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Un modelo de elementos finitos de corte de metal de alta velocidad con corte adiabático (2)

Número Navegar:20     Autor:Editor del Sitio     publicar Tiempo: 2018-11-05      Origen:motorizado Su mensaje

  Técnica de separación de nodos.

  Como primer método hemos elegido una línea de separación predefinida. Esta técnica ha sido utilizada por muchos autores anteriormente, por ejemplo, [13,18,22,27].

  Es importante asegurar el correcto posicionamiento vertical de la línea con respecto a la herramienta. Esto se puede hacer comparando las deformaciones plásticas en la simulación con las deformaciones plásticas medidas experimentalmente. Para esto se utiliza un espécimen dividido,Donde una rejilla se entalla en las superficies internas. La deformación de esta rejilla se puede medir mediante un método óptico y se puede comparar con los valores de simulación.

  En la simulación, los nodos a lo largo de la línea de separación están obligados a tener grados de libertad idénticos al principio. Si se alcanza una distancia crítica a la punta de la herramienta, los nodos se separan. Se ha demostrado en [13] que este métodoNo es muy sensible a los detalles del proceso de separación. Sería preferible un criterio de base física, pero este criterio no está disponible a las altas velocidades de corte estudiadas aquí. Además la separación de materiales másprobablemente ocurra directamente en frente de la punta de la herramienta (aunque es difícil probarlo), por lo que cualquier criterio físico reflejaría en esencia este hecho y también conduciría a una separación de material bastante cercana a la punta de la herramienta.

  Debido al avance de la herramienta, el material que se encuentra delante de la punta de la herramienta puede estar dañado, de modo que un nodo que se va a separar se encuentre sobre la punta de la herramienta. Si esto sucede, este nodo entraría en contacto con la superficie del rastrillo de la herramienta y después de la separaciónDe los nodos, ambos se moverían hacia arriba en la dirección de flujo del chip, en lugar de un nodo moviéndose debajo de la cara del flanco, según sea necesario, para la correcta separación del material. Un problema similar puede ocurrir con un nodo del chip después de la separación: sieste nodo está muy cerca de la punta de la herramienta, la fuerza resultante en este nodo se dirige hacia abajo, de modo que el nodo no se mueve en la dirección del flujo del chip (consulte la Fig. 7 (a)). En este caso la malla está severamente deformada localmente yLa convergencia de la iteración es difícil.

Este problema se puede aliviar si se introducen dos superficies de contacto auxiliares como se muestra en la Fig. 7 (b). Estas superficies transportan los nodos hacia la herramienta. Como solo afectan a una región muy pequeña (generalmente solo un nodo está en contacto conestas superficies), el error introducido por ellos es comparable al error de discretización general. Solo al calcular la fuerza de corte total se deben tener en cuenta, ya que, por supuesto, soportarán parte de la carga total de la herramienta.

  La técnica de separación de nodos en la forma descrita aquí introduce dos errores: la línea de separación de material está prescrita y las superficies auxiliares causan una fuerza adicional que separa el chip y la pieza de trabajo. Para comprobarLa influencia de estos errores, una segunda técnica ha sido implementada.

  Técnica de deformación pura.

  También es posible simular el proceso de corte de metal sin separación de nodos. En cambio, puede considerarse como un proceso de deformación [21]. A medida que la herramienta avanza, todos los nodos se mueven sobre la superficie de la herramienta y los elementos pueden deformarse fuertemente(ver fig. 8). El material que se superpone con la herramienta se puede quitar durante un paso de remeshing. Es necesario realizar revisiones frecuentes para que la cantidad de material eliminado permanezca pequeña. El caso mostrado utiliza una herramienta infinitamente afilada, que esEl peor de los casos como herramienta con un borde redondeado dará lugar a que penetre menos material en la herramienta. Para la simulación descrita aquí, se realizó una revisión después de una penetración de la herramienta de 2: 5 lm. El material eliminado corresponde a una pequeñaTira de aproximadamente 1 l de espesor delante de la punta de la herramienta.

  Este enfoque simple tiene la ventaja de que se congrece más fácilmente, ya que no se producen discontinuidades (como es el caso cuando un par de nodos se separa). La segunda ventaja es que no se prescribe ninguna línea de separación de material; en cambio eses posible que el material que se encuentra debajo de una línea horizontal a través de la punta de la herramienta se deforme y se mueva hacia la región del chip. Después de un paso de revisión, se quedará en esta región. Así, uno de los principales problemas con la separación de nodos.Se alivia la técnica.

un elemento finito (1)

Fig. 7.

  (a) Movimiento de un nodo del chip "atrapado" entre la herramienta y la pieza de trabajo. El movimiento del nodo no está en la dirección del flujo de material, lo que lleva a problemas de convergencia.

  (b) Las superficies de contacto auxiliares conducen los nodos a ladirección correcta. La superficie 1 actúa en los nodos del chip, la superficie 2 en los de la pieza de trabajo.

un elemento finito (2)

  Fig. 8. Separación de material sin separación de nodos: (a) antes de la remezcla; (b) después de remezclar. En esta técnica, los nodos en la superficie se mueven en la superficie sin separación. El material se retira en cada paso de remingado. Si remeshing eshecho con frecuencia y la densidad de la malla es alta, el error introducido a través de esta eliminación puede mantenerse muy pequeño.

Como los elementos solo se eliminan cuando se realiza una remezcla, pueden llevar una carga entre la herramienta y la pieza de trabajo que no es física. Contrariamente a la carga artificial en la técnica de separación de nodos, esta carga intenta mantener el chip ypieza de trabajo juntos y por lo tanto tiene un signo opuesto.

  El uso de dos criterios con efectos opuestos permite estudiar la influencia del criterio de separación. Si los resultados de una simulación realizada con ambos métodos concuerdan, la influencia de la fuerza artificial en el resultado debe serdespreciable. Tales resultados se mostrarán en la Sección 4.2.

3.8. Logrando convergencia

  Para un algoritmo implícito, es importante asegurar la convergencia con incrementos de tiempo razonables. En esta sección, se describen algunas técnicas adicionales que ayudan a lograr la convergencia.

  El software ABAQUS utilizado en la simulación verifica la mayor fuerza residual y la compara con la fuerza promedio dentro del modelo para probar la convergencia. Este método no es apropiado para el proceso de corte de metal, ya que elLa fuerza promedio en el modelo es pequeña comparada con las fuerzas máximas que ocurren en la zona de corte.

  Este criterio de convergencia estándar es por lo tanto demasiado estricto. Los controles de convergencia deben ajustarse adecuadamente y se debe hacer una comparación con un valor típico de la fuerza dentro de la zona de corte. Lo mismo se aplica para elCálculo de temperaturas y flujos de calor.

  Se puede asegurar que este criterio de convergencia sea lo suficientemente estricto comparando las correcciones calculadas con los incrementos calculados durante el procedimiento de iteración y asegurando su pequeñez.

  Después de la revisión, el equilibrio de fuerzas puede no cumplirse debido a la interpolación de la deformación y las variables de estado del material. Esto puede causar deformaciones iniciales y, por lo tanto, conducir a problemas de convergencia que dificultan lareinicio de simulación. Para evitar esto, se ha introducido un humedecimiento artificial por primera vez.5 × 10-11 s de una simulación, por lo que esta deformación esmantenido pequeño Esta amortiguación agrega una fuerza proporcional a la velocidad del nodo en cada nodo y por lo tanto reduce las deformaciones iniciales fuertes. 3 Se ha asegurado que la cantidad de energía de amortiguación artificial sea inferior al 0.1% del total.trabajo, por lo que tiene una influencia insignificante en los resultados generales.

  Formación de viruta de Ti6Al4V

  Parámetros de proceso y propiedades del material.

  La figura 9 muestra un chip segmentado producido a una velocidad de corte de 40 m / s, una profundidad de corte de 42 lm y un rastrilloÁngulo de 0 ° bajo corte discontinuo, ortogonal.condiciones descritas en [10]. La forma del chip no depende fuertemente de los parámetros de corte. A diferencia del experimento, el ángulo de inclinación utilizado en la simulación fue generalmente de 10 °, ya que los ángulos de inclinación ligeramente positivos tienenUn mejor comportamiento de convergencia. Como aquí no se aspiró a un acuerdo cuantitativo entre la simulación y el experimento (debido a las incertidumbres en las curvas de flujo de plástico, ver a continuación), esta diferencia no es sustancial.

Un parámetro importante que entra en la simulación es el coeficiente de fricción entre la herramienta y la pieza de trabajo. Los experimentos llevan a la conclusión de que este valor es bastante pequeño [11]. Como no está claro si la fricción juega unimportante papel para la formación de bandas de corte, se asumió que no se produce fricción en la simulación. El flujo de calor en la herramienta también fue descuidado. Esta simplificación no influirá fuertemente en el proceso de formación de viruta, ya queconductividad de La aleación de titanio es baja, por lo que el calor de la superficie de la herramienta no se propiciará en el chip. Agregar fricción y flujo de calor en simulaciones posteriores permitirá estudiar la influencia de

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Fig. 9.Chip segmentado producido experimentalmente. Las bandas de corte están claramente marcadas por líneas de grabado. Condiciones de corte: velocidad de corte 40 ms, profundidad de corte 42 lm, ángulo de inclinación 0 °.

estos efectos por separado. Esto es importante para una comprensión profunda de la influencia de los diferentes fenómenos en el proceso de formación de chips.

Las propiedades térmicas de la aleación de titanio utilizada han sido medidas por el Fraunhofer Institut fu € r Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (comunicación privada) en un rango de temperatura entre habitacionestemperatura y 1200 ° C usando un dispositivo de flash láser yUn calorímetro diferencial de barrido. La conductividad térmica varía entre un valor de 6.8 W / m K a temperatura ambiente y 24.4 W / m K a 1185 ° C, el específicoel calor es 502 J / kg K a temperatura ambiente y 953 J / kg K a 890 ° C, y el coeficiente de expansión térmica es casi constante en un valor de 10-5 K-1.

  La figura 10 muestra las curvas de flujo de plástico utilizadas para lasimulación. Los valores entre los dados están linealmente en terpolados. Los valores para deformaciones de hasta ~ 0,25 se obtienen mediante mediciones de deformación plástica de alta velocidad.[14] a tasas de deformación de 3000 s-1; para cepas por encima de este valor, se asumió que el material se ablandará, como se observó para Ti6Al4V a tasas de tensión más bajas [8].

un elemento finito (4)

  Esta Fig. 10. Curvas de flujo de plástico utilizadas para la simulación. Para valores de tensión superiores a 0,25, se asumió un ablandamiento isotérmico.

  El ablandamiento es difícil de determinar en los experimentos, ya que las bandas de corte se forman en las muestras de prueba y las mediciones de la deformación general de la muestra, por lo tanto, no se correlacionan bien con el verdadero comportamiento del material. El bastante fuerteel ablandamiento que se asume aquí es probablemente poco realista, sin embargo, facilita la formación de bandas de corte adiabáticas y, por lo tanto, permite estudiar el proceso de segmentación más fácilmente.

  Con la ley de materiales descrita aquí, la falla de cizallamiento estrófico del material en la zona de cizallamiento es causada simplemente por el exceso de una tensión crítica. El ancho de la banda de corte se determina entonces por el tamaño del elemento, que tienesido elegido para producir un ancho de banda de corte comparable al que se observa en los experimentos. Una ley de materiales más realista no usaría un fuerte ablandamiento por tensión y, en cambio, dependería del ablandamiento térmico para formar las bandas de corte. Adicionalmente,El rendimiento dependiente de la tasa también debe tenerse en cuenta. Con tal ley de materiales, el ancho de la banda de corte se determinaría por conducción térmica y sería independiente de la densidad de la malla. Como estamos principalmente interesados ​​en ella deformación de los segmentos, el enfoque más simple se ha utilizado aquí para ahorrar tiempo en la computadora. Las simulaciones con una ley más realista se harán en el futuro [6].

  La fracción de energía de deformación plástica convertida en calor (coeficiente de Taylor-Quinney) también es difícil de medir. Se ha utilizado un valor de 0,9 de acuerdo con [17].

  Detalles sobre las simulaciones.

  El número de elementos en la simulación es variable a medida que aumenta con el número de segmentos. Para la simulación que se muestra en la siguiente sección, se usaron alrededor de 5000 elementos y 7000 nodos al comienzo de la simulación y 10 000 nodos.Elementos y 12 000 nodos cerca del final, donde varios segmentos deben ser mallados. La longitud del borde del elemento era de aproximadamente 0: 7 lm en la zona de corte. El tiempo de computadora necesario para esta simulación ascendió a cinco días en una estación de trabajo HP C360.

  Algunos ejemplos de malla se pueden ver en la Fig. 11. 4

  La simulación de baja velocidad descrita en la Sección 4.4 se realizó con una densidad de malla aún más fina con longitudes de borde de aproximadamente 0: 3 lm en la dirección perpendicular a la banda de corte. El número de elementos fue correspondientemente mayor, con hasta17 000 elementos utilizados.

  La fuerte curvatura del chip conduce a una penetración del chip en el material. Para evitar esto, se ha introducido una superficie de contacto auxiliar que separa el chip del material sin cortar. Esta superficie de contacto puede servisto como una línea horizontal en la figura 11.

un elemento finito (5)

Fig. 11.

  Se utilizaron mallas de elementos finitos en diferentes etapas del proceso de corte con formación de viruta segmentada. Nótese el fuerte refinamiento en la zona de corte y el engrosamiento de la malla de los primeros segmentos. Un auxiliar orientado horizontalmente.La superficie de contacto sobre el material sin cortar se muestra como una línea.

  Antes de interpretar los resultados de la simulación, se debe estudiar la influencia de la técnica de separación. La Fig. 12 muestra las virutas producidas con la separación de nodos y la técnica de deformación pura en pasos de tiempo casi idénticos. 5Las condiciones de corte para ambas simulaciones.

  La herramienta se asume como rígida, por lo que la malla de la herramienta es irrelevante. Se ha agregado para permitir la conducción de calor y la deformación de la herramienta en una etapa posterior de la simulación.

  5 Debido al cálculo automático de los incrementos de tiempo, no fue posible tomar ambas imágenes exactamente en el paso de sametime.

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  Fig. 12. Cepas plásticas equivalentes en dos simulaciones realizadas con las dos técnicas de separación diferentes: (a) método de separación de nodos; (b) Método de deformación pura. La densidad de la malla en la última simulación fue ligeramente mayor en elZona de corte, por lo que las bandas de corte son más estrechas. El acuerdo entre los patrones de deformación sigue siendo razonablemente bueno. Parámetros de corte: profundidad de corte 40 lm.Velocidad de corte 50 ms, ángulo de inclinación 10 °.fueron los siguientes: Profundidad de corte 40 lm, velocidad de corte 50 m / s, ángulo de inclinación de 10 °.

  Se puede observar que la deformación general de las virutas es muy similar. Incluso los detalles de los patrones de deformación, como el grado de segmentación (relación de la altura mínima y máxima de la viruta) y la aparición de bandas de corte "divididas"cerca de la punta de la herramienta, coincida razonablemente bien en ambas simulaciones, aunque se producen pequeñas diferencias. Las bandas de corte son más estrechas en la simulación utilizando la técnica de deformación, esto se debe al hecho de que la densidad de la malla eraun poco más alto allí.

  La fuerza de corte oscila en ambas simulaciones, para la técnica de separación de nodos entre aproximadamente -20 y-42 N, para la técnica de deformación las fuerzas son.ligeramente más grande y se encuentra entre -23 y -45 N. La razón es la tensión del material que penetra ligeramenteen la herramienta. Se puede esperar que el acuerdo sea aún mejor si la herramienta no es infinitamente aguda. La frecuencia de las oscilaciones (y por lo tanto de la formación de la banda de corte) es la misma en ambos casos.

  Los resultados de esta comparación muestran que los patrones de deformación coinciden bastante bien. Las fuerzas cambian en aproximadamente un 10% entre las dos técnicas, pero no son demasiado relevantes para las investigaciones que se presentan a continuación. Sin embargo, unSe debe elegir una forma de herramienta mejorada para el modelo de deformación pura si se deben realizar investigaciones detalladas de la fuerza de corte.

  Otro aspecto importante a estudiar es la densidad de la malla. El refinamiento de la malla conduce a bandas de corte más estrechas en la simulación, pero solo a pequeñas diferencias en las fuerzas de corte y los patrones de deformación resultantes (el grado dela segmentación, es decir, la relación entre la altura máxima y mínima del segmento, aumenta ligeramente y disminuye el ancho de la banda de corte). De esto se podría concluir que la malla usada no es lo suficientemente fina. Sin embargo, como no hay tasa dependienteendurecimiento y como las curvas de flujo isotérmicas muestran un máximo, no hay ningún mecanismo para restringir el estrechamiento de la banda de corte. Bajo las condiciones utilizadas, se puede esperar que la banda de corte se vuelva singular. Por lo tanto, cualquier malla utilizada seríaSufre este problema, que se debe a las suposiciones demasiado simplificadas sobre el comportamiento plástico del material. La densidad de la malla para las simulaciones que se muestran a continuación se eligió de modo que el ancho de la banda de corte coincida conValores observados experimentalmente.

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