Veres Radu (sfantul)

2005-04-17T11:04:00.000-07:00

Formarea aşchiilor şi forţa de tăiere
în frezarea plană

Acest studiu e o parte a unei cercetări în curs de desfăşurare la ERICNSM asupra cercetării frezării la viteze mari de aşchiere pentru prelucrarea matriţelor şi a mulajelor. O frezare orizontală mai specială, folosind o singură plăcuţă de aşchiere cu o muchie de tăiere în linie dreaptă, a fost aleasă pentru cercetarea formei aşchiei. Aşchierea uscată a unui mulaj de hotel P-20 folosind carbura de wolfram (WC) a fost simulate pentru condiţiile de tăiere (diametrul cuţitului 15,88mm, viteza de aşchiere 50, 100 şi 200 m/min, avansul de aşchiere 0,1 şi 0,155 mm/rot, adâncimea de aşchiere 1mm).
Forma aşchiei, temperatura de aşchiere, solicitarea scule-i şi forţa de aşchiere sunt aflate din Finite Element Method (FEM).
Experimentele au fost făcute pe un centru de frezare de mare viteză pentru a măsura forţele de aşchiere. Forţele şi forma aşchiei au fost comparate cu rezultatele experimentale. Acest studiu demonstrează eficacitatea simulării FEM în variabilele procesului anterior de frezare plană.
În producţia matriţelor şi mulajelor o largă utilizare a sculelor de oţel este prelucrarea de generare a prismelor şi modelarea suprafeţelor. Aceste oţeluri sunt prelucrate:
Dintr-un oţel moale (cum ar fi P-20 tratat la 30 HRC) folosind scule îmbrăcate în carbură de wolfram.
Dintr-un oţel tare (cum ar fi H13, tratat la 45 HRC) folosind scule îmbrăcate în carbură de wolfram, material metalo-ceramic, ceramice. Frezarea cu scule din oţel este o operaţie care cere multă atenţie deoarece temperaturile şi solicitările generate pe sculă aşchietoare datorită durităţii ridicate a semifabricatului, pot produce distrugerea scule-i.
Simularea operaţiei de frezare are scopul să îmbunătăţească forma scule-i aşchietoare şi a selecta condiţiile optime, mai ales în aplicaţiile avansate ca şi prelucrarea sculelor din oţel. Acest studiu se concentrează pe dezvoltarea şi evaluarea modelelor FEM pentru a găsi forma aşchiere şi forţele de aşchiere într-o operaţie simplă de frezare plană.
Materialul semifabricatului este oţel P-20 (tratat la 30 HRC). Materialul scule-i aşchietoare folosite este carbura de wolfram.

În acest studiu, operaţia specială de frezare folosind un suport de plăcuţe cu o muchie tăietoare, a fost folosit pentru a obţine formarea aşchiei în planul xy (fig 1). În această operaţie, muchia de aşchiere lucrează partea de jos iar faţeta plăcuţei nu este in contact cu semifabricatul. Aşadar, cele 2 axe FEM pot fi executate pentru a arăta formarea aşchiei şi variabilele rezultate din proces.

Modelul de proces
Modelul FEM pentru simularea procesului este arătată în fig.2. Doar tipul scule-i şi arcul mic al semifabricatului au fost antrenate pentru a avea un număr practic de elemente pentru calculare. Diametrul scule-i este de 15.88mm. Grosimea aşchiei a fost de la 0,1 la 0,2 mm. În procesul de frezare traiectoria dintelui este trohoidă datorită avansului şi rotaţiilor arborelui. Oricum, această traiectorie poate fi considerată circulară pentru valori mici ale grosimii aşchiei. Deşi, numai mişcarea de rotaţie a scule-i şi viteza arborelui au fost considerate în modelul prezentat.

Starea de tensiuni pentru materialul semifabricatului
În simularea FEM, starea tensiunilor din material semifabricat şi condiţiile de frecare a contactului aşchie-sculă sunt factorii care influenţează major rezultatele (Usui and Shirakashi, 1982,Kitagawa et al,1988, Maekawa et al, 1983, şi Kumar et al, 1997).
În acest studiu starea tensiunilor pentru oţel aliat cu Cr-Mo a semifabricatului şi plăcute de carbon a scule-i au fost luate din cărţile de specialitate (Maekawa et al, 1983). Compoziţia chimică a aliajului de oţel P-20 este la fel cu a oţelului aliat cu Cr-Mo folosit în studiul lui Maekawa. Aşadar curbele stărilor de tensiuni obţinute pentru oţel Cr-Mo se presupune că sunt valabile şi pentru P-20.
Informaţiile despre starea de tensiuni s, sunt aproximate după Maekawa (Maekawa et al, 1996) cu ecuaţia (1) pentru obţinerea temperaturilor, T mai mare de 1200°C, solicitarea relativă e până la 104 s-1 şi solicitări până la 20 mm/mm. Aceste date au fost generate de un compresor de mare viteză testat cu un aparat de presiune Hopkinson. Curbele stărilor de tensiuni sunt date în fig.3 unde au fost introduse în DEFORM 2DTM, care este un software comercial folosit p o scară largă pentru simularea FEM pentru operaţiile de aşchiere a metalelor.
(1)

Condiţii de frecare

Frecarea în aşchierea metalelor este extrem de dificil de evaluat, în acest studiu, informaţiile sarcinilor distribuite (date in figura 4) sunt direct folosite. În pregătirea informaţiilor de frecare sunt în programul FEM, unde au fost folosite următoarele legi.
σf=μσn

Aşadar, valorile lui μ sunt obţinute printr-o simplă separare a valorilor experimentale σn, τr (vezi figura 5).

Forma aşchiei
Datorită condiţiilor de aşchiere, formarea aşchiilor a fost simulată precum se arată in figura 6.
La începutul tăieri, aşchia curge până la aproximativ 65º ale mişcării principale.
Şpanul atinge suprafeţele neaşchiate ale semifabricatului la 75º din mişcarea principală. În simulare elementele aflate în contact reprezentând aşchiile au fost îndepărtate manual de la această poziţie pentru ruperea lor.

Solicitările scule-i şi temperaturile acesteia

La acest unghi de rotaţie critic (75°), solicitările scule-i au fost calculate şi prezentate pentru fiecare parametru de aşchiere (tabelul 2).

În acest scop, solicitările scule-i au fost calculate în mod similar condiţiilor limită pentru deformarea elastică a scule-i. Toate componentele solicitate au putu fi prezise. Ca de exemplu, distribuirea efectivă a solicitărilor este dată in figura 7.

Apoi, distribuţia temperaturii în aşchie, sculă sau semifabricat au fost de asemenea prezise.
Un exemplu de distribuţie a temperaturii la 75° a unghiului de rotaţie e arătat în figura 8. Este arătat că temperatura pe faţa de degajare a scule-i poate să fie de peste 1000°C lucru ce poate să conducă la uzura excesivă a scule-i.

Compararea simulării cu experimentul

Un experiment a fost pregătit precum în imaginea 9. Semifabricatul plan cu o grosime de 1 mm a fost montat pe KISTLER TYPE 9257A, cu 3 componente ale platformei piezoelectrice.

Amplificatorul sarcinii pentru platforma forţelor a fost conectat la un sistem PC de achiziţionare a datelor.
Experimentul a fost realizat pe un centru de frezare orizontală de mare viteză ( Makino A-55 Delta).
Condiţiile de tăiere au fost: VC=200m/min, fz=0.1 mm/dinte (Vf = 401 mm/min şi 4010rpm) şi VC=200 m/min, fz=0.155 mm/dinte (Vf=622 mm/min şi 4010rpm). Semifabricatul folosit a fost aliaj de oţel P-20 (tratat la 30HRC).
Materialul scule-i de aşchiere a fost carbura de wolfram (WC). Pentru a evita efectele nedorite, doar o muchi tăietoare a fost folosită pe durata întregului proces de aşchiere.

Forţele de aşchiere Fx (direcţia de avans) şi Fy (perpendicular pe direcţia de avans) au fost comparate cu forţele măsurate arătate în figura 10. Este arătat că forţele de aşchiere se schimbă odată cu schimbarea grosimii aşchiei. Valorile forţei date de FEM prezintă fluctuaţii.
Rezultatele simulării date în figura 10 au fost cizelate pentru a face graficul mau uşor de citit (adică fiecare informaţie punctată corespunde unei forţe de tăiere medii).În figura 10, triunghiurile pline reprezintă forţele medii de aşchiere măsurate le 20 de rotaţii. Similar. Linia întreruptă indică nivelul pentru aceste forţe medii.
În condiţiile de aşchiere folosite n acest studiu, a fost observat, în general. Că forţele găsite sunt în concordanţă rezonabilă cu forţele măsurate.

Câteva aşchii reprezentative colectate din experiment sunt arătate în figura 11. Sunt continue şi spiralate pe capăt.

Formele de aşchii prezise de FEM în simulări (figura 12) sunt asemănătoare cu cele experimentale.

Concluzii

În acest studiu. O simplă operaţie de frezare plană a fost simulată folosind programul comercial DEFORMTM.
Datele despre tensiunea de deformare plastică şi frecări sunt obţinute din literatură (Maekawa et. al. 1996). Datele despre frecare au fost transformate într-o formă mai uşor acceptată de program FEM. Formarea aşchiilor şi forţele rezultate ale aşchierii, temperaturile şi solicitările scule-i au ost prescrise. Forma aşchiei şi forţele de aşchiere au fost comparate cu rezultatele experimentului. Comparaţiile arată că în cazul „D, modelul simulării FEM a fost un succes pentru a face predicţii cu o acurateţe acceptabilă. Forţele de aşchiere prescrise sunt în concordanţă cu experimentele, chiar dacă tensiunea de deformare plastică a materialului semifabricatului a fost luată din surse externe experimentului (nu determinată pentru aliaj de oţel P-20).
Acest studiu demonstrează efectul şi potenţialul simulării FEM. Această lucrare va fi extinsă pentru a:
Estima forţele de aşchiere în frezare 3D sau folosind o simulare 3D şi aproximând curgerea aşchiilor în 3D cu modelele 2D adecvate;
Prezicerea solicitării scule-i şi temperaturile pentru a îmbunătăţii forma scule-i;
Estima temperaturile şi tensiunile pe suprafeţele prelucrate pentru a înţelege mai bine legătura între condiţiile de aşchiere şi calitatea suprafeţelor.

Bibliografie

Ceretti, E. , P. Fallböhmer, W.T. Wu, T. Altan, (1996), “Application
of 2D FEM to Chip Formation in Orthogonal Cutting”, Journal of
Materials Processing Technology, Vol. 59, pp. 169-181.

Dewes, R.C., D.K. Aspinwall, (1997), “ A Review of Ultra High
Speed Milling of Hardened Steels”, Journal of Materials Processing
Technology, Vol.69, pp. 1-17.

Fang, X.D. and I.S. Jawahir, (1996), “ An Analytical Model for
Cyclic Chip Formation in 2-D Machining with Chip Breaking”,
Annals of the CIRP, Vol.45/1/1996, pp. 53-58.

Kitigawa, T., K. Maekawa, T. Shirakashi, E. Usui, (1988),
“Analytical Prediction of Flank Wear of Carbide Tools in Turning
Plain Carbon Steels (Part 1) - characteristic Equation of Flank
Wear.”, Bulletin of Japanese Society of Precision Engineering, Vol.
22, No. 4, pp. 263 - 269.

Kumar, S., P.Fallböhmer, T.Altan, (1997), “Computer Simulation of
Orthogonal Cutting Processes: Determination of Material
Properties and Effects of Tool Geometry on Chip Flow”,
Technical papers of NAMRI/SME, Vol.XXV, pp.177/1-6.

Maekawa, K., T. Shirakashi, and E. Usui, (1983), “Flow Stress of
Low Carbon Steel at High Temperature and Strain Rate (Part 2)
-Flow Stress under Variable Temperature and Variable Strain
Rate-“, Bull. Japan Soc. of Prec. Engr., Vol. 17, No.3, pp.167-172.

Maekawa, K., H. Ohhata, T. Kitigawa, T.H.C. Childs, (1996),
“Simulation Analysis of Machinability of Leaded Cr - Mo and Mn
- B Structural Steels.”, Journal of Materials Processing Technology,
62, pp. 363 - 369.

Usui, E. and T.Shirakashi, (1982),“Mechanics of Machining-from
Descriptive to Predictive Theory”, ASME PED 7, pp.13-35.

Asta sunt eu

2005-04-13T03:14:00.000-07:00

..... Fiecare ma ia asa cum sunt

Sfantul

Veres Radu (sfantul)

Asta sunt eu