Slitina wolframu a molybdenu je obtížně obrobitelný materiál s vysokými náklady na zpracování, nízkou účinností zpracování a silným opotřebením nástrojů. Pomocí softwaru pro analýzu konečných prvků ABAQUS byl vytvořen trojrozměrný model frézování slitiny wolfram-molybden a proces frézování slitiny wolfram-molybden byl studován pro různé řezné parametry. Variační zákon řezné síly a řezné teploty je ověřen testem frézování pro ověření účinnosti simulačního modelu. Optimální kombinace řezných parametrů byla získána pomocí ortogonálních experimentů, tj. řezná rychlost vc=60 m/s, zadní záběr ap=3 mm, posuv na zub fz=0,16 mm/z .
preambule
1
Wolfram a molybden jsou bohaté na zásoby a jsou v mé zemi široce rozšířené. Wolfram a molybden patří do skupiny VIIB prvků v periodické tabulce prvků a jsou typickými kovy s vysokým bodem tání. Vzhledem k tomu, že slitina wolframu a molybdenu má vyšší bod tání a nižší hustotu než čistý wolfram, kombinuje výhody wolframu a molybdenu. Odolnost proti korozi a ablaci [1], takže se stává důležitým materiálem v oblasti letectví a kosmonautiky, lze jej použít v tryskách raketových motorů a klíčových součástech plynových turbín a má širší vyhlídky uplatnění v budoucí průmyslové oblasti.
Aby vědci mohli studovat princip řezání slitiny wolframu a molybdenu, provedli mnoho výzkumných prací. Když Luo Zhengchuan [2] použil nástroje ze slinutého karbidu k řezání slitin na bázi wolframu, opotřebení nástroje bylo extrémně rychlé a hlavní forma opotřebení, která způsobila selhání nástrojů ze slinutého karbidu, byla trojúhelníková oblast opotřebení, která se objevila v průsečíku hlavních nástrojů. bok a pomocný bok. Hlavní příčinou opotřebení nástroje je mechanické opotřebení způsobené tvrdými hroty a difúze kobaltu jako pojiva ve slinutém karbidu urychluje opotřebení nástroje. Při řezání slitin na bázi wolframu Ye Yi [3] zjistil, že jemnozrnné nebo ultrajemnozrnné nástroje ze slinutého karbidu na bázi WC s povlaky odolnými proti opotřebení na povrchu mají kratší životnost. Obrábět jeho slitiny je neekonomické. Kompozitní keramické nástroje nejsou vhodné pro řezání materiálů s vysokým obsahem wolframu a životnost diamantových nástrojů PCD se výrazně nezlepší ve srovnání se slinutým karbidem na bázi WC. Wolfram a jeho slitinové materiály se nejlépe zpracovávají pomocí PCBN řezných nástrojů a jakostí s vyšším obsahem CBN (jako je DBC80), takže lze získat lepší ekonomické výhody.
Software pro analýzu konečných prvků ABAQUS je běžně používaný software pro simulaci obrábění kovů. Má výkonné nelineární analytické funkce a dokáže realizovat tepelně-mechanickou vazbu. Slitina wolframu a molybdenu je obtížně obrobitelný materiál, který má vysoké náklady na zpracování, nízkou efektivitu zpracování a silné opotřebení nástrojů. Proto tento článek používá software pro analýzu konečných prvků ABAQUS k vytvoření trojrozměrného modelu frézování slitiny wolframu a molybdenu. Řezná síla a řezná teplota generované v procesu se mění a nakonec se pomocí ortogonálního testu získá optimální kombinace parametrů frézování, která poskytuje referenci pro skutečný proces frézování.
Modelování konečných prvků ze slitiny wolframu a molybdenu
2
2.1 Model geometrie nástroje
Simulace používá standardní frézu s čepelí ze slinutého karbidu 4-a specifikace jsou uvedeny v tabulce 1. Model frézy je generován pomocí softwaru pro 3D modelování SolidWorks, jak je znázorněno na obrázku 1. Protože účel této studie je analyzovat změny řezné síly a řezné teploty při různých parametrech frézování a vzhledem k tomu, že hlavní řezná hrana nástroje je mnohem menší než obrobek, je nástroj v analýze konečných prvků ABAQUS považován za tuhé těleso, bez ohledu na deformace a opotřebení nástroje, fyzikální parametry nástroje jsou uvedeny v tabulce 2.
Tabulka 1 Specifikace nástroje (jednotka: mm) obrázek
obrázek
Obrázek 1 Model frézy
Tabulka 2 Fyzikální parametry nástroje
obrázek
2.2 Konstitutivní model materiálu slitiny wolframu a molybdenu
Simulačním materiálem obrobku v tomto článku je slitina wolframu a molybdenu a hlavní fyzikální a mechanické parametry výkonu jsou uvedeny v tabulce 3[4].
Tabulka 3 Fyzikální parametry materiálů slitiny wolframu a molybdenu
obrázek
V procesu řezání kovů ve většině případů materiály podléhají elasticko-plastické deformaci za vysoké teploty, vysokého napětí a vysoké rychlosti deformace, takže vytvoření rozumného materiálového modelu je také klíčovým krokem pro úspěšnou simulaci. Materiálový model v tomto článku přejímá Johnson-Cookův konstitutivní model, který může odrážet účinek deformačního zpevnění, deformačního zpevnění a tepelného změkčení materiálu a jeho forma je
obrázek
Ve vzorci je σ průtokové napětí (MPa); ε je plastická deformace; ε0 je referenční rychlost deformace; T je teplota (stupeň); Tr je pokojová teplota ( stupeň ); Tm je bod tání materiálu ( stupeň ); A, B, C, ma n jsou materiálové parametry a hodnoty jsou uvedeny v tabulce 4[5].
Tabulka 4 Johnson-Cook konstitutivní parametry modelu materiálů slitiny wolframu a molybdenu
obrázek
2.3 Kontaktní a okrajové podmínky
Vytvořte atribut kontaktu, a protože je nástroj během simulace považován za tuhé těleso, musíte vytvořit další vazbu tuhého tělesa. V prvním kroku analýzy vytvořte okrajovou podmínku, která omezí všechny stupně volnosti na straně obrobku. Nástroj potřebuje omezit 4 stupně volnosti a nastavit rotaci a pohyb kolem osy Z, kde rychlost rotace je rychlost vřetena a rychlost pohybu je rychlost posuvu. Vytvořte předdefinované teplotní pole a definujte teplotu obrobku jako 298 K.
2.4 Rozdělení pletiva
Kvalita dělení sítě má velký vliv na výsledky simulace metodou konečných prvků. Proto by při vytváření sítě modelu měl být nejprve vybrán vhodný typ jednotky sítě a měla by se komplexně zvážit přesnost a cena, aby bylo možné rozumně řídit hustotu sítě. Čím hustší mřížka, tím vyšší přesnost výsledků simulace, ale zvýší se tím výpočetní náklady. Minimální velikost mřížky nástroje a mřížky obrobku je 0,02 mm a nástroj a obrobek jsou rozděleny do jednotných mřížek. Struktura nástroje je složitá, používá čtyřstěnnou nesamostatnou strukturální mřížku, typ je C3D10MT a mřížka nástroje má 74400 jednotek. Obrobek využívá šestistěnnou strukturovanou mřížku, mřížka obrobku je 26250 jednotek a typ mřížky obrobku je C3D8RT. Nástroj a obrobek po záběru jsou znázorněny na obr. 2 a obr. 3 v tomto pořadí.
obrázek
Obrázek 2 Mřížka nástrojů
obrázek
Obrázek 3 Mřížka obrobku
2.5 Modelové řešení
ABAQUS/Explicit se používá pro výpočet modelu a typem kroku analýzy je dynamický explicitní krok analýzy tepelně-mechanické vazby. Po dokončení výpočtu lze výsledky prohlížet a analyzovat prostřednictvím modulu následného zpracování ABAQUS. Výsledky simulace frézování jsou na obr. 4. Obr.
obrázek
Obrázek 4 Výsledky simulace frézování
Simulovaný ortogonální test
3
3.1 Experimentální design
Tento experiment studuje především vliv řezné rychlosti vc, zpětného záběru ap a posuvu na zub fz na řeznou sílu a řeznou teplotu v procesu frézování slitiny wolframu a molybdenu, proto je nastavena ortogonální tabulka se třemi faktory a čtyřmi úrovněmi (viz. Tabulka 5), tj. vezměte vc, ap a fz jako nezávislé proměnné. Jako odpověď nechejte šířku řezu ae=1mm, minimální řeznou sílu F a minimální řeznou teplotu T [6]. Podle principu výběru ortogonální zkušební tabulky je přijata ortogonální tabulka L16 a uspořádání zkoušek a výsledky jsou uvedeny v tabulce 6.
Tabulka 5 Ortogonální faktory a úrovně
obrázek
Tabulka 6 Výsledky ortogonálního testu
obrázek
3.2 Analýza výsledků simulace metodou konečných prvků
Metoda rozsahu R se používá k analýze výsledků ortogonálního testu a rozsah se vztahuje k rozdílu mezi maximální hodnotou a minimální hodnotou odpovídající každému indexu úrovně. Metoda analýzy vzdálenosti, označovaná jako metoda R, je nejběžněji používanou metodou pro analýzu výsledků ortogonálních experimentů. Tato metoda zahrnuje dva moduly výpočtu a úsudku a dokáže v testu zjistit primární a sekundární, optimální úroveň a optimální kombinaci faktorů [7]. Principem metody R je porovnat rozsah hodnot v každém sloupci výpočtem rozsahu. Čím větší je rozsah, tím větší je vliv faktoru na výsledek, který je hlavním faktorem, a poté analyzujte výsledek pomocí intuitivní metody analýzy. Vezmeme-li minimální řeznou sílu F jako index, viz Tabulka 7 pro analýzu výsledků testu. V tabulce jsou K1, K2, K3 a K4 součtem výsledků testů na každé úrovni každého ovlivňujícího faktoru a k1, k2, k3 a k4 jsou odpovídající průměrné hodnoty. hodnota.
Tabulka 7 Analýza výsledků testu Index F (jednotka: N) Obrázek
From Table 7, it can be concluded that the amount of back cutting and feed per tooth have a great influence on the cutting force, and the primary and secondary influences are B>C>A, takže optimální schéma indexu F je B1C2A2, to znamená, že řezná rychlost vc je 60m/s, velikost posuvu na zub fz je 0,16 mm/z a velikost zpětného řezání ap je 2 mm. Vezmeme-li jako index minimální řeznou teplotu T, analýza výsledků testu je uvedena v tabulce 8.
Tabulka 8 Analýza výsledků testu indexu T (jednotka: K)
obrázek
From Table 8, it can be concluded that the cutting speed and the amount of back cutting have a great influence on the cutting temperature, and the primary and secondary effects are A>C>B, takže preferované řešení je A1B12C4, to znamená, že řezná rychlost vc je 50m/s a rychlost posuvu na zub. Hodnota fz je 0,16 mm/z a hodnota ap je 4 mm.
Test frézování slitiny wolframu a molybdenu a ověření modelu
4
4.1 Experimentální design
Za účelem ověření platnosti modelu konečných prvků frézovacího testu wolfram-molybdenové slitiny bylo k frézování použito CNC obráběcí centrum JOHNFORD-VMC-850 a standardní fréza z tvrdokovu s hranou 4- vybrán jako nástroj (viz obrázek 5).
obrázek
Obrázek 5 fréza
Velikost plechu obrobku je 150 mm × 130 mm × 45 mm. Za účelem upevnění obrobku na dynamometru se před frézováním opracuje na obrobku montážní otvor a otvor se vyvrtá vrtákem z wolframové oceli φ8,6 mm a poté se pro upevnění prostrčí šestihranným šroubem s válcovou hlavou M8. V experimentu byl pro měření řezné síly použit třícestný dynamometr KISTLER9257b, siloměr byl upevněn na stole obráběcího stroje přítlačnou deskou a teplota řezu byla měřena infračerveným teploměrem. Upevnění dynamometru a obrobku je znázorněno na obrázku 6 a proces měření síly a teploty je znázorněn na obrázku 7.
obrázek
a) Opracování montážních otvorů
obrázek
b) Siloměr je pevný
Obrázek 6 Upevnění siloměru a obrobku
obrázek
a) Měření řezné síly
obrázek
b) Měření řezné teploty
Obrázek 7 Proces měření síly a teploty
4.2 Ověření modelu
Pro testování byly vybrány tři skupiny řezných parametrů. Simulované hodnoty, naměřené hodnoty a chyby řezné síly a řezné teploty jsou uvedeny v tabulce 9 a tabulce 10. Z tabulky 9 a tabulky 10 je vidět, že maximální chyba výsledků simulace je 15,6 %, což je v rozmezí 20 %. , takže výsledky testů splňují požadavky inženýrských aplikací.
Tabulka 9 Hodnota simulace, naměřená hodnota a chyba řezné síly
obrázek
Tabulka 10 Hodnota simulace, naměřená hodnota a chyba řezné teploty
obrázek
závěr
5
V tomto článku je software pro analýzu konečných prvků ABAQUS použit k vytvoření trojrozměrného modelu frézování slitiny wolframu a molybdenu. Podle různých řezných parametrů je studován zákon změny řezné síly a řezné teploty generované v procesu frézování wolfram-molybdenové slitiny a ortogonálními experimenty jsou získány optimální parametry frézování. Kombinace, uveďte odkaz pro skutečné frézování. Získané závěry jsou následující.
1) The back engagement ap and the feed per tooth fz have a great influence on the cutting force F, and the primary and secondary influences are B>C>A. Proto je optimální řešení řezné síly F B1C2A2, tedy vc=60m/s, fz= 0.16mm/z, ap{6}}mm.
2) The cutting speed vc and the back cutting amount ap have a great influence on the cutting temperature T, and the primary and secondary influences are A>C>B. Optimálním řešením řezné teploty T je tedy A1B1C4, tedy vc=50m/s, fz=0.16mm/z,ap=4mm.
3) Komplexně zvažte efektivitu řezání a přínosy při skutečném zpracování a získejte optimální kombinaci parametrů procesu, tj. vc=60m/s, fz=0.16mm/z, ap{{4 }}mm.
