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绝热剪切高速金属切削有限元模型(2)

浏览数量:21     作者:本站编辑     发布时间: 2018-11-05      来源:本站

  节点分离技术

  作为第一种方法,我们选择了预定义的分离线。许多作者以前曾使用过这种技术,例如[13,18,22,27]。

  确保线相对于工具的正确垂直定位非常重要。这可以通过将模拟中的塑性应变与实验测量的塑性应变进行比较来完成。为此,使用分裂标本,网格凹入内表面的位置。然后可以通过光学方法测量该网格的变形,并且可以将其与模拟值进行比较。

  在模拟中,沿分离线的节点首先被约束为具有相同的自由度。如果到达工具尖端的临界距离,则节点分开。在[13]中已经证明了这种方法对分离过程的细节不是很敏感。基于物理的标准将是优选的,但是在这里研究的高切削速度下不能获得这样的标准。此外,材料分离最多可能直接发生在工具尖端前面(尽管很难证明这一点),因此任何物理标准本质上都会反映这一事实,并且还会导致材料分离非常靠近工具尖端。

  由于工具前进,工具尖端前面的材料可能被阻挡,因此待分离的节点位于工具尖端上方。如果发生这种情况,该节点将在分离后接触工具的前刀面节点的两个节点都将在芯片流动方向上向上移动,而不是一个节点在侧面下方移动,以便正确地分离材料。分离后芯片的节点会出现类似的问题:if该节点非常靠近工具尖端,此节点上产生的力向下,因此节点不会在芯片流动方向上移动(见图7(a))。在这种情况下,网格局部严重变形迭代的收敛是困难的。

  如果引入两个辅助接触面,如图7(b)所示,可以缓解这个问题。这些表面将节点传输到工具上。因为它们只影响一个非常小的区域(通常只有一个节点与之接触)这些表面),它们引入的误差与整体离散化误差相当。只有在计算总切削力时才考虑它们,因为它们当然会承担整个刀具负荷的一部分。

  这里描述的形式的节点分离技术引入了两个误差:规定了材料分离线,并且辅助表面引起分离芯片和工件的附加力。为了检查这些错误的影响,已经实施了第二种技术。

  纯变形技术

也可以在没有节点分离的情况下模拟金属切削过程。相反,它可以被视为变形过程[21]。随着工具的推进,所有节点都在工具表面上移动,并且元素可能会强烈变形(见图8)。在重新网格化步骤中可以移除与工具重叠的材料。经常重新网格化是必要的,以便移除的材料量仍然很小。所示的案例使用了一个无限锐利的工具最糟糕的情况是作为具有圆边的工具将导致更少的材料渗透到工具中。对于此处描述的模拟,在2:5 lm的工具穿透之后进行重新网格化。去除的材料相当于一个小的在工具尖端前方约1 lm厚的条带。

  这种简单的方法具有以下优点:它更容易收敛,因为不会发生不连续(如节点对分离时的情况)。第二个优点是没有规定材料分离线;相反,它是可能使位于穿过工具尖端的水平线下方的材料变形并移动到芯片区域中。经过重新网格化后,它将继续留在这个区域。因此节点分离的主要问题之一技术得到缓解。

有限元(1)

图7。

  (a)芯片节点在工具和工件之间“卡住”的运动。节点移动不在物料流的方向上,导致收敛问题。

  (b)辅助接触表面引导节点进入正确的方向。表面1作用于芯片中的节点,表面2作用于工件中的节点。

有限元(2)

  图8.没有节点分离的材料分离:(a)重新网格化之前; (b)重新评估后。在该技术中,表面上的节点在表面上移动而没有分离。每次重新网格化步骤都会删除材料。如果重新网格化经常完成并且网格密度高,通过该移除引入的误差可以保持非常小。

  由于元件仅在重新网格化时被移除,因此它们可以在工具和工件之间承载非物理的负载。与节点分离技术中的人为负载相反,此负载试图保持芯片和工件在一起,因此有一个标志。

  因此,使用具有相反效果的两个标准允许研究分离标准的影响。如果使用两种方法进行模拟的结果一致,则必须使用人工力对结果的影响可以忽略不计。这些结果将在4.2节中显示。

3.8。实现融合

  对于隐式算法,确保以合理的时间增量进行收敛非常重要。在本节中,描述了一些有助于实现收敛的其他技术。

模拟中使用的ABAQUS软件检查最大残余力,并将其与模型中的平均力进行比较,以测试收敛。这种方法不适合金属切削加工,如与剪切带中出现的最大力相比,模型中的平均力很小。

  因此,该标准收敛标准过于严格。必须相应地调整收敛控制,并且必须与剪切区域内的力的典型值进行比较。这同样适用于计算温度和热流。

  通过在迭代过程期间将计算的校正与计算的增量进行比较并确保它们的小,可以确保该收敛标准足够严格。

  在重新网格化之后,由于变形和材料状态变量的插值,可能无法实现力平衡。这可能会导致初始变形,从而导致阻碍收缩的收敛问题模拟重启。为了避免这种情况,首先引入了人工阻尼5×10-11 s的模拟,使这种变形保持小。这种阻尼增加了与每个节点处的节点速度成比例的力,因此减少了强烈的初始变形。 3已确保人工阻尼能量的量小于总量的0.1%工作,因此它对整体结果的影响可以忽略不计。

Ti6Al4V的切屑形成

  工艺参数和材料属性

  图9显示了以40 m / s的切割速度,42 lm的切割深度和一个耙子生产的分段芯片不连续,正交切割下的0°角[10]中描述的条件。切屑形状不强烈依赖于切削参数。与实验不同,模拟中使用的前角通常为10°,因为前角略微为正更好的收敛行为。由于此处没有模拟和实验之间的定量一致(由于塑性流动曲线的不确定性,见下文),这种差异并不大。

  进入模拟的一个重要参数是工具和工件之间的摩擦系数。实验得出结论,这个值相当小[11]。目前尚不清楚摩擦是否起作用形成剪切带的重要作用是,假设在模拟中没有发生摩擦。进入工具的热量也被忽略了。这种简化不会像热那样强烈地影响芯片形成过程电导率 钛合金很低,因此来自工具表面的热量不会远离芯片。在以后的模拟中增加摩擦和热流将允许研究的影响

有限元(3)

图9。实验性生产的分段芯片。通过蚀刻线清楚地标记剪切带。切削条件:切削速度40 ms,切削深度42 lm,前角0°。

这些影响分开。这对于彻底了解不同现象对芯片形成过程的影响非常重要。

  所用钛合金的热性能由Fraunhofer Institut fu r r Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe(私人通讯)在室温之间测量。温度和1200°C使用激光闪光装置和差示扫描量热计。热导率在室温下为6.8 W / m K,在1185°C时为24.4 W / m K,具体室温下的热量为502J / kg K,890℃时的热量为953J / kg K,热膨胀系数几乎恒定在10-5K-1的值。

  图10显示了用于的塑性流动曲线模拟。给出的值之间的值是线性的。通过高速塑性变形测量获得高达~0.25的应变值[14]应变速率为3000 s-1;对于高于该值的应变,假设材料将软化,如在较低应变速率下观察到的Ti6Al4V [8]。

有限元(4)

  图10.用于模拟的塑性流动曲线。对于大于0.25的应变值,假设等温软化。

在实验中难以确定软化,因为在测试样品中形成剪切带,因此整个样品变形的测量与真实的材料行为不相关。相当强大这里假设的软化可能是不现实的,但它有利于形成绝热剪切带,因此可以更容易地研究分段过程。

  根据此处描述的材料定律,剪切区中材料的帘状轴向剪切破坏仅由过量的临界应变引起。然后剪切带的宽度由元件尺寸确定,其具有选择产生的剪切带宽度与实验中所见的相当。更现实的材料法则不会使用强应变软化,而是依靠热软化来形成剪切带。此外,还应考虑与利率相关的收益率。利用这种材料定律,剪切带的宽度将通过热传导确定并且将与网格密度无关。因为我们最感兴趣的是段的变形,这里使用更简单的方法来节省计算机时间。未来将进行更现实的法律模拟[6]。

  转化为热量的塑性变形能量的分数(泰勒 - 奎尼系数)也难以测量。根据[17]使用了0.9的值。

  有关模拟的详细信息

  模拟中的元素数量随着段数的增加而变化。对于下一节中显示的模拟,在模拟开始时使用了大约5000个元素和7000个节点,并且使用了10 000个元素和最近的12 000个节点,其中几个段必须被网格化。在剪切区中元件边缘长度约为0:7lm。在HP C360工作站上,此模拟所需的计算机时间为五天。

  一些网格示例可以在图11中看到

  第4.4节中描述的低速模拟使用更细的网格密度进行,边缘长度在垂直于剪切带的方向上约为0:3 lm。元素的数量相应较大,最多为使用了17 000个元素。

  芯片的强曲率导致芯片渗透到材料中。为了避免这种情况,引入了辅助接触表面,其将芯片与未切割材料分开。这个接触面可以在图11中看作水平线。

有限元(5)

图11。

  在切割过程的不同阶段使用有限元网格,分段切屑形成。注意剪切区域的强烈细化和第一段网格的粗化。辅助水平定向未切割材料上方的接触表面显示为一条线。

在解释模拟结果之前,必须研究分离技术的影响。图12示出了在几乎相同的时间步长下利用节点分离和纯变形技术产生的芯片。五两种模拟的切割条件。

  该工具被假定为刚性,因此工具的网格划分是无关紧要的。添加它是为了在模拟的后期允许热传导和工具变形。

  5由于自动计算时间增量,因此无法在完全相同的时间步长拍摄两张照片。

有限元(6)

  图12.使用两种不同分离技术进行的两次模拟中的等效塑性应变:(a)节点分离方法; (b)纯变形方法。后者模拟中的网格密度略高剪切带,使剪切带更窄。变形模式之间的一致性仍然相当不错。切割参数:切割深度40 lm,切割速度50毫秒,前角10°。如下:切割深度40 lm,切割速度50 m / s,前角10°。

  可以看出,芯片的整体变形非常相似。甚至变形模式的细节,如分割程度(最小芯片高度与最大芯片高度的比率)和“分裂”剪切带的出现在工具提示附近,尽管存在细微的差异,但在两种模拟中都相当吻合。在使用变形技术的模拟中,剪切带更窄,这是由于网格密度为那里略高。

  切割力在两种模拟中振荡,节点分离技术在约-20和20之间-42 N,对于变形技术,力是稍微大一点,介于-23和-45 N之间。原因是材料的应变会略微穿透进入工具。如果工具不是无限尖锐的话,可以预期协议会更好。在两种情况下,振荡的频率(以及因此剪切带形成)的频率相同。

  比较结果表明,变形模式非常吻合。两种技术之间的力量变化约10%,但它们对于下面提出的调查并不太相关。不过,一个如果要对切削力进行详细研究,则应为纯变形模型选择改进的刀具形状。

  研究的另一个重要方面是网格密度。细化网格进一步导致模拟中更窄的剪切带,但仅限于切削力的微小差异和由此产生的变形模式(分割,即最大和最小分段高度的比率,略微增加,剪切带宽度减小)。由此可以得出结论,使用的网格不够精细。但是,因为没有速率依赖硬化和等温流动曲线显示最大值,没有机制来约束剪切带的变窄。在所使用的条件下,剪切带可以预期变为单一的。因此使用的任何网格都会遭受这个问题,这是由于对材料的塑性行为的过于简化的假设。选择下面所示模拟的网格密度,使得剪切带的宽度与之一致实验观察到的值。

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