Um modelo de elemento finito de corte de metal de alta velocidade com cisalhamento adiabático （3）

O processo de formação de chips

A Fig. 13 mostra a história da formação de chip para uma simulação produzida com a técnica de deformação. A variável de contorno é a tensão plástica equivalente, cortada no máximo de 3. (um gráfico da temperatura é muito Semelhante a isso, como a condutividade térmica é pequena.) As condições de corte eram as mesmas da Fig. 12.

A forma do primeiro segmento e banda de cisalhamento é diferente da dos seguintes. Ele mostra uma faixa de cisalhamento fortemente dividida, enquanto as últimas faixas de cisalhamento são divididas apenas ligeiramente no lado da ferramenta. A curvatura deste primeiro O segmento é muito mais forte, de modo que entra em contato com o material sem cortes. Os últimos segmentos são muito semelhantes entre si, com distância constante entre os segmentos e um grau semelhante de segmentação. A diferença entre o primeiro e Os segmentos a seguir se devem à diferença de geometria entre o material inicialmente sem cortes e o material com uma banda de cisalhamento.

A deformação dos chips produzidos experimentalmente é diferente da simulação em dois aspectos: o grau de segmentação é mais forte no experimento (isso se deve em parte à densidade da malha, veja acima) e a distância entre As faixas de cisalhamento também são maiores (ver Fig. 9 para comparação). Isso é provável principalmente devido à diferença no ângulo do ancinho. Erros no fluxo plástico

Fig. 13. Desenvolvimento de um chip segmentado. Mostrado é a tensão plástica equivalente como um gráfico de contorno. A escala é escolhida de modo que a cor mais escura denota todos os valores maiores que 3. Parâmetros de corte: profundidade de corte 40 lm, velocidade de corte 50 ms, ângulo de ancinho 10 °. As curvas também podem desempenhar um papel, mas isso não pode ser decidido no momento. A curvatura dos chips também não está de acordo, pois os chips simulados são mais fortemente curvados.

O material entre as faixas de cisalhamento é apenas fracamente deformado. A deformação é mais forte no lado da ferramenta do chip devido a razões geométricas. Isso é verdade tanto na simulação quanto no experimento. A pequena deformação das regiões entre as faixas de cisalhamento leva a um pequeno aumento de temperatura; nas simulações, A temperatura máxima nas faixas de cisalhamento atinge 800 ° C ou mais, enquanto as regiões menos deformadas estão em temperaturas abaixo de 150 ° C. Devido à baixa condutância térmica do material, essas diferenças nem sequer estão na simulação tempos considerados.

Um estudo detalhado da formação de uma banda de cisalhamento é mostrado na Fig. 14. A partir disso, várias etapas do processo de formação da banda de cisalhamento podem ser distinguidas:

Pequena deformação plástica de toda a região em frente à ponta da ferramenta, flexão para cima da parte traseira do material.

Uma zona de deformação se forma na frente da ponta da ferramenta.

Uma pequena região na parte traseira da peça começa a deformar plasticamente.

As duas zonas de deformação se juntam e a deformação plástica localiza.

O segmento se afasta fortemente ao longo da faixa de cisalhamento.

Uma segunda zona de cisalhamento pode se formar levando a uma faixa de cisalhamento dividida que é curvada para baixo.

Pode ser visto a partir da simulação que a banda de cisalhamento não começa a se formar na frente da ponta da ferramenta e depois se estende por todo o chip. Em vez disso, uma segunda região de deformação se forma primeiro na parte traseira dos chips e somente Depois, as duas regiões se juntam. 6 Se o cisalhamento na superfície induz rachaduras, isso pode levar à formação de rachaduras em estágios muito iniciais do processo de segmentação de chip. Isso, no entanto, não pode ser concluído a partir da presente simulação.

Outro aspecto interessante é a formação de bandas de cisalhamento divididas. A faixa de cisalhamento se inclina para cima à medida que a ponta da ferramenta avança e uma nova zona de deformação se forma na frente da ponta da ferramenta, levando a uma segunda faixa de cisalhamento que se une ao primeiro. Assim que a segunda faixa de cisalhamento se formou, a deformação se concentra nessa região e a metade superior da banda de cisalhamento não for mais de forma. Isso pode ser visto a partir da taxa de deformação, que se torna pequena na metade superior da faixa de cisalhamento e grande na parte inferior assim que ocorre a divisão.

Essa banda de cisalhamento dividida parece não ser um artefato de simulação, apesar do fato de que sua forma detalhada é afetada pelo mecanismo de separação (ver Fig. 12). Bandas de cisalhamento semelhantes foram observadas em outra simulação (ver [19], fig. 9) e eles também foram encontrados experimentalmente (ver Fig. 15).

Uma possível razão para a ocorrência dessas faixas de cisalhamento pode ser entendida na Fig. 16. A banda de cisalhamento inicialmente se forma como uma linha quase reta, como visto na Fig. 16 (esquerda). À medida que a ferramenta avança, a região material A diretamente na frente da ponta da ferramenta e abaixo da faixa de cisalhamento deve ser removida. Uma possibilidade para isso é curvar fortemente a faixa de cisalhamento para cima, enquanto a ferramenta avança, 7 para que o material a ser removido se mova para a esquerda e para cima. Isso, no entanto, exigiria forte deformação plástica na zona S2 à esquerda da faixa de cisalhamento, onde a temperatura ainda é pequena e a energia necessária para a deformação é, portanto, grande e também alguma deformação no segmento já formado S1. Se uma banda de cisalhamento dividida formar formas à esquerda da região A, essa região poderá ser movida por cisalhamento ao longo da faixa de cisalhamento, o que é muito mais fácil. Isso causa tudo de O chip já formado (S1) também se move ao longo da zona de cisalhamento e, à medida que a faixa de cisalhamento é curva, o chip também fica curvado. A região A na frente da ponta da ferramenta muda assim seu papel: a princípio pertence à formação recém -formada O segmento S2, mas assim que a segunda banda de cisalhamento assumir o controle, pertence cineticamente ao segmento S1 já formado. As restrições geométricas ainda requerem uma pequena deformação nessa região, mas o material deixado da banda de cisalhamento apenas tem que se deformar um pouco para acomodar a curvatura (pequena) da faixa de cisalhamento.

A formação da banda de cisalhamento dividida, obviamente, não é um fenômeno puramente geométrico: uma deformação contínua da região A na figura pode causar um efeito semelhante sem uma forte localização. Se deformação nesta zona Concentra -se em uma segunda faixa de cisalhamento depende das curvas de fluxo e da tendência da deformação de localizar.

Uma comparação das faixas de cisalhamento produzidas simuladas e do experimento produzem que sua forma difere: as faixas de cisalhamento experimentais curvadas na direção oposta dos simulados. Essa diferença ainda não pode ser explicou, mas a influência do atrito, do calor da ferramenta e dos diferentes ângulos de ancinho pode desempenhar um papel nisso.

A Fig. 17 mostra a força de corte calculada para a simulação da Fig. 13. Como esperado, fortes oscilações de 7 Observe que o atrito é negligenciado nesta simulação, para que nenhuma curvatura da banda de cisalhamento possa ser causada por ela. É provável que A inclusão de atrito destruiria pelo menos parcialmente as faixas de cisalhamento divididas pela forte deformação do lado da ferramenta do chip.

Fig. 14. Detalhe da formação da segunda banda de cisalhamento para a mesma simulação da Fig. 13. mostrado é a tensão plástica equivalente como um gráfico de contorno. A escala é escolhida de modo que a cor mais escura denota todos os valores maiores que 2.

O tempo entre duas fotos consecutivas é de 50 ns. A linha horizontal é a superfície de contato auxiliar para evitar a penetração do chip na peça de trabalho sem cortes.

A força ocorre, com um alto valor absoluto da força quando a deformação não é concentrada e um valor mais baixo durante os períodos de localização de cisalhamento e cisalhamento do chip ao longo das faixas de cisalhamento. Os valores absolutos da força são não de acordo com as investigações experimentais, mas são muito baixas por um fator de cerca de 2. isso é Principalmente devido às incertezas nas curvas de fluxo plástico e também aos diferentes ângulos de ancinho. Por um lado, a diminuição da tensão em cepas maiores que 0,2 provavelmente é exagerada nas curvas; por outro lado, Os valores de estresse nas taxas de deformação extrema serão muito maiores do que aqueles no

Fig. 15. Ocorrência de faixas de cisalhamento divididas em chips produzidos experimentalmente: (esquerda) chip de Ti6al4V (ferramenta no lado direito); (direita) Chip de CK 45 (ferramenta no lado esquerdo) criado com um experimento rápido de parada em IEP, Magdeburg. Esta figura foi fornecido por U. Schreppel e P. Veit, IEP, Magdeburgo.

Fig. 16. Dois estágios durante a formação de uma faixa de cisalhamento dividida. As configurações são retiradas do quarto e sétimo estado mostradas na Fig. 14. O segmento S1 já está formado no primeiro estado, o segmento S2 começa a evoluir. O avanço A ferramenta precisa remover a região A. A faixa de cisalhamento dividida na frente de A permite mover essa região para a posição marcada por B na figura direita. O segmento já formado S1 é apenas ligeiramente deformado durante esse processo. A divisão do A banda de cisalhamento permite acomodar a remoção do material da região A sem forte deformação, dentro de S1 ou em S2

Estudos paramétricos

O modelo de elemento finito permite estudar a influência de diferentes parâmetros de material e processo na formação de chips. Dois exemplos serão mostrados nesta seção.

Em um primeiro experimento, as propriedades elásticas do material foram alteradas. Pode -se argumentar que a formação de faixas de cisalhamento é desencadeada pela liberação de energia elástica armazenada no material deformado. Fig. 18 mostra que de fato o A densidade de energia elástica diminui fortemente quando um segmento de chip é formado. O valor absoluto dessa energia é, no entanto, pequeno em comparação com a energia de deformação plástica. Para estudar esse efeito ainda mais, o módulo de material de Young foi variado entre57,5 e 575 MPa à temperatura ambiente, para que a energia elástica armazenada mudasse de acordo. 8

Os padrões de deformação resultantes são semelhantes nesses três casos, mas o grau de segmentação muda ligeiramente, correspondendo a uma alteração na frequência da segmentação. Isso pode ser visto na Fig. 19, onde a força de corte é mostrado para os três casos diferentes. Quanto menor o módulo elástico, maior será o grau de segmentação e tempo de segmentação. Uma possível explicação é que uma quantidade maior de energia elástica armazenada facilita o cisalhamento ou que O cisalhamento de plástico é preferido, pois a deformação elástica da região deixada da faixa de cisalhamento é energeticamente desfavorável. Outra possibilidade é que a deformação se concentre mais fortemente no material mais rígido e, assim, aumenta a frequência de segmentação. Uma investigação mais detalhada 8 Observe que a quantidade de energia elástica é delimitada pela resistência de escoamento fixo do material, de modo que o material com o módulo elástico inferior tem maior energia de deformação se o material se deformar plasticamente.

Fig. 18. Densidade de energia elástica (nas unidades mj/mm3) no segundo e quarto passo da Fig. Formação da banda de cisalhamento, sugerindo que a liberação de energia elástica pode influenciar a formação da banda de cisalhamento.

Fig. 19. Força de corte para três simulações com diferentes propriedades elásticas. Pode -se observar que a frequência de segmentação é reduzida com o aumento do módulo elástico. Parâmetros de corte: profundidade de corte 40 lm, velocidade de corte 50 m/s, ancinho ângulo 10 °.da influência do módulo elástico é necessário para entender completamente essa questão.

Como segunda variação, a velocidade de corte foi reduzida em um fator de 100 a 0,5 m/s. Nessa velocidade, a condutividade térmica é alta o suficiente para que nenhuma concentração de temperatura forte seja possível. Devido à mãe maxi no fluxo de plástico Curvas, no entanto, deve -se esperar que a segmentação de chips ocorra como também ocorre experimentalmente. (Esse fato era parte da razão para usar curvas de fluxo com um máximo claro.) Isso é realmente verdadeiro, mas só pode ser visto no Simulação se a densidade da malha for aumentada ainda mais, conforme mencionado na Seção 4.2. Isso indica que a tendência de formar chips segmentados é menor na velocidade de corte inferior.

Panorama

Foi mostrado um modelo de elemento finito do processo de corte de metal usando software padrão (ABAQUS/STANDARD). O modelo depende das seguintes técnicas:

uso de elementos quadrilaterais;

Remesagem frequente;

forma especial da malha inicial;

Remesagem descontínua para chips segmentados;

Uso de duas técnicas de separação diferentes.

O modelo foi aplicado ao corte ortogonal de uma liga de titânio, usando curvas de fluxo plástico com base no experimento, mas possuindo alguma incerteza experimental.

Alguns resultados produzidos com o modelo também foram mostrados. É possível analisar os detalhes do processo de formação de chips. A formação da banda de cisalhamento começa na frente da ponta da ferramenta. Uma segunda região de deformação se forma no chip traseira, e as duas regiões se juntam. A região de Formação de De -Formação se estreita ainda mais, até que a deformação esteja concentrada em uma banda de cisalhamento muito pequena. A banda de cisalhamento pode se dividir posteriormente, um fenômeno que também foi observado em algumas experiências.

Uma possível explicação para isso foi dada.

Além disso, foi estudada a influência do módulo elástico e a velocidade de corte. O módulo elástico influencia o grau de segmentação dos chips. Com curvas de fluxo mostrando um forte formulário máximo isotérmico, fichas segmentadas Mesmo em baixas velocidades de corte, se a densidade da malha for aumentada de maneira suficiente.

O acordo entre os chips produzidos com o Experimen Tally foi razoável, considerando as incertezas dos parâmetros de entrada. O mais importante é que o grau de segmentação na simulação seja menor do que no experimentos. Isso pode ser causado pelas curvas de fluxo plástico utilizadas que favorecem fortemente a geração de faixas de cisalhamento, para que a frequência de segmentação seja aumentada e o grau de segmentação diminuiu de acordo. Isso poderia Indique que a falha do material deve ser incluída na simulação, mas isso ainda não está claro.

Por razões de simplicidade, atrito e condução de calor na ferramenta foram negligenciados neste estudo. As investigações futuras incluirão esses processos e, portanto, permitirão estudar seus efeitos no processo de formação de chips.

Uma melhoria necessária diz respeito à forma da ferramenta, especialmente no caso do modelo de deformação pura. Aqui, a força passiva e a deformação da superfície da peça de trabalho são muito pequenas, pois nenhum material é empurrado sob a ferramenta. o A suposição de uma ferramenta infinitamente nítida e a penetração resultante do material na ferramenta (consulte a Fig. 8) devem ser melhoradas adicionando um raio de ferramenta finito.

Finalmente, estudos paramétricos podem ser realizados para entender a influência de diferentes parâmetros de materiais no processo de formação de chips. As variáveis ​​mais interessantes para mudar são as curvas de fluxo plástico e as térmicas Propriedades da liga de titânio. Os resultados desses estudos podem não apenas ajudar a entender o que torna o titânio difícil de cortar, mas também pode apontar para possíveis melhorias da liga.