu (tj. Obszaru przesuwnego). TakiProfil jest zgodny z obserwacjami eksperymentalnymi Usui i Takeyama [21].

Ryc. 9 pokazuje porównanie symulowanych i eksperymentalnie uzyskanych sił tnąca. Symulowana siła przecięcia (FCS) i siła zasilająca (FTS) oczywiście osiągnęły swoje wartości stanu ustalonego po przeniesieniu narzędzia przez około 1,2MM, który jest około 24 razy większy niż głębokość cięcia. Tylko dane eksperymentalne w stanie ustalonym dla siły tnącej (FCE) i siły zasilającej (FTE) podano w [15], które pokazano również na ryc. 9. Odpuszczenie wartości siły siłyjest

Ryc. 7. Kontury temperatury cięcia (Przypadek 1: Płaskie narzędzie).

Ryc. 8. Rozkłady komponentów naprężenia kontaktowego na interfejsie Chip narzędzi (przypadek 1: narzędzie płaskie).

przypisywane zwolnieniu siły wiązania dwóch początkowo związanych węzłów podczas Debond. Zarówno FC, jak i FTS wykazują początkowy gwałtowny wzrost. Wynika to z początkowego kontaktu między twarzą narzędzia a początkowo domniemanym układem. OniZacznij rosnąć stopniowo, gdy nowy układ zaczyna się tworzyć. Porównanie sił cięcia i zasilających uzyskanych z symulacji i eksperymentów wykazuje dobrą zgodność. To weryfikuje obecny model elementu skończonego, który będzieZastosowano do symulacji pozostałych trzech przypadków za pomocą narzędzi kraterowych wymienionych w tabeli 2 w poniższych sekcjach.

Obudowa z kraterowym narzędziem o km/2

Aby ujawnić efekt pierwszego rodzaju zużycia krateru (przypadek 2 w tabeli 2) na proces cięcia, narzędzie kraterowe, z kraterą rozpoczynającym się na narzędziu, jest stosowane zamiast narzędzia AT do przeprowadzenia symulacji. Ten sam zestawReprezentatywne wyniki, jak pokazano na ryc. 10-15, są uzyskiwane i porównywane z tymi omówionymi w poprzedniej części.

Jak pokazano na ryc. 10, obecność krateru ma znaczącą pozycję w tworzeniu chipów. Wiodąca krawędź krateru faktycznie zwiększa kąt grabiemateriał do wnęki, a tym samym zmniejszenie ścinania doświadczania przez materiał w pierwotnej strefie ścinania. Czystość grubości wiórów niż na ryc. 4 powstaje w wyniku zmniejszonego ścinania w pierwotnej strefie ścinania. ZdeformowaneMateriał jest ściśle zgodny z powierzchnią krateru. Zauważono, że dolna warstwa układu układu nie odwraca ich orientacji, dopóki nie zbliży się do krawędzi krateru, która hamuje przepływ materiału w górę iZapobiega ślizganiu się chipu wzdłuż następnej płaskiej twarzy. Jako taka, krawędź krateru wleczonego musi znosić bardzo wysoką kompresję, co może powodować przyklejenie, a zatem wtórna strefa ścinania powstaje w pobliżu tej krawędzi. TenMożna potwierdzić, odnosząc się do ryc. 11, gdzie najwyższy równoważny kontur odkształcenia plastycznego von Mises zaczyna się obok krawędzi krateru wyleczonego, a dolna kontur odkształcenia istnieje w materiale w kontakcie z dolną częściąkrater. Kontrola z ryc. 11 wskazuje, że równoważne odkształcenie plastyczne von Mises w pierwotnej strefie ścinania jest niższe, a głębokość resztkowej strefy odkształcenia plastycznego poniżej obrabionej powierzchni jest mniejsza w porównaniu z tymi w tychRyc. 5.

Ryc. 9. Siły tnące w porównaniu do przemieszczenia narzędzia (przypadek 1: narzędzie płaskie).

Ryc. 10. Deformowana siatka (przypadek 2: narzędzie kraterowe).

Ryc. 11. Kontury równoważnego odkształcenia plastycznego von Misesa (przypadek 2: narzędzie kraterowe).

Ryc. 12. Kontury równoważnego naprężenia von Misesa (przypadek 2: narzędzie kraterowe).

Ryc. 13. Kontury temperatury cięcia (przypadek 2: narzędzie kraterowe).

Ryc. 14. Rozkłady komponentów naprężenia kontaktowego na interfejsie Chip narzędzi (przypadek 2: narzędzie kraterowe).

Ryc. 12 pokazuje kontury równoważnego naprężenia von Misesa. Istnieje uderzająca różnica w rozmieszczeniu najwyższego naprężenia von Mises podczas porównywania ryc. 6 i 12. zamiast mieszkać tylko w środkowym regionie pierwotnymStrefa ścinania na ryc. 6, najwyższy kontur naprężenia Von Misesa na ryc. 12 obejmuje większy obszar, rozciągający się od prawie całej powierzchni zatrzymującej krater do wolnej powierzchni układu. Wymuszone zwijanie chipu na spółce

Ryc. 15. Siły tnące w porównaniu do przemieszczenia narzędzia (przypadek 2: narzędzie kraterowe).

Ryc. 13 pokazuje podniesiony środek najwyższego konturu temperatury cięcia, z którego pochodzi wybitny gradient. Miejsce tego centrum odpowiada lokalizacji krawędzi krateru, ponieważ plastik i tarcia pracujątenPowierzchnia krateru osiąga maksimum w wtórnej strefie ścinania znajdującej się w pobliżu krawędzi spływu.

Profil komponentów naprężenia kontaktowego na interfejsie układu narzędzi, jak pokazano na ryc. 14, zawiera bezpośrednie informacje na temat mechanicznej interakcji między dnem układu a powierzchnią krateru. Występuje gwałtowny spadek normystres wokół krawędzi krateru (w pobliżu elementu 3), a następnie normalne naprężenie stale rośnie do spustoszeniaEdge, gdzie wartość naprężenia jest około trzy razy większa niż ta na krawędzi wiodącą. W rzeczywistości wynika z ryc. 14Krawędź końcowa odgrywa znacznie ważniejszą rolę we wspieraniu układu niż pozostała część krateru. Większość dna chipów, która jest w kontakcie z powierzchnią krateru, pozostaje pod warunkiem przyklejania (tj.ze stałym naprężeniem ścinającym). Bardzo intensywne obciążenia mechaniczne i termiczne działające na krawędzi spływu zniknąTa krawędź szybko i przyspiesza wzrost krateru w górnym kierunku.

Ryc. 15 pokazuje siły cięcia (FC) i Feed (Ft), które są o około 100 N mniejsze w porównaniu z tymi na ryc. 9. Jest to spowodowane znacznym zmniejszeniem długości kontaktu, tj. Połowa tego dla przypadku dla przypadku 1, chociaż szczytStres normalny na ryc. 14 jest wyższy niż na ryc. 8.

Przypadki z kraterowym narzędziem o KB ＞ km/2

W tym podrozdziale badany jest wpływ drugiego rodzaju zużycia krateru (przypadki 3 i 4 w tabeli 2) na proces cięcia metalu. Różni się od pierwszego typu (przypadek 2), ten typ kratera lokalizuje się w odległości od cięciaEdge, tj. Krater pozostaje między dwoma segmentami twarzy AT.

Dlatego kąt grabieży w pobliżu końcówki narzędzia jest taki sam jak w przypadku płaskiego narzędzia (przypadek 1). Symulowane są dwa przypadki (tj. Przypadki 3 i 4) w celu zbadania skutków różnych parametrów krateru. W przypadku 3 głębokośćKT i szerokość 2 (km-kb) krateru (patrz ryc. 2) są mniejsze niż w przypadku 4, podczas gdy zakłada się, że odległość od końcówki narzędzia do krawędzi krateru jest taka sama dla dwóch przypadków. KT jest również taki sam w przypadku 2 iPrzypadek 4 (patrz Tabela 2). Reprezentatywne wyniki pokazano na ryc. 16-21 dla przypadku 3 i na ryc. 22-27 W przypadku 4. Poniżej wyniki przypadków 3 i 4 są najpierw porównywane z wynikami przypadków 1 i 2. Następnie porównywane są przypadki 3 i 4do siebie, aby zilustrować ich różnice i podobieństwa.

W porównaniu z tymi pokazanymi na ryc. 4 i 10, zdeformowane siatki na ryc. 16 i 22 pokazują, że układy utworzone z kraterowym narzędziem drugiego typu są cieńsze, a elementy w dolnych warstwaZniekształce i odwracają swoje orientacje dopiero po wyjściu daleko poza strefę kontaktową, a bardzo niewielkie odkształcenie resztkowe (plastikowe) występuje poniżej obrabianej powierzchni. Obecność krateru ogranicza kontakt między narzędziema chip i poprawia zwijanie. Fig. 17 i 23 wskazują, że kontur najwyższego równoważnego odkształcenia plastycznego w dowolnym przypadku 3 lub 4, znajdującym się na dole układu, zaczyna się od końcówki narzędziowej, która jest podobna do obudowy1 (ryc. 5), ale różni się od przypadku 2 (ryc. 11). Maksymalne wartości równoważnego odkształcenia plastycznego tutaj w przypadkach 3 i 4 są wyższe niż w przypadkach 1 i 2, co oznacza bardziej intensywne odkształcenia występujące w ścinaniu wtórnymstrefy w dwóch poprzednich przypadkach. Resztkowe odkształcenie poniżej obrabianej powierzchni jest nie można zaobserwować. Kontury naprężenia równoważnego von Misesa, jak pokazano na ryc. 18 i 24, ujawniają rozkład naprężenia pośrednio między tymNa ryc. 6 i ten na ryc. 12. Kontury o najwyższym równoważnym koncentratu naprężeń w środkowym regionie pierwotnej strefy ścinania, podczas gdy kontury z drugim najwyższym naprężeniem równoważnym są rozmieszczone na większym obszarze,rozciągając się wzdłuż

Ryc. 16. Deformowana siatka (współczynnik powiększenia: 6) (przypadek 3: narzędzie kraterowe).

Ryc. 17. Kontury równoważnego odkształcenia plastycznego von Misesa (przypadek 3: narzędzie kraterowe).

Ryc. 18. Kontury równoważnego naprężenia von Misesa (przypadek 3: narzędzie kraterowe).

Pierwotna strefa ścinania i od prostego odcinka narzędzia twarzą do powierzchni wolnego układu. Rozkład temperatury cięcia pokazano na ryc. 19 i 25. W przypadku 3 lub 4 szerokość konturu o najwyższymTemperatura jest znacznie mniejsza niż w przypadku 1 (ryc. 7). Ten kontur kontur koncentruje się na krawędzi krateru w obu przypadkach 3 i 4, w przeciwieństwie do centrowania na krawędzi krateru w przypadku 2 (ryc. 13). Badanie ryc. 20a 26 pokazuje, że w rozkładach naprężeń kontaktowych występują nieciągłości. Jest to spowodowane zlokalizowaną utratą zgodności między narzędziem

Ryc. 19. Kontury temperatury cięcia (przypadek 3: narzędzie kraterowe).

Ryc. 20. Siły tnące w porównaniu do przemieszczenia narzędzia (przypadek 3: narzędzie kraterowe).

Ryc. 21. Rozkłady komponentów naprężenia kontaktowego na interfejsie Chip narzędzi (przypadek 3: narzędzie kraterowe).

FACEADTHECHIPDUETOTOTOTONON-gimnazjowe tematy krawędzi kraterowych i płaskich segmentów narzędzi. W porównaniu z przypadkiem 2 (patrz ryc. 14), większe naprężenie normalne szczytowe występuje w przypadku 4 (ryc. 26) na krawędzi przednich krateruodpowiadający umiejscowieniu najwyższych temperatur. Zamiast wyraźnego trendu szybkiego wzrostu krateru w kierunku w górę (tj. Na krawędzi końcowej) w przypadku 2, tutaj, w przypadku 4 przedwcześnie najdrobniejsza jest najbardziej podatna na zużycie.

Zarówno siły cięcia, jak i paszowe w przypadkach 3

Ryc. 22. Deforma ED (współczynnik powiększenia: 6) (przypadek 4: narzędzie kraterowe).

Ryc. 23. Kontury równoważnego odkształcenia plastycznego von Misesa (przypadek 4: narzędzie kraterowe).

Ryc. 24. Kontury równoważnego naprężenia von Misesa (przypadek 4: narzędzie kraterowe).

Ryc. 25. Kontury temperatury cięcia (przypadek 4: narzędzie kraterowe).

Ryc. 26. Siły tnące w porównaniu do przemieszczenia narzędzia (przypadek 4: narzędzie kraterowe).

Ryc. 27. Siły tnące w porównaniu do przemieszczenia narzędzia (przypadek 4: narzędzie kraterowe).

i 4, jak pokazano na ryc. 21 i 27, są mniejsze niż te w przypadku 2 (ryc. 15), ponieważ mniejsza ilość układu jest w intymnym kontakcie z twarzą narzędzia.

Z ryc. 16 (przypadek 3) obserwuje się, że chip ślizga sięnad kraterem bez dotykania powierzchni krateru z powodu niewielkiego rozmiaru krateru. Sytuacja jest oczywiście inna, gdy wzrasta głębokość i szerokość krateru, jak pokazano na ryc. 22 (przypadek 4). W przypadku 4 materiały się zmieniado krateru w wiodącym rogu i jest zmuszony zwinąć się na krawędzi po przesunięciu wzdłuż całej powierzchni krateru. Stopniowe nachylenie w górnej części krateru powoduje mniejsze zwijanie się niż w przypadku 3 (ryc. 16).

Rozkłady równoważnego odkształcenia plastycznego są dość podobne w przypadkach 3 i 4, jak pokazano na ryc. 17 i 23. Jednak największy równoważny odkształcenie plastyczne w przypadku 4 jest większe, ponieważ w tym przypadku układ musi się odwrócićOstry narożnik przed wejściem do krateru. Niewielką różnicę między rozkładem równoważnego naprężenia von Misesa w przypadkach 3 i 4 (patrz ryc. 18 i 24) można przypisać promieniom zwijania układów. Mniejszy zwijaniePromień prowadzi do większej kompresji skoncentrowanej na górnym rogu pierwotnej strefy ścinania, jak pokazano na ryc. 18 (przypadek 3). Należy zauważyć, że najwyższy kontur temperatury w przypadku 3 obejmuje region od końcówki narzędzia doKrawędź krateru, jak pokazano na ryc. 19, podczas gdy w przypadku 4 najwyższe centra konturu temperatury na krawędzi wiodącej, jak pokazano na ryc. 25. Również szczytowe naprężenie normalne występuje w krawędzi wybiegającej w przypadku 3, jak pokazany wRyc. 20, podczas gdy w przypadku 4 (ryc. 26) szczytowe naprężenie normalne jest osiągane na krawędzi wiodącym. Działania mechaniczne i termiczne spowodują szybsze rozwój krateru w górnym kierunku (tj. Na krawędzi końcowej) wPrzypadek 3, ale w dolnym kierunku (tj. Na krawędzi wiodącym) w przypadku 4. Na koniec należy zauważyć, że normalne naprężenie na krawędzi wiodącym jest również wysokie w przypadku 3 (ryc. 20), co oznacza, że ​​The the the the the the the the there implikuje, że Krater również wzrośniezasadniczo w dolnym kierunku, chociaż wskaźnik rosnący może być mniejszy niż na krawędzi końcowej.

Wnioski

Opracowany jest w pełni sprzężony model termomechaniczny elementów skończonych w celu symulacji ortogonalnego procesu cięcia metali, z naciskiem na skutki geometrycznych zmian powierzchni zboczu narzędzia. Na podstawie wyników symulacji iPrzedstawione analizy można wyciągnąć następujące wnioski:

Ten model może dobrze opisać główne cechy ortogonalnego procesu cięcia metali. W przypadku płaskiego narzędzia symulowane siły cięcia i zasilające są dobrze zgodne z danymi uzyskanymi eksperymentalnie [15], które weryfikująobecny model.

Obecność krateru na narzędziu do twarzy ma znaczący wpływ na proces cięcia.

Gdy stosuje się narzędzia tnące z kratery, które są różne, ale te same w głębokości, w ich reprezentatywnych wynikach występuje znacząca rozbieżność.

Porównanie przypadków 3 i 4 pokazuje, że wielkość krateru ma uderzający wpływ na proces cięcia, szczególnie na rozkłady naprężeń kontaktowych z chipem narzędzi i tworzenia chipów. Im większy jest rozmiar krateru, tymWiększy wynikowy promień zwijania.