Un modèle d'éléments finis de coupe métallique à grande vitesse avec cisaillement adiabatique （3）

Le processus de formation des puces

La figure 13 montre l'histoire de la formation de puces pour une simulation produite avec la technique de déformation. La variable de contour est la déformation en plastique équivalente, coupée à un maximum de 3. (un tracé de la température est très Semblable à cela, car la conductivité thermique est petite.) Les conditions de coupe étaient les mêmes que sur la figure 12.

La forme du premier segment et de la bande de cisaillement est différente de celle suivante. Il montre une bande de cisaillement fortement divisée, tandis que ces dernières bandes de cisaillement ne sont divisées que légèrement du côté de l'outil. La courbure de ce premier Le segment est beaucoup plus fort, de sorte qu'il contacte le matériau non coupé. Ces derniers segments sont très similaires les uns aux autres, avec une distance constante entre les segments et un degré similaire de segmentation. La différence entre la première et Les segments suivants sont dus à la différence de géométrie entre le matériau initialement non coupé et le matériau avec une bande de cisaillement.

La déformation des puces produites expérimentalement est différente de la simulation sous deux aspects: le degré de segmentation est plus fort dans l'expérience (cela est dû en partie à la densité du maillage, voir ci-dessus) et la distance entre Les bandes de cisaillement sont également plus grandes (voir la figure 9 pour la comparaison). Ceci est probable principalement en raison de la différence dans l'angle de râteau. Erreurs dans le flux plastique

Fig. 13. Développement d'une puce segmentée. La contrainte plastique équivalente comme un tracé de contour. L'échelle est choisie de telle sorte que la couleur la plus foncée indique toutes les valeurs de plus de 3. Paramètres de coupe: profondeur de coupe 40 lm, vitesse de coupe 50 ms, angle de râteau 10 °. Les courbes peuvent également jouer un rôle, mais cela ne peut pas être décidé pour le moment. La courbure des puces n'est pas non plus en accord, car les puces simulées sont plus fortement incurvées.

Le matériau entre les bandes de cisaillement n'est que faiblement déformé. La déformation est plus forte du côté outil de la puce pour des raisons géométriques. Cela est vrai à la fois dans la simulation et dans l'expérience. La petite déformation des régions entre les bandes de cisaillement entraîne une faible augmentation de la température; Dans les simulations, La température maximale dans les bandes de cisaillement atteint 800 ° C ou plus, tandis que les régions les moins déformées sont à des températures inférieures à 150 ° C. En raison de la faible conductance thermique du matériau, ces différences ne sont même pas sorties dans la simulation temps considéré.

Une étude détaillée de la formation d'une bande de cisaillement est montrée sur la figure 14. À partir de cela, plusieurs étapes du processus de formation de la bande de cisaillement peuvent être distinguées:

Légère déformation plastique de toute la région devant la pointe de l'outil, pliage vers le haut de l'arrière du matériau.

Une zone de déformation se forme devant la pointe de l'outil.

Une petite région à l'arrière de la pièce commence à se déformer plastiquement.

Les deux zones de déformation se joignent et la déformation plastique se localise.

Le segment cisaille fortement le long de la bande de cisaillement.

Une deuxième zone de cisaillement peut se former conduisant à une bande de cisaillement divisée qui est courbée vers le bas.

On peut voir à partir de la simulation que la bande de cisaillement ne commence pas simplement à se former devant la pointe de l'outil, puis s'étend à travers la puce. Au lieu de cela, une deuxième région de déformation se forme d'abord sur les puces à l'arrière, et seulement Ensuite, les deux régions se joignent. 6 Si le cisaillement à la surface induit des fissures, cela pourrait conduire à la formation de fissures aux premiers stades du processus de segation de la puce. Cependant, cela ne peut cependant pas être conclu de la simulation actuelle.

Un autre aspect intéressant est la formation de bandes de cisaillement divisées. La bande de cisaillement se penche vers le haut à mesure que la pointe de l'outil avance et qu'une nouvelle zone de déformation se forme devant la pointe de l'outil, conduisant à une deuxième bande de cisaillement qui rejoint le première. Dès que la deuxième bande de cisaillement s'est formée, la déformation se concentre dans cette région et la moitié supérieure de la bande de cisaillement ne se forme plus. Cela peut être vu à partir du taux de déformation, qui devient petit dans la moitié supérieure de la bande de cisaillement et grande dans la partie inférieure dès que le fractionnement se produit.

Cette bande de cisaillement divisée ne semble pas être un artefact de simulation, malgré le fait que sa forme détaillée est affectée par le mécanisme de séparation (voir Fig. 12). Des bandes de cisaillement similaires ont été observées dans une autre simulation (voir [19], Fig. 9) et ils ont également été trouvés expérimentalement (voir Fig. 15).

Une raison possible de l'occurrence de ces bandes de cisaillement peut être comprise à partir de la figure 16. La bande de cisaillement se forme initialement comme une ligne presque droite, comme le montre la figure 16 (à gauche). À mesure que l'outil avance, la région matérielle a directement devant de la pointe de l'outil et en dessous de la bande de cisaillement doit être supprimée. Une possibilité pour cela est de courber fortement la bande de cisaillement vers le haut tandis que l'outil avance, 7 de sorte que le matériau à retirer se déplace vers la gauche et vers le haut. Cependant, cela nécessiterait une forte déformation plastique dans la zone S2 à gauche de la bande de cisaillement, où la température est encore petite et l'énergie requise pour la déformation est en conséquence grande, et également une déformation dans le segment déjà formé S1. Si une bande de cisaillement divisée se forme plutôt à gauche de la région A, cette région peut être déplacée par cisaillement le long de la bande de cisaillement, ce qui est beaucoup plus facile. Cela provoque tous La puce déjà formée (S1) pour se déplacer également le long de la zone de cisaillement, et comme la bande de cisaillement est incurvée, la puce devient également courbée. La région A devant la pointe de l'outil modifie ainsi son rôle: au début, il appartient à la nouvelle formation Segment S2, mais dès que la deuxième bande de cisaillement prend le relais, elle appartient cinétiquement au segment S1 déjà formé. Les contraintes géométriques nécessitent encore une petite déformation dans cette région, mais le matériau à gauche de la bande de cisaillement uniquement doit se déformer légèrement afin d'accueillir la (petite) courbure de la bande de cisaillement.

La formation de la bande de cisaillement divisée n'est bien sûr pas un phénomène purement géométrique: une déformation continue de la région A dans la figure pourrait provoquer un effet similaire sans une forte localisation. Si la déformation dans cette zone Les concentrés dans une deuxième bande de cisaillement dépendent des courbes d'écoulement et de la tendance de la déformation à se localiser.

Une comparaison des bandes de cisaillement divisées simulées et du décompte de l'expérience montre que leur forme diffère: les bandes de cisaillement expérimentales incurvées dans la direction opposée des simulés. Cette différence ne peut pas encore être expliqué, mais l'influence de la friction, de la chaleur de l'outil et des différents angles de râteau peut jouer un rôle dans ce domaine.

La figure 17 montre la force de coupe calculée pour la simulation de la figure 13. Comme prévu, de fortes oscillations de 7 notent que la friction est négligée dans cette simulation, de sorte qu'aucune courbure de bande de cisaillement ne peut être causée par elle. Il est probable que L'inclusion de frottement détruirait au moins en partie les bandes de cisaillement divisées par la forte déformation du côté outil de la puce.

Fig. 14. Détail de la formation de la deuxième bande de cisaillement pour la même simulation que sur la figure 13. Il est montré que la déformation plastique équivalente comme tracé de contour. L'échelle est choisie de telle sorte que la couleur la plus foncée indique toutes les valeurs supérieures à 2.

Le temps entre deux images consécutives est de 50 ns. La ligne horizontale est la surface de contact auxiliaire pour éviter la pénétration de la puce dans la pièce non coupée.

La force se produit, avec une valeur absolue élevée de la force lorsque la déformation n'est pas concentrée et une valeur inférieure en période de localisation de cisaillement et de cisaillement de la puce le long des bandes de cisaillement. Les valeurs absolues de la force sont pas d'accord avec les investigations expérimentales, mais sont trop faibles par un facteur d'environ 2. c'est principalement en raison des incertitudes dans les courbes d'écoulement en plastique et également des différents angles de râteau. D'une part, la diminution de la contrainte à des souches supérieures à 0,2 est probablement exagérée dans les courbes; d'autre part, Les valeurs de contrainte aux taux de déformation extrêmes seront beaucoup plus élevées que celles de la

Fig. 15. Occurrence de bandes de cisaillement divisées dans des puces produites expérimentalement: (gauche) Chip de Ti6al4v (outil sur le côté droit); (à droite) Chip de CK 45 (outil sur le côté gauche) Créé avec une expérience d'arrêt rapide à IEP, Magdeburg. Cette figure a été fourni par U. Schreppel et P. Veit, IEP, Magdeburg.

Fig. 16. Deux étapes pendant la formation d'une bande de cisaillement divisée. Les configurations sont tirées du quatrième et du septième état montré sur la figure 14. Le segment S1 est déjà formé dans le premier état, le segment S2 commence à évoluer. L'avance L'outil doit supprimer la région A. La bande de cisaillement divisée devant A permet de déplacer cette région vers la position marquée par B dans la figure de droite. Le segment S1 déjà formé n'est que légèrement déformé pendant ce processus. Le fractionnement du La bande de cisaillement permet ainsi d'accueillir l'élimination du matériau de la région A sans forte déformation soit dans S1 ou dans S2

Études paramétriques

Le modèle d'éléments finis permet d'étudier l'influence de différents paramètres de matériau et de processus sur la formation des puces. Deux exemples seront montrés dans cette section.

Dans une première expérience, les propriétés élastiques du matériau ont été modifiées. On peut affirmer que la formation de bandes de cisaillement est déclenchée par la libération d'énergie élastique stockée dans le matériau déformé. La figure 18 montre que le La densité d'énergie élastique diminue fortement lorsqu'un segment de puce est formé. La valeur absolue de cette énergie est cependant petite par rapport à l'énergie de déformation plastique. Pour étudier davantage cet effet, le module de Young du matériel était varié entre57,5 et 575 MPa à température ambiante, de sorte que l'énergie élastique stockée changera en conséquence. 8

Les modèles de déformation résultants sont similaires pour ces trois cas, mais le degré de segmentation change légèrement, correspondant à un changement dans la fréquence de segation. Cela peut être vu sur la figure 19, où la force de coupe est montré pour les trois cas différents. Plus le module élastique est faible, plus le degré de segmentation et le temps de segmentation sont élevés. Une explication possible est qu'une plus grande quantité d'énergie élastique stockée facilite le cisaillement ou que Le cisaillement en plastique est préféré car la déformation élastique de la région à gauche de la bande de cisaillement est énergiquement défavorable. Une autre possibilité est que la déformation se concentre plus fortement dans le matériau plus rigide et augmente ainsi la fréquence de segmentation. Une enquête plus détaillée 8 Notez que la quantité d'énergie élastique est délimitée par la limite d'élasticité fixe du matériau, de sorte que le matériau avec le module élastique inférieur a l'énergie de déformation plus élevée si le matériau se déforme plastiquement.

Fig. 18. Densité d'énergie élastique (en unités MJ / mm3) au deuxième et quatrième pas de temps de la figure 14. L'échelle est choisie de telle sorte que la couleur la plus sombre indique toutes les valeurs supérieures à 20. La densité d'énergie diminue fortement pendant la Formation de la bande de cisaillement, faisant allusion que la libération d'énergie élastique peut influencer la formation de la bande de cisaillement.

Fig. 19. Force de coupe pour trois simulations avec différentes propriétés élastiques. On peut voir que la fréquence de segmentation est réduite avec l'augmentation du module élastique. Paramètres de coupe: profondeur de coupe 40 lm, vitesse de coupe 50 m / s, râteau angle 10 °.de l'influence du module élastique est nécessaire pour comprendre à fond cette question.

En deuxième variation, la vitesse de coupe a été réduite d'un facteur de 100 à 0,5 m / s. À cette vitesse, la conductivité thermique est suffisamment élevée pour qu'aucune concentration de température forte n'est possible. En raison de la maman maxi dans le flux plastique Courbes, il devrait néanmoins s'attendre à ce que la segmentation des puces se produise comme elle le fait également expérimentalement. (Ce fait faisait partie de la raison d'utiliser des courbes de débit avec un maximum clair.) C'est en effet vrai, mais il ne peut être vu que dans le Simulation si la densité du maillage est encore augmentée, comme mentionné dans la section 4.2. Cela indique que la tendance à former des puces segmentées est plus petite à la vitesse de coupe inférieure.

Perspectives

Un modèle d'éléments finis du processus de coupe métallique utilisant un logiciel standard (ABAQUS / Standard) a été montré. Le modèle repose sur les techniques suivantes:

utilisation d'éléments quadrilatères;

remontage fréquent;

forme spéciale du maillage initial;

Remeshing discontinu pour les puces segmentées;

Utilisation de deux techniques de séparation différentes.

Le modèle a été appliqué à la coupe orthogonale d'un alliage de titane, en utilisant des courbes d'écoulement plastique basées sur l'expérience, mais possédant une certaine incertitude expérimentale.

Certains résultats produits avec le modèle ont également été montrés. Il est possible d'analyser les détails du processus de formation des puces. La formation de bande de cisaillement commence devant la pointe de l'outil. Une deuxième région de déformation se forme sur la puce à l'arrière, et les deux régions se joignent. La région de formation de De se rétrécit encore, jusqu'à ce que la déformation soit concentrée dans une très petite bande de cisaillement. La bande de cisaillement peut se diviser par la suite, un phénomène qui a également été observé dans certaines expériences.

Une explication possible à cela a été donnée.

De plus, l'influence du module élastique et de la vitesse de coupe a été étudiée. Le module élastique influence le degré de segmentation des puces. Avec des courbes de débit montrant un forte forme de puces segmentées maximales, segmentées Même à faibles vitesses de coupe, si la densité du maillage est augmentée de manière suffisamment.

L'accord entre les puces simulées et les puces produites par le décompte était raisonnable compte tenu des incertitudes des paramètres d'entrée. Le plus important est que le degré de segmentation dans la simulation est plus petit que dans le expériences. Cela peut être causé par les courbes d'écoulement plastique utilisées qui favorisent fortement la génération de bandes de cisaillement, de sorte que la fréquence de segmentation est augmentée et que le degré de segmentation a diminué en conséquence. Cela pourrait Indiquez que la défaillance des matériaux doit être incluse dans la simulation, mais ce n'est pas encore clair.

Pour des raisons de simplicité, la friction et la conduction thermique dans l'outil ont été négligées dans cette étude. Les enquêtes futures comprendront ces processus et permettra ainsi d'étudier leur effet sur le processus de formation des puces.

Une amélioration nécessaire concerne la forme de l'outil, en particulier dans le cas du modèle de déformation pur. Ici, la force passive et la déformation de la surface de la pièce sont beaucoup trop petites, car aucun matériau n'est poussé sous l'outil. La L'hypothèse d'un outil infiniment pointu et la pénétration résultante du matériau dans l'outil (voir Fig. 8) doivent être améliorées en ajoutant un rayon d'outil fini.

Enfin, des études paramétriques peuvent être effectuées afin de comprendre l'influence de différents paramètres de matériau sur le processus de formation des puces. Les variables les plus intéressantes à changer sont les courbes d'écoulement en plastique et le thermique Propriétés de l'alliage de titane. Les résultats de ces études peuvent non seulement aider à comprendre ce qui rend le di ffi cile du titane à couper, mais peut également indiquer des améliorations possibles de l'alliage.