Analiza unghiurilor sculei asupra fortei si temperaturii prin metoda elementelor finite

Simularea procesului de aschiere cu ajutorul Metodei Elementelor Finite

Notiuni introductive

Aschierea este un procedeu tehnologic de modificare a formei si dimensiunilor unui semifabricat, cu ajutorul unor scule aschietoare,pe masini unelte.
Desprinderea aschilorm in procesul de aschiere are loc datorita actiunii sculei aschietoare, asupra careia actioneaza o forta(forta de aschiere) Fa. Presiunea exercitata de scula aschietoare creste progresiv, determinand o deformare locata, initial elastica, iar apoi cu caracter plastic. In fata taisului sculeii aschietoare, cristalele de metal se lungesc si se inclina la un anumit unghi de inclinare, are loc alunecarea grauntilor de metal prin care se produce desprinderea stratului de metal. Datorita frecarilor dintre scula aschietoare si aschie, stratul ce va fi indepartat va fi puternic ecruisat. Frecarile dintre suprafata piesei si scula aschietoare determina ecruisarea stratului superficial de metal.

Miscari necesare realizarii procesului de aschiere:

Desprinderea aschiilor in procesul de aschiere presupune o miscare relativa intre scula aschietoare si suprafata piesei.

Miscarea principala de aschiere (I) este imprimata sculei aschietoare pentru procedee de prelucrare prin gaurire, frezare, mortezare sau piesei de prelucrat pentru prelucrari prin strunjire.Aceasta miscare poate fi:

  • Miscare de rotatie –strunjire,frezare,gaurire
  • Miscare de translatie- rabotare, mortezare.
  • Miscarea de avans longitudinal (II) asigura prelucrarea prin aschiere a unei suprafete pe o anumita lungime (continuitatea aschiei).
  • Miscarea de avans transversale (III) asigura inlaturarea adaosului de prelucrare, dar si prelucrarea suprafetei piesei pe o directie perpendiculara miscarii de avan longitudinal.

Geometria sculei aschietoare:

    • Fata de asezare are rolul de a reduce frecarile intre scula aschietoare si suprafata generata
    • Fata de degajare are rolul de a inlatura aschiile din zona prelucrarii
    • Taisul principal are rolul de a inlatura adaosul de prelucrare sub forma de aschii

Unghiurile cutitului de strunjit sunt determinate de intersectia urmatoarelor plane de referinta:

    • Planul de baza determinat de directia avansului longitudinal si transversal
    • Planul de aschiere, perpendicular pe planul de baza si care trece prin taisul principal
    • Planul secant, perpendicular pe planul de baza si pe taisul principal

Planul secant 2, determinat in raport cu taisul secundar

Parametrii regimului de aschiere sunt:

  • Adancimea de aschiere
  • Avansul de lucru
  • Viteza de aschiere

Adancimea de aschiere este distanta dintre supragata de aschiat si supratata aschiata in directie normala pe suprafata prelucrata.

Avansul de lucru ,S, este spatiul parcurs de scula aschietoare pe generatoarea piesei(sau in directie radiala), la o rotatie completa a semifabricatului.

Viteza de aschiere este spatiul parcurs de taisul sculei aschietoare in raport cu piesa de prelucrat, in unitatea de timp.Viteza de aschiere se  determina prin calcul sau se alege din normative.

Pentru simularea procesului de aschiere cu ajutorul MEF trebuie sa parcurgem 3 etape:

  • Etapa de preprocesare a datelor
  • Etapa de procesare a datelor
  • Etapa de Postprocesare

Etapa de preprocesare presupune pregatirea modelului pentru analiza.

Aici vom atribui o geometrie atat piesei de prelucrat, cat si cutitului,vom atribui un material, material ce va trebui impartit in: material pentru zona piesei, cat si material pentru zona de aschiere (zona dintre suprafata indepartata si piesa), vom impune binenteles niste constante, vom atribuii constante si vom stabilii zonele de frontiera si incastrarile, vom discretiza in elemente finite, iar nu in ultimul rând vom încarca modelul.

Etapa de procesare, reprezinta defapt calcule utilizate de soft in vederea obtinerii unui rezultat.Acest rezultat nu este intotdeauna favorabil.

            In ultima etapa, etapa de postprocesare vizualizam rezultatele analizei cu element finit, rezultate ca tensiuni, deformatii, deplasari, forte etc.

Obtinerea datelor experimentale

Procedeul de aschiere este des folosit pentru obtinerea produselor sau pieselor realizate din materiale metalice. Fenomenul fizic ce sta la baza aschierii este reprezentat de deformarea plastica a materialelor metalice, predominant prin forfecare. Materialul indepartat sub forma de aschii este caracterizat de un grad de deformare plastica ridicat, iar forma geometrica a aschiilor poate fi clasificata in:

a)aschie continua

b)aschie fragmentata

c)aschie dantelata

Inainte de a modeliza formarea aschiei sunt necesare cateva observatii experimentale in urma analizei prin mijloace optice specifice fenomenelor dinamice. Obiectivele acestor observatii este reprezentat de intelegerea clara a mecanismelor de formare a aschiei.

Au fost identificate 3 faze in procesul de deformare a aschiei:

  • Faza deformarii plastice in care tensiunile maximale se regasesc la finalul acestei faze.
  • Faza initierii aschiei, in care pe masura ce deformatia creste, latimea benzii de deformare se diminueaza, iar deformatia aschiei se initiaza.
  • Faza formarii aschiei, in care tensiunea descreste, iar deformatia si temperatura cresc semnificativ.

Pentru modelul dat, am ales un strung conventional pe care se vor face incercarile. Am ales un semifabricat din otel cu urmatoarele caracteristici:

Proprietati elastice:

Young Module E= 210 Gpa

Poisson Module υ= 0.33

Densitate ρ=7800 kg/m3

Vom impune un comportament plastic perfect, cum este in figura de mai jos:

Proprietati termice:

Conductivitate λ=50 W/mK

Caldura specifica Cp=450 J/kgK

Fractia de transformare a lucrului mecanic de deformare in caldura 0.9

Preprocesarea datelor pentru simularea in ABAQUS

Pentru generarea modelului geometric se va folosi modulul PART al soft-ului de calcul cu element finit, ABQUS.

Pentru crearea piesei, cu ajutorul comenzii „Create Part”, s-a creeat un corp deformabil, materializat prin o suprafata „Shell” apoi s-a creat o schita de urmatoarele dimensiuni si forme.

Pentru crearea cutitului, cu ajutorul comenzii „Create Part”, s-a desenat un corp analitic rigid cu urmatoarea forma si de urmatoarele dimensiuni:

In urma creearii suprafetei piesei, s-a creat o partitie necesara pentru precizarea criterilor de initiere si deteriorare a zone dintre varful cutitului si zona prelucrata.Zona ce va fi deteriorata este de 0.5 mm.

Stabilirea comportamentului materialului piesei se face in modulul „Property”, astfel:

Se vor creea 2 materiale identice cu proprietatiile date mai sus, la punctul b) , insa unul dintre ele va avea in plus niste proprietati specifice aschierii „Shear Damage”, proprietati ce au valorile de mai jos.

Acest material(Material 1), cu proprietatiile aschierii puse, va fi atribuit zonei partitionate mai sus, iar Material 2, va fi atribuit celor 2 zone ramase.

CONDITII IMPUSE SCULEI SI PIESE IN ABAQUS

Analiza fortei de aschiere in functie de grosimea așchiei ,unghiul de degajare γ și unghiul de așezare α

Cazul 1)

  • Grosimea așchiei = 6 mm
  • Unghiul de degajare γ = 90o
  • Unghiul de așezare α = 0o

Cazul 2)

  • Grosimea așchiei = 4mm
  • Unghiul de degajare γ = 70o
  • Unghiul de așezare α = 10o

Cazul 3)

  • Grosimea așchiei = 2mm
  • Unghiul de degajare γ =70o
  • Unghiul de așezare α = 10o

Analiza evolutiei temperaturii in functie de viteza de așchiere, grosimea așchiei și de coeficientul de frecare

CAZUL 1)

Cazul a)

  • Viteza de aschiere= 2
  • Grosimea aschiei= 0,6
  • Coeficientul de frecare=0,01

Cazul b)

  • Viteza de aschiere=2
  • Grosimea aschiei=0,6
  • Coeficientul de frecare=0,03

Cazul c)

    • Viteza de aschiere=5
    • Grosimea aschiei=0,6
  • Coeficientul de frecare=0,03

CAZUL 2)

Cazul a)

  • Viteza de aschiere= 2
  • Grosimea aschiei= 4
  • Coeficientul de frecare=0,1

Cazul b)

  • Viteza de aschiere=2
  • Grosimea aschiei=4
  • Coeficientul de frecare=0,3

Cazul c)

  • Viteza de aschiere=5
  • Grosimea aschiei=4
  • Coeficientul de frecare=0,3

CAZUL 3)

Cazul a)

  • Viteza de aschiere= 2
  • Grosimea aschiei= 4
  • Coeficientul de frecare=0,1

Cazul b)

  • Viteza de aschiere=2
  • Grosimea aschiei=4
  • Coeficientul de frecare=0,3

Cazul c)

  • Viteza de aschiere=3
  • Grosimea aschiei=4
  • Coeficientul de frecare=0,3

CONCLUZII

Caz ap γ α va µ F

t

1 6mm 90 0 2 0,01 25N 80
2 0,03 80
5 0,03 120
2 4mm 70 10 2 0,01 4N 60
2 0,03 60
5 0,03 80
3 2mm 70 10 2 0,01 3N 60
2 0,03 60
5 0,03 60

In urma simularii cu element finit a procesului de strunjire in ABAQUS reiese faptul ca:

Pentru forta:

  • Forta scade o data cu grosimea
  • Unghiul de degajare nu influenteaza forta
  • Unghiul de asezare nu influenteaza forta

Pentru temperatura:

  • Temperatura scade o data cu grosimea aschiei
  • Temperatura creste o data cu viteza de aschiere
  • Cu cat coeficientul de frecare este mai mare cu atat temperatura creste

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *