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Un modelo de elementos finitos de corte de metal de alta velocidad con corte adiabático (3).

Número Navegar:25     Autor:Editor del Sitio     publicar Tiempo: 2018-11-12      Origen:motorizado Su mensaje

  El proceso de formación de viruta.

  La figura 13 muestra la historia de la formación de viruta para una simulación producida con la técnica de deformación. La variable de contorno es la deformación plástica equivalente, cortada a un máximo de 3. (Una gráfica de la temperatura es muysimilar a esto, ya que la conductividad térmica es pequeña.) Las condiciones de corte fueron las mismas que en la Fig. 12.

  La forma del primer segmento y la banda cortante es diferente de la de los siguientes. Muestra una banda de corte fuertemente dividida, mientras que las últimas bandas de corte están divididas solo ligeramente en el lado de la herramienta. La curvatura de esta primera.El segmento es mucho más fuerte, de modo que contacta con el material sin cortar. Los últimos segmentos son muy similares entre sí, con una distancia constante entre los segmentos y un grado similar de segmentación. La diferencia entre el primero ylos siguientes segmentos se deben a la diferencia de geometría entre el material inicialmente sin cortar y el material con una banda cortante.

  La deformación de los chips producidos experimentalmente es diferente de la simulación en dos aspectos: el grado de segmentación es más fuerte en el experimento (esto se debe en parte a la densidad de la malla, ver más arriba) y la distancia entreLas bandas de corte también son más grandes (ver la Fig. 9 para comparación). Esto es probable debido principalmente a la diferencia en el ángulo de inclinación. Errores en el flujo de plástico.

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  Fig. 13. Desarrollo de un chip segmentado. Se muestra la deformación plástica equivalente como un gráfico de contorno. La escala se elige de modo que el color más oscuro denote todos los valores mayores que 3. Parámetros de corte: profundidad de corte 40 lm, velocidad de corte50 ms, ángulo de inclinación 10 °.

Las curvas también pueden desempeñar un papel, pero esto no se puede decidir en este momento. La curvatura de los chips tampoco está de acuerdo, ya que los chips simulados son más fuertemente curvados.

  El material entre las bandas de corte solo se deforma débilmente. La deformación es más fuerte en el lado de la herramienta del chip debido a razones geométricas. Esto es cierto tanto en la simulación como en el experimento. La pequeña deformación de las regiones.entre las bandas de cizallamiento se produce un pequeño aumento de temperatura; en las simulaciones,la temperatura máxima en las bandas de corte alcanza 800 ° C o más, mientras que las regiones menos deformadas están a temperaturas por debajo de 150 ° C. Debido a la baja conductancia térmica del material, estas diferencias no se igualan en la simulación.tiempos considerados.

  Un estudio detallado de la formación de una banda de corte se muestra en la Fig. 14. A partir de esto, se pueden distinguir varios pasos del proceso de formación de la banda de corte:

Ligera deformación plástica de toda la región delante de la punta de la herramienta, doblando hacia arriba la parte posterior del material.

  Se forma una zona de deformación delante de la punta de la herramienta.

  Una pequeña región en la parte posterior de la pieza de trabajo comienza a deformarse plásticamente.

  Las dos zonas de deformación se unen y la deformación plástica se localiza.

El segmento corta fuertemente a lo largo de la banda de corte.

  Se puede formar una segunda zona de corte que conduce a una banda de corte dividida que se curva hacia abajo.

  Se puede ver en la simulación que la banda de corte no simplemente comienza a formarse frente a la punta de la herramienta y luego se extiende por todo el chip. En su lugar, una segunda región de deformación se forma primero en la parte trasera de los chips, y solodespués se unen las dos regiones. 6 Si el corte en la superficie induce grietas, esto podría provocar la formación de grietas en etapas muy tempranas del proceso de segmentación de viruta. Esto, sin embargo, no se puede concluir a partir de la presente simulación.

  Otro aspecto interesante es la formación de bandas de cizalla dividida. La banda de corte se dobla hacia arriba a medida que la punta de la herramienta avanza y se forma una nueva zona de deformación delante de la punta de la herramienta, lo que lleva a una segunda banda de corte que se une con laprimero. Tan pronto como se haya formado la segunda banda de corte, la deformación se concentra en esta región y la mitad superior de la banda de corte ya no se deforma. Esto se puede ver en la tasa de deformación, que se hace pequeña en la mitad superior.de la banda de corte y grande en la parte inferior tan pronto como se produzca la división.

  Esta banda de corte dividida no parece ser un artefacto de simulación, a pesar del hecho de que su forma detallada se ve afectada por el mecanismo de separación (ver Fig. 12). Se han observado bandas de corte similares en otra simulación (ver [19], Fig. 9)y también se han encontrado experimentalmente (ver Fig. 15).

  Una posible razón para la aparición de estas bandas de corte se puede comprender en la Fig. 16. La banda de corte se forma inicialmente como una línea casi recta, como se ve en la Fig. 16 (izquierda). A medida que la herramienta avanza, la región material A directamente en frentede la punta de la herramienta y debajo de la banda de corte se debe quitar. Una posibilidad para esto es curvar fuertemente la banda de corte hacia arriba mientras la herramienta avanza, 7de modo que el material a eliminar se desplace hacia la izquierda y hacia arriba. Esto, sin embargo, requeriría una fuerte deformación plástica en la zona S2 a la izquierda de la banda de corte, donde la temperatura es aún pequeña y la energía requerida para la deformaciónes consecuentemente grande, y también algo de deformación en el segmento S1 ya formado. Si se forma una banda de corte dividida a la izquierda de la región A, esta región se puede mover cortando a lo largo de la banda de corte, lo cual es mucho más fácil. Esto hace que todosel chip ya formado (S1) también se mueve a lo largo de la zona de corte, y cuando la banda de corte se curva, el chip se curva también. La región A delante de la punta de la herramienta cambia así su función: al principio pertenece a la nueva formaciónsegmento S2, pero tan pronto como la segunda banda de corte se hace cargo, pertenece cinéticamente al segmento S1 ya formado. Las restricciones geométricas aún requieren una pequeña deformación en esta región, pero el material que queda solo de la banda de cortetiene que deformarse ligeramente para adaptarse a la curvatura (pequeña) de la banda de corte.

Por supuesto, la formación de la banda de corte dividida no es un fenómeno puramente geométrico: una deformación continua de la región A en la figura podría causar un efecto similar sin una fuerte localización. Ya sea deformación en esta zona.Los concentrados en una segunda banda de corte dependen de las curvas de flujo y de la tendencia de la deformación a localizarse.

  Una comparación de las bandas de corte divididas simuladas y experimentadas produjo que su forma difiere: las bandas de corte experimentales curvadas en la dirección opuesta a las simuladas. Esta diferencia aún no puede serexplicado, pero la influencia de la fricción, del calor de la herramienta y de los diferentes ángulos de inclinación pueden jugar un papel en esto.

La Fig. 17 muestra la fuerza de corte calculada para la simulación de la Fig. 13. Como se esperaba, fuertes oscilaciones de 7 Tenga en cuenta que la fricción se descuida en esta simulación, por lo que no puede causar una curvatura de banda de corte. Es probable queLa inclusión de fricción destruiría, al menos en parte, las bandas de corte divididas por la fuerte deformación del lado de la herramienta del chip.

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  Fig. 14. Detalle de la formación de la segunda banda de corte para la misma simulación que en la Fig. 13. Se muestra la deformación plástica equivalente como un gráfico de contorno. La escala se elige de modo que el color más oscuro denote todos los valores mayores que 2.

  El tiempo entre dos imágenes consecutivas es de 50 ns. La línea horizontal es la superficie de contacto auxiliar para evitar la penetración del chip en la pieza de trabajo sin cortar.

  La fuerza se produce, con un alto valor absoluto de la fuerza cuando la deformación no está concentrada y un valor más bajo durante los tiempos de localización y corte del chip a lo largo de las bandas de corte. Los valores absolutos de la fuerza sonno está de acuerdo con las investigaciones experimentales, pero son demasiado bajos por un factor de aproximadamente 2. Esto esSobre todo debido a las incertidumbres en las curvas de flujo de plástico y también a los diferentes ángulos de inclinación. Por un lado, la disminución de la tensión en las deformaciones mayores de 0.2 probablemente se exagere en las curvas; por otra parte,los valores de tensión en las tasas de deformación extremas serán mucho más altos que los de la

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  Fig. 15. Aparición de bandas de corte divididas en chips producidos experimentalmente: chip (izquierdo) de Ti6Al4V (herramienta en el lado derecho); (derecha) chip de Ck 45 (herramienta en el lado izquierdo) creado con un experimento de parada rápida en IEP, Magdeburg. Esta figurafue proporcionado por U. Schreppel yP. Veit, IEP, Magdeburgo.

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  Fig. 16. Dos etapas durante la formación de una banda de corte dividida. Las configuraciones se toman del cuarto y séptimo estado que se muestran en la Fig. 14. El segmento S1 ya está formado en el primer estado, el segmento S2 comienza a evolucionar. El avanceLa herramienta tiene que eliminar la región A. La banda de corte dividida frente a A permite mover esta región a la posición marcada por B en la figura de la derecha. El segmento S1 ya formado solo se deforma ligeramente durante este proceso. La división de lala banda de corte permite acomodar la eliminación de material de la región A sin una fuerte deformación dentro de S1 o en S2

  Estudios paramétricos

  El modelo de elementos finitos permite estudiar la influencia de diferentes materiales y parámetros de proceso en la formación de chips. Dos ejemplos se mostrarán en esta sección.

  En un primer experimento, las propiedades elásticas del material fueron cambiadas. Se puede argumentar que la formación de bandas cortantes se desencadena por la liberación de energía elástica almacenada en el material deformado. La figura 18 muestra que de hecho laLa densidad de energía elástica disminuye fuertemente cuando se forma un segmento de viruta. El valor absoluto de esta energía es, sin embargo, pequeño en comparación con la energía de deformación plástica. Para estudiar más a fondo este efecto, el módulo de Young del material fuevariado entre57.5 y 575 MPa a temperatura ambiente, de modo que la energía elástica almacenada cambiaría en consecuencia. 8

  Los patrones de deformación resultantes son similares para estos tres casos, pero el grado de segmentación cambia ligeramente, lo que se corresponde con un cambio en la frecuencia de segmentación. Esto se puede ver en la Fig. 19, donde la fuerza de corte esSe muestra para los tres casos diferentes. Cuanto menor es el módulo de elasticidad, mayor es el grado de segmentación y el tiempo de segmentación. Una posible explicación es que una mayor cantidad de energía elástica almacenada facilita la cizalla o queel corte de plástico es preferible ya que la deformación elástica de la región izquierda de la banda de corte es energéticamente desfavorable. Otra posibilidad es que la deformación se concentra más fuertemente en el material más rígido y, por lo tanto, aumentaLa frecuencia de segmentación. Una investigación más detallada.8 Tenga en cuenta que la cantidad de energía elástica está limitada por la resistencia de elasticidad fija del material, de modo que el material con el módulo elástico inferior tiene la mayor energía de deformación si el material se deforma plásticamente.

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  Fig. 18. Densidad de energía elástica (en unidades mJ / mm3) en el segundo y cuarto paso de la Fig. 14. La escala se elige de tal manera que el color más oscuro denote todos los valores mayores de 20. La densidad de energía disminuye fuertemente durante elFormación de la banda de corte, lo que sugiere que la liberación de energía elástica puede influir en la formación de la banda de corte.

  Fig. 19. Fuerza de corte para tres simulaciones con diferentes propiedades elásticas. Se puede ver que la frecuencia de segmentación se reduce al aumentar el módulo elástico. Parámetros de corte: profundidad de corte 40 lm, velocidad de corte 50 m / s,rastrilloángulo 10 °.De la influencia del módulo elástico es necesario entender esta pregunta a fondo.

  Como segunda variación, la velocidad de corte se ha reducido en un factor de 100 a 0.5 m / s. A esta velocidad, la conductividad térmica es lo suficientemente alta como para que no sea posible una fuerte concentración de temperatura. Debido al máximo en el flujo de plástico.Curvas, sin embargo, debe esperarse que la segmentación del chip se produzca como también lo hace experimentalmente. (Este hecho fue parte de la razón para usar curvas de flujo con un máximo claro). Esto es cierto, pero solo se puede ver en elsimulación si la densidad de la malla aumenta aún más, como se menciona en la Sección 4.2. Esto indica que la tendencia a formar virutas segmentadas es menor a la velocidad de corte más baja.

  panorama

  Se ha mostrado un modelo de elementos finitos del proceso de corte de metal usando software estándar (ABAQUS / Standard). El modelo se basa en las siguientes técnicas:

uso de elementos cuadriláteros;

revisión frecuente

forma especial de la malla inicial;

remedado discontinuo para chips segmentados;

Uso de dos técnicas de separación diferentes.

  El modelo se aplicó al corte ortogonal de una aleación de titanio, utilizando curvas de flujo de plástico basadas en experimentos, pero con cierta incertidumbre experimental.

  También se han mostrado algunos resultados producidos con el modelo. Es posible analizar los detalles del proceso de formación del chip. La formación de la banda de corte comienza frente a la punta de la herramienta. Una segunda región de deformación se forma en el chip.Parte trasera, y las dos regiones se unen. La región de formación se estrecha aún más, hasta que la deformación se concentra en una banda de corte muy pequeña. La banda de corte puede dividirse posteriormente, un fenómeno que también se ha observado en algunos experimentos.

  Se ha dado una posible explicación para esto.

  Además, se estudió la influencia del módulo elástico y de la velocidad de corte. El módulo elástico influye en el grado de segmentación de los chips. Con curvas de flujo que muestran un fuerte máximo isotérmico, se forman chips segmentadosincluso a bajas velocidades de corte, si la densidad de la malla aumenta lo suficiente.

  El acuerdo entre los chips producidos simulados y experimentados producidos fue razonable considerando las incertidumbres de los parámetros de entrada. Lo más importante es que el grado de segmentación en la simulación es menor que en elexperimentos Esto puede ser causado por las curvas de flujo de plástico utilizadas que favorecen fuertemente la generación de bandas cortantes, de modo que la frecuencia de segmentación aumenta y el grado de segmentación disminuye en consecuencia. Esto podríaindica que la falla del material debe incluirse en la simulación, pero esto aún no está claro.

  Por razones de simplicidad, la fricción y la conducción de calor en la herramienta se han descuidado en este estudio. Las investigaciones futuras incluirán estos procesos y, por lo tanto, permitirán estudiar su efecto en el proceso de formación de chips.

  Una mejora necesaria se refiere a la forma de la herramienta, especialmente en el caso del modelo de deformación pura. Aquí, la fuerza pasiva y la deformación de la superficie de la pieza de trabajo son demasiado pequeñas, ya que no se empuja ningún material debajo de la herramienta. losla suposición de una herramienta infinitamente afilada y la penetración resultante del material en la herramienta (ver Fig. 8) deben mejorarse agregando un radio de herramienta finito.

  Finalmente, se pueden realizar estudios paramétricos para comprender la influencia de diferentes parámetros de material en el proceso de formación de chips. Las variables más interesantes para cambiar son las curvas de flujo de plástico y la térmica.Propiedades de la aleación de titanio. Los resultados de estos estudios pueden no solo ayudar a entender qué hace que el titanio sea difícil de cortar, sino que también pueden apuntar a posibles mejoras de la aleación.

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