Un modello a elemento finito di taglio metallico ad alta velocità con taglio adiabatico (2)

Tecnica di separazione dei nodi

Come primo metodo abbiamo scelto una linea di separazione predefinita. Questa tecnica è stata utilizzata da molti autori in precedenza, ad es. [13,18,22,27].

È importante garantire il corretto posizionamento verticale della linea rispetto allo strumento. Questo può essere fatto confrontando i ceppi di plastica nella simulazione con i ceppi di plastica misurati sperimentalmente. Per questo viene utilizzato un campione diviso, dove una griglia viene secca nelle superfici interne. La deformazione di questa griglia può quindi essere misurata con un metodo ottico e può essere confrontata con i valori di simulazione.

Nella simulazione i nodi lungo la linea di separazione sono vincolati per avere inizialmente gradi di libertà identici. Se viene raggiunta una distanza critica dalla punta dell'utensile, i nodi sono separati. È stato dimostrato in [13] che questo metodo non è molto sensibile ai dettagli del processo di razione sepa. Sarebbe preferibile un criterio a base fisica, ma un tale criterio non è disponibile alle alte velocità di taglio studiate qui. Inoltre, la separazione dei materiali sarà più Probabilmente si verificano direttamente di fronte alla punta dello strumento (anche se è difficile dimostrarlo), in modo che qualsiasi criterio fisico in sostanza riflettesse questo fatto e porti anche a una separazione dei materiali abbastanza vicini alla punta dello strumento.

A causa dell'avanzamento dello strumento, il materiale davanti alla punta dell'utensile può essere danneggiato, in modo che un nodo che deve essere separato si trovi sopra la punta dell'utensile. Se ciò accade, questo nodo contatterebbe la superficie del rastrello dello strumento e dopo la separazione dei nodi, entrambi si muovevano verso l'alto nella direzione del flusso del chip, anziché un nodo che si muove sotto la faccia del fianco, se necessario per la corretta separazione dei materiali. Un problema simile può verificarsi con un nodo del chip dopo la separazione: se Questo nodo è molto vicino alla punta dell'utensile, la forza risultante su questo nodo è diretta verso il basso, in modo che il nodo non si muova nella direzione del flusso del chip (vedi Fig. 7 (a)). In questo caso la mesh è gravemente deformata localmente e La convergenza dell'iterazione è difficile.

Questo problema può essere alleviato se vengono introdotte due superfici ausiliarie con tatto come mostrato in Fig. 7 (b). Queste superfici trasportano i nodi sullo strumento. Poiché influenzano solo una regione molto piccola (di solito un solo nodo è in contatto con Queste superfici), l'errore da esse introdotto è paragonabile all'errore di discretizzazione complessivo. Solo nel calcolo della forza di taglio totale devono essere presi in considerazione, poiché ovviamente faranno parte del carico generale dello strumento.

La tecnica di separazione dei nodi nella forma qui descritta introduce due errori: la linea di separazione del materiale viene prescritta e le superfici ausiliarie causano una forza aggiuntiva che separa il chip e il pezzo. Per controllare L'influenza di questi errori, è stata implementata una seconda tecnica.

Pura tecnica di deformazione

È anche possibile simulare il processo di taglio del metallo senza separazione dei nodi. Invece, può essere considerato come un processo di deformazione [21]. Man mano che lo strumento avanza, tutti i nodi si muovono sulla superficie dello strumento e gli elementi possono deformarsi fortemente (Vedi Fig. 8). Il materiale che si sovrappone allo strumento può essere rimosso durante un passaggio di rimessa. È necessaria una rimessa frequente in modo che la quantità di materiale rimossa rimanga piccola. Il caso mostrato utilizza uno strumento infinitamente affilato, che è Il caso peggiore come strumento con un bordo arrotondato porterà a meno materiali che penetrano nello strumento. Per la simulazione qui descritta, la remeshing è stata eseguita dopo una penetrazione dello strumento di 2: 5 LM. Il materiale rimosso corrisponde a un piccolo striscia di circa 1 lm di spessore davanti alla punta dell'utensile.

Questo semplice approccio ha il vantaggio di essere più facilmente, poiché non si verificano discontinuità (come nel caso in cui una coppia di nodi si separa). Il secondo vantaggio è che non viene prescritta nessuna linea di separazione dei materiali; invece lo è Possibile per il materiale che giace sotto una linea orizzontale attraverso la punta dell'utensile da deformarsi e spostarsi nella regione del chip. Dopo un passaggio di rimessa, rimarrà in questa regione. Quindi uno dei problemi principali con la separazione del nodo La tecnica è alleviata.

Fig. 7.

(a) Movimento di un nodo del chip "catturato" tra strumento e pezzo. Il movimento del nodo non è nella direzione del flusso del materiale, portando a problemi di convergenza.

(b) Le superfici di contatto ausiliari conducono i nodi nel direzione corretta. La superficie 1 agisce sui nodi nel chip, superficie 2 su quelli del pezzo.

Fig. 8. Separazione del materiale senza separazione dei nodi: (a) prima di rimessa; (b) Dopo la rimessa. In questa tecnica, i nodi sulla superficie si muovono sulla superficie senza separazione. Il materiale viene rimosso su ciascun passaggio di rimessa. Se la rimessa è Fatto frequentemente e la densità della rete è elevata, l'errore introdotto attraverso questa rimozione può essere mantenuto molto piccolo.

Poiché gli elementi vengono rimossi solo quando viene eseguita una rimessa, possono trasportare un carico tra lo strumento e il pezzo che non è fisico. Contrariamente al carico artificiale nella tecnica di separazione dei nodi, questo carico cerca di mantenere il chip e pezzo insieme e quindi ha un segno positivo.

L'uso di due criteri con effetti opposti consente quindi di studiare l'influenza del criterio di separazione. Se i risultati per una simulazione eseguiti con entrambi i metodi sono d'accordo, l'influenza della forza artificiale sul risultato deve essere trascurabile. Tali risultati saranno mostrati nella Sezione 4.2.

3.8. Raggiungere la convergenza

Per un algoritmo implicito, è importante garantire la convergenza con incrementi di tempo ragionevoli. In questa sezione, vengono descritte alcune ulteriori tecniche che aiutano a raggiungere la convergenza.

Il software ABAQUS utilizzato nella simulazione controlla la più grande forza residua e lo confronta con la forza media all'interno del modello al fine di testare la convergenza. Questo metodo non è appropriato per il processo di taglio dei metalli, come il La forza media nel modello è piccola composta alle forze massime che si verificano nella zona di taglio.

Questo criterio di convergenza standard è quindi troppo rigoroso. I controlli di convergenza devono essere adeguati in modo cordiale e il confronto deve essere effettuato a un valore tipico della forza all'interno della zona di taglio. Lo stesso vale per il Calcolo delle temperature e dei flussi di calore.

Si può garantire che questo criterio di convergenza sia abbastanza severo confrontando le correzioni calcolate con gli incrementi calcolati durante la procedura di iterazione e garantendo la loro piccolezza.

Dopo la rimessa, l'equilibrio della forza potrebbe non essere adempiuto a causa dell'interpolazione della deformazione e delle variabili dello stato materiale. Ciò può causare deformazioni iniziali e quindi portare a problemi di convergenza che ostacolano il Riavvio della simulazione. Per evitare questo, è stato introdotto smorzamento artificiale per il primo 5 × 10-11 s di una simulazione, in modo che questa deformazione sia tenuto piccolo. Questo smorzamento aggiunge una forza proporzionale alla velocità del nodo su ciascun nodo e quindi riduce le forti deformazioni iniziali. 3 È stato assicurato che la quantità di energia di smorzamento artificiale è inferiore allo 0,1% del totale lavoro, in modo che abbia un'influenza trascurabile sui risultati complessivi.

Formazione di chip di Ti6al4v

Parametri di processo e proprietà del materiale

La Fig. 9 mostra un chip segmentato prodotto a una velocità di taglio di 40 m/s, una profondità di taglio di 42 lm e un rastrello angolo di 0 ° sotto taglio discontinuo e ortogonale Condizioni come descritto in [10]. La forma del chip non dipende fortemente dai parametri di taglio. Diverso dall'esperimento, l'angolo di rastrello utilizzato nella simulazione era di solito 10 °, poiché hanno angoli di rastrello leggermente positivi un migliore comportamento di convergenza. Poiché qui non è stato aspirato alcun accordo quantitativo tra simulazione ed esperimento (a causa delle incertezze nelle curve di flusso di plastica, vedi sotto), questa differenza non è sostanziale.

Un parametro importante che entra nella simulazione è il coefficiente di attrito tra strumento e pezzo. Gli esperimenti portano alla conclusione che questo valore è piuttosto piccolo [11]. Poiché non è chiaro se l'attrito gioca un Ruolo importante per la formazione di bande di taglio, si presumeva che non si verifichi attrito nella simulazione. Anche il flusso di calore nello strumento è stato trascurato. Questa semplificazione non influenzerà fortemente il processo di formazione del chip, come termico conduttività di La lega di titanio è bassa, quindi il calore dalla superficie dell'utensile non si propone di cancellare lontano nel chip. L'aggiunta di attrito e flusso di calore nelle simulazioni successive consentirà di studiare l'influenza di

Fig. 9. Chip segmentato prodotto sperimentalmente. Le bande di taglio sono chiaramente contrassegnate da linee di incisione. Condizioni di taglio: velocità di taglio 40 ms, profondità di taglio 42 lm, angolo di rastrello 0 °.

questi effetti separatamente. Ciò è importante per una comprensione approfondita dell'influenza della diversa fenomica ENA sul processo di formazione del chip.

Le proprietà termiche della lega di titanio utilizzate sono state misurate dal Fraunhofer Institut Fu € r Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (comunicazione privata) in un intervallo di temperatura tra la stanza temperatura e 1200 ° C utilizzando un dispositivo laser-flash e un calorimetro di scansione differenziale. La conduttività della conduttività termica varia tra un valore di 6,8 W/m K a temperatura ambiente e 24,4 W/m K a 1185 ° C, il specifico Il calore è di 502 J/kg K a temperatura ambiente e 953 J/kg K a 890 ° C e il coefficiente di espansione termica è quasi costante ad un valore di 10-5 k-1.

La Fig. 10 mostra le curve di flusso di plastica utilizzate per le simulazione. I valori tra quelli indicati sono linearmente in terpolati. I valori per i ceppi fino a ～ 0,25 sono indicati da misurazioni di deformazione in plastica ad alta velocità [14] a velocità di deformazione di 3000 S-1; Per ceppi al di sopra di questo valore si presumeva che il materiale si ammorbidisse, come osservato per TI6al4V a velocità di deformazione più basse [8].

Questa Fig. 10. Curve di flusso di plastica utilizzate per la simulazione. Per i valori di deformazione superiori a 0,25, è stato assunto un ammorbidimento isotermico.

L'ammorbidimento è difficile da determinare negli esperimenti, poiché le bande di taglio si formano nei campioni di test e le misurazioni della deformazione complessiva del campione non sono quindi correlati bene con il vero comportamento del materiale. Il piuttosto forte L'ammorbidimento assunto qui è probabilmente irrealistico, tuttavia facilita la formazione di bande di taglio adiabatiche e quindi consente di studiare il processo di segnalazione più facilmente.

Con la legge materiale qui descritta, l'insuccesso di taglio strofico del materiale nella zona di taglio è causato semplicemente dall'eccesso di una deformazione critica. La larghezza della banda di taglio viene quindi determinata dalla dimensione dell'elemento, che ha stato scelto per produrre una larghezza della banda di taglio paragonabile a quella osservata negli esperimenti. Una legge materiale più realistica non userebbe alcuna forte ammorbidimento e farebbe invece affidamento sull'ammorbidimento termico per formare le fasce di taglio. Inoltre, Il rendimento dipendente dal tasso dovrebbe anche essere preso in considerazione. Con una tale legge materiale, la larghezza della banda di taglio sarebbe determinata dalla conduzione termica e sarebbe indipendente dalla densità della mesh. Come siamo principalmente interessati al Deformazione dei segmenti, l'approccio più semplice è stato utilizzato qui per risparmiare tempo al computer. Le simulazioni con una legge più realistica saranno fatte in futuro [6].

Anche la frazione di energia di deformazione plastica convertita in calore (coefficiente di Taylor -Quinney) è difficile da misurare. Un valore di 0,9 è stato utilizzato secondo [17].

Dettagli sulle simulazioni

Il numero di elementi nella simulazione è variabile in quanto aumenta con il numero di segmenti. Per la simulazione mostrata nella sezione successiva, all'inizio della simulazione sono stati usati circa 5000 elementi e 7000 nodi Elementi e 12.000 nodi vicino alla fine, dove devono essere mesh diversi segmenti. La lunghezza del bordo dell'elemento era di circa 0: 7 lm nella zona di taglio. Il tempo del computer necessario per questa simulazione ammontava a cinque giorni su una workstation HP C360.

Alcuni esempi di meshing possono essere visti in Fig. 11. 4

La simulazione a bassa velocità descritta nella Sezione 4.4 è stata eseguita con una densità di mesh ancora più fine con lunghezze dei bordi di circa 0: 3 lm nella direzione perpendicolare alla banda di taglio. Il numero di elementi era corrispondentemente più grande, con fino a 17.000 elementi usati.

La forte curvatura del chip porta a una penetrazione del chip nel materiale. Per evitare ciò, è stata introdotta una superficie di contatto ausiliaria che separa il chip dal materiale non tagliato. Questa superficie di contatto può essere visto come linea orizzontale in Fig. 11.

Fig. 11.

Meshe di elementi finiti utilizzati in diverse fasi del processo di taglio con formazione di chip segmentati. Nota il forte raffinamento nella zona di taglio e il grosso ingrossamento della mesh dei primi segmenti. Un ausiliario orientato orizzontale La superficie di contatto sopra il materiale non tagliato è mostrata come una linea.

Prima di interpretare i risultati della simulazione, deve essere studiata l'influenza della tecnica di separazione. La Fig. 12 mostra i chip prodotti con la separazione del nodo e la tecnica di deformazione pura a fasi temporali quasi identiche. 5 Le condizioni di taglio per entrambe le simulazioni.

Lo strumento è assunto come rigido, quindi il meshing dello strumento è irrilevante. È stato aggiunto per consentire la conduzione del calore e la deformazione dello strumento in una fase successiva della simulazione.

5 A causa del calcolo automatico degli incrementi del tempo, non è stato possibile scattare entrambe le immagini esattamente nel passaggio di Sametime.

Fig. 12. ceppi di plastica equivalenti in due simulazioni eseguite con le due diverse tecniche di separazione: (a) metodo di separazione del nodo; (b) Metodo di deformazione pura. La densità della rete in quest'ultima simulazione era leggermente più alta nel Zona di taglio, in modo che le bande di taglio siano più strette. L'accordo tra i modelli di deformazione è ancora ragionevolmente bene. Parametri di taglio: taglio della profondità 40 lm,Velocità di taglio 50 ms, angolo di rastrello 10 °.erano i seguenti: taglio della profondità di 40 lm, velocità di taglio 50 m/s, angolo di rastrello 10 °.

Si può vedere che la deformazione complessiva dei chip è molto simile. Anche i dettagli dei modelli di deformazione, come il grado di segmentazione (rapporto tra altezza minima e massima del chip) e la presenza di bande di taglio "split" Vicino alla punta dello strumento, concorda ragionevolmente bene in entrambe le simulazioni, sebbene si verifichino lievi differenze. Le bande di taglio sono più strette nella simulazione usando la tecnica di deformazione, ciò è dovuto al fatto che la densità della mesh era leggermente più alto lì.

La forza di taglio oscilla in entrambe le simulazioni, per la tecnica di separazione del nodo tra circa -20 e -42 n, per la tecnica di deformazione le forze sono leggermente più grande e si trova tra -23 e -45 N. Il motivo è la tensione del materiale che penetra leggermente nello strumento. Ci si può aspettare che l'accordo sarebbe ancora migliore se lo strumento non è infinitamente nitido. La frequenza delle oscillazioni (e quindi della formazione della banda di taglio) è la stessa in entrambi i casi.

I risultati di questo confronto mostrano che i modelli di deformazione concordano abbastanza bene. Le forze cambiano di circa il 10% tra le due tecniche, ma non sono troppo rilevanti per le indagini presentate di seguito. Tuttavia, un È necessario scegliere una forma di strumento migliorata per il modello di deformazione pura se devono essere fatte ricerche dettagliate sulla forza di taglio.

Un altro aspetto importante da studiare è la densità della mesh. La raffinazione della mesh porta ulteriormente a bande di taglio più strette nella simulazione, ma solo a piccole differenze nelle forze di taglio e nei modelli di deformazione risultanti (il grado di La segmentazione, ovvero il rapporto tra altezza del segmento massima e minima, aumenta leggermente e la larghezza della banda di taglio diminuisce). Da ciò si potrebbe concludere che la mesh usata non è abbastanza bene. Tuttavia, in quanto non esiste dipendente dal tasso L'indurimento e poiché le curve di flusso isotermico mostrano un massimo, non esiste un meccanismo per limitare il restringimento della fascia di taglio. Nelle condizioni utilizzate, ci si può aspettare che la banda di taglio diventasse singolare. Pertanto qualsiasi mesh utilizzata sarebbe Soffre di questo problema, che è dovuto alle ipotesi troppo semplificate sul comportamento plastico del materiale. La densità della mesh per le simulazioni mostrate di seguito è stata scelta in modo tale che la larghezza della banda di taglio sia d'accordo valori osservati sperimentalmente.