Stop wolframu i molibdenu jest materiałem trudnym w obróbce, charakteryzującym się wysokimi kosztami przetwarzania, niską wydajnością przetwarzania i dużym zużyciem narzędzi. Wykorzystując program do analizy elementów skończonych ABAQUS, ustalono trójwymiarowy model frezowania stopu wolframu z molibdenem i zbadano proces frezowania stopu wolframu z molibdenem dla różnych parametrów skrawania. Prawo zmienności siły skrawania i temperatury skrawania weryfikowane jest za pomocą testu frezowania w celu sprawdzenia efektywności modelu symulacyjnego. Optymalną kombinację parametrów skrawania uzyskano w drodze eksperymentów ortogonalnych, tj. prędkość skrawania vc=60m/s, sprzężenie zwrotne ap=3mm, posuw na ząb fz=0.16mm/z .
preambuła
1
Wolfram i molibden są bogate w zasoby i są szeroko rozpowszechnione w moim kraju. Wolfram i molibden należą do pierwiastków z grupy VIIB w układzie okresowym pierwiastków i są typowymi metalami o wysokiej temperaturze topnienia. Ponieważ stop wolframu i molibdenu ma wyższą temperaturę topnienia i mniejszą gęstość niż czysty wolfram, łączy w sobie zalety wolframu i molibdenu. Odporność na korozję i ablację [1], dlatego staje się ważnym materiałem w przemyśle lotniczym, może być stosowany w dyszach silników rakietowych i kluczowych elementach turbin gazowych, a także ma szersze perspektywy zastosowania w przyszłej dziedzinie przemysłu.
Aby zbadać zasadę skrawania stopu wolframu i molibdenu, uczeni przeprowadzili wiele prac badawczych. Kiedy Luo Zhengchuan [2] używał narzędzi z węglika spiekanego do cięcia stopów na bazie wolframu, zużycie narzędzia było niezwykle szybkie, a główną formą zużycia, która powodowała awarie narzędzi z węglika spiekanego, był trójkątny obszar zużycia, który pojawiał się na przecięciu głównego flanka i flanka pomocnicza. Główną przyczyną zużycia narzędzi jest zużycie mechaniczne spowodowane twardymi punktami, a dyfuzja kobaltu jako spoiwa w węgliku spiekanym przyspiesza zużycie narzędzia. Podczas skrawania stopów na bazie wolframu Ye Yi [3] stwierdził, że drobnoziarniste lub bardzo drobnoziarniste narzędzia z węglika spiekanego na bazie WC z powłokami odpornymi na zużycie na powierzchni mają krótszą żywotność. Obróbka stopów jest nieekonomiczna. Kompozytowe narzędzia ceramiczne nie nadają się do cięcia materiałów ze stopów o wysokiej zawartości wolframu, a żywotność narzędzi diamentowych PCD nie jest znacząco poprawiona w porównaniu z węglikami spiekanymi na bazie WC. Wolfram i jego materiały stopowe najlepiej obrabiać za pomocą narzędzi skrawających PCBN i gatunków o większej zawartości CBN (takich jak DBC80), co pozwala uzyskać lepsze korzyści ekonomiczne.
Oprogramowanie do analizy elementów skończonych ABAQUS jest powszechnie używanym oprogramowaniem do symulacji skrawania metalu. Posiada zaawansowane funkcje analizy nieliniowej i może realizować sprzężenie termomechaniczne. Stop wolframu i molibdenu jest materiałem trudnym w obróbce, charakteryzującym się wysokimi kosztami przetwarzania, niską wydajnością przetwarzania i dużym zużyciem narzędzi. Dlatego w artykule wykorzystano oprogramowanie do analizy elementów skończonych ABAQUS w celu ustalenia trójwymiarowego modelu frezowania stopu wolframu i molibdenu. Generowana w procesie siła skrawania i temperatura skrawania ulegają zmianie, a ostatecznie w wyniku testu ortogonalnego uzyskuje się optymalną kombinację parametrów frezowania, która stanowi odniesienie dla rzeczywistego procesu frezowania.
Modelowanie metodą elementów skończonych stopu wolframu i molibdenu
2
2.1 Model geometrii narzędzia
W symulacji wykorzystano standardowy frez palcowy 4- z węglika spiekanego, a specyfikacje przedstawiono w tabeli 1. Model frezu wygenerowano przy użyciu oprogramowania do modelowania 3D SolidWorks, jak pokazano na rysunku 1. Ponieważ celem tego badania polega na analizie zmian siły skrawania i temperatury skrawania przy różnych parametrach frezowania i biorąc pod uwagę, że główna krawędź skrawająca narzędzia jest znacznie mniejsza od przedmiotu obrabianego, w analizie elementów skończonych ABAQUS zakłada się, że narzędzie jest ciałem sztywnym, niezależnie od odkształcenia i zużycia narzędzia parametry fizyczne narzędzia przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 1 Rysunek specyfikacji narzędzia (jednostka: mm).
zdjęcie
Rysunek 1 Model frezu
Tabela 2 Parametry fizyczne narzędzia
zdjęcie
2.2 Model konstytutywny materiału ze stopu wolframu i molibdenu
Materiałem symulacyjnym przedmiotu obrabianego w tym artykule jest stop wolframu i molibdenu, a główne parametry fizyczne i mechaniczne przedstawiono w tabeli 3 [4].
Tabela 3 Parametry fizyczne materiałów ze stopów wolframu i molibdenu
zdjęcie
W procesie skrawania metali w większości przypadków materiały ulegają odkształceniu sprężysto-plastycznemu pod wpływem wysokiej temperatury, dużego odkształcenia i dużej szybkości odkształcania, dlatego ustalenie rozsądnego modelu materiału jest również kluczowym krokiem dla udanej symulacji. Model materiału w tym artykule przyjmuje model konstytutywny Johnsona-Cooka, który może odzwierciedlać efekt umocnienia przez odkształcenie, efekt umocnienia przez odkształcenie i efekt zmiękczania termicznego materiału, a jego forma jest
zdjęcie
We wzorze σ oznacza naprężenie przepływu (MPa); ε jest odkształceniem plastycznym; ε0 jest referencyjną szybkością odkształcania; T to temperatura (stopień); Tr to temperatura pokojowa (stopnie); Tm to temperatura topnienia materiału (stopień); A, B, C, m i n są parametrami materiałowymi, a ich wartości przedstawiono w tabeli 4 [5].
Tabela 4 Parametry modelu konstytutywnego Johnsona-Cooka materiałów ze stopów wolframu i molibdenu
zdjęcie
2.3 Warunki kontaktowe i brzegowe
Utwórz atrybut kontaktu, a ponieważ podczas symulacji narzędzie jest traktowane jako obiekt sztywny, należy utworzyć kolejne wiązanie obiektu sztywnego. Utwórz warunek brzegowy na etapie analizy początkowej, aby ograniczyć wszystkie stopnie swobody po stronie przedmiotu obrabianego. Narzędzie musi ograniczyć 4 stopnie swobody oraz ustawić obrót i ruch wokół osi Z, gdzie prędkość obrotowa jest prędkością wrzeciona, a prędkość ruchu jest prędkością posuwu. Utwórz predefiniowane pole temperatury i zdefiniuj temperaturę przedmiotu obrabianego na 298K.
2.4 Podział siatki
Jakość podziału siatki ma duży wpływ na wyniki symulacji elementów skończonych. Dlatego też podczas tworzenia siatki modelu należy najpierw wybrać odpowiedni typ jednostki siatki, a następnie kompleksowo rozważyć dokładność i koszt, aby rozsądnie kontrolować gęstość siatki. Im gęstsza siatka, tym większa dokładność wyników symulacji, ale zwiększy to koszt obliczeniowy. Minimalny rozmiar siatki narzędzia i siatki przedmiotu obrabianego wynosi 0.02 mm, a narzędzie i przedmiot obrabiany są odpowiednio podzielone na jednolite siatki. Struktura narzędzia jest złożona, wykorzystuje czworościenną, niezależną siatkę strukturalną, typ to C3D10MT, a siatka narzędzi ma 74400 jednostek. Przedmiot obrabiany przyjmuje siatkę o strukturze sześciokątnej, siatka przedmiotu obrabianego ma 26250 jednostek, a typ siatki przedmiotu obrabianego to C3D8RT. Narzędzie i przedmiot po zazębieniu pokazano odpowiednio na rys. 2 i ryc. 3.
zdjęcie
Rysunek 2 Siatka narzędzi
zdjęcie
Rysunek 3 Siatka detalu
2.5 Rozwiązanie modelowe
Do obliczeń modelu używany jest program ABAQUS/Explicit, a typem etapu analizy jest etap dynamicznej, jawnej analizy sprzężenia termomechanicznego. Po zakończeniu obliczeń wyniki można przeglądać i analizować za pomocą modułu przetwarzania końcowego ABAQUS. Wyniki symulacji frezowania przedstawiono na rys. 4.
zdjęcie
Rysunek 4 Wyniki symulacji frezowania
Symulowany test ortogonalny
3
3.1 Projekt eksperymentalny
W tym doświadczeniu badano głównie wpływ prędkości skrawania vc, zazębienia wstecznego ap i posuwu na ząb fz na siłę skrawania i temperaturę skrawania w procesie frezowania stopu wolframowo-molibdenowego, w związku z czym utworzono tablicę ortogonalną z trzema współczynnikami i czterema poziomami (patrz Tabela 5), czyli przyjmij vc, ap i fz jako zmienne niezależne. Niech szerokość skrawania ae=1mm, minimalna siła skrawania F i minimalna temperatura skrawania T będą odpowiedzią [6]. Zgodnie z zasadą doboru ortogonalnej tabeli testowej przyjmuje się ortogonalną tabelę L16, a układ testów i wyniki przedstawiono w tabeli 6.
Tabela 5 Czynniki i poziomy ortogonalne
zdjęcie
Tabela 6 Wyniki testów ortogonalnych
zdjęcie
3.2 Analiza wyników symulacji elementów skończonych
Do analizy wyników testu ortogonalnego stosuje się metodę rozstępów R, przy czym rozstęp odnosi się do różnicy pomiędzy wartością maksymalną a wartością minimalną odpowiadającą każdemu wskaźnikowi poziomu. Metoda analizy rozstępów, zwana metodą R, jest najczęściej stosowaną metodą analizy wyników eksperymentów ortogonalnych. Metoda ta obejmuje dwa moduły obliczeń i oceny oraz umożliwia ustalenie pierwotnego i wtórnego, optymalnego poziomu i optymalnej kombinacji czynników w teście [7]. Zasada metody R polega na porównaniu zakresu wartości w każdej kolumnie poprzez obliczenie zakresu. Im większy zakres, tym większy wpływ czynnika na wynik, który jest czynnikiem głównym, a następnie analizuj wynik za pomocą intuicyjnej metody analizy. Przyjmując jako wskaźnik minimalną siłę skrawania F, patrz tabela 7 w celu analizy wyników badań. W tabeli K1, K2, K3 i K4 to suma wyników testów na każdym poziomie każdego czynnika wpływającego, a k1, k2, k3 i k4 to odpowiadające im wartości średnie. wartość.
Tabela 7 Analiza wyników testu indeksu F (jednostka: N) Zdjęcie
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, zatem optymalny schemat indeksu F to B1C2A2, czyli prędkość skrawania vc wynosi 60m/s, wielkość posuwu na ząb fz wynosi 0,16mm/z, a wielkość podcięcia ap wynosi 2 mm. Przyjmując za wskaźnik minimalną temperaturę skrawania T, analizę wyników badań przedstawiono w tabeli 8.
Tabela 8 Analiza wyników testu wskaźnika T (jednostka: K)
zdjęcie
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, więc preferowanym rozwiązaniem jest A1B12C4, czyli prędkość skrawania vc wynosi 50m/s, a posuw na ząb Wartość fz wynosi 0,16mm/z, a wielkość ap wynosi 4mm.
Test mielenia stopu wolframu i molibdenu i weryfikacja modelu
4
4.1 Projekt eksperymentalny
W celu sprawdzenia wiarygodności modelu elementów skończonych testu frezowania stopu wolframu i molibdenu do frezowania wykorzystano centrum obróbcze CNC JOHNFORD-VMC-850, a standardowy frez palcowy z węglika spiekanego 4- wybrane jako narzędzie (patrz rysunek 5).
zdjęcie
Rysunek 5 frez
Rozmiar arkusza przedmiotu obrabianego wynosi 150 mm × 130 mm × 45 mm. W celu zamocowania przedmiotu na dynamometrze, przed frezowaniem obrabia się w przedmiocie obrabianym otwór montażowy i wierci się go wiertłem ze stali wolframowej φ8,6 mm, a następnie przez śrubę z łbem walcowym M8 z łbem walcowym z łbem sześciokątnym w celu zamocowania. W doświadczeniu do pomiaru siły skrawania wykorzystano hamownię trójdrożną KISTLER9257b, hamownię mocowano na stole obrabiarki za pomocą płyty dociskowej, a temperaturę skrawania mierzono termometrem na podczerwień. Mocowanie hamowni do przedmiotu obrabianego pokazano na rysunku 6, natomiast proces pomiaru siły i pomiaru temperatury pokazano na rysunku 7.
zdjęcie
a) Obróbka otworów montażowych
zdjęcie
b) Miernik siły jest nieruchomy
Rysunek 6 Mocowanie miernika siły i przedmiotu obrabianego
zdjęcie
a) Pomiar siły skrawania
zdjęcie
b) Pomiar temperatury cięcia
Rysunek 7. Proces pomiaru siły i temperatury
4.2 Walidacja modelu
Do badań wybrano trzy grupy parametrów skrawania. Symulowane wartości, zmierzone wartości oraz błędy siły skrawania i temperatury skrawania przedstawiono w tabeli 9 i tabeli 10. Z tabeli 9 i tabeli 10 wynika, że maksymalny błąd wyników symulacji wynosi 15,6%, co mieści się w granicach 20%. , dzięki czemu wyniki testów spełniają wymagania zastosowań inżynierskich.
Tabela 9 Wartość symulacyjna, wartość zmierzona i błąd siły skrawania
zdjęcie
Tabela 10 Wartość symulacyjna, wartość zmierzona i błąd temperatury skrawania
zdjęcie
wniosek
5
W artykule wykorzystano oprogramowanie do analizy elementów skończonych ABAQUS w celu ustalenia trójwymiarowego modelu frezowania stopu wolframu i molibdenu. W zależności od różnych parametrów skrawania bada się prawo zmienności siły skrawania i temperatury skrawania powstające w procesie mielenia stopu wolframu i molibdenu, a optymalne parametry frezowania uzyskuje się w drodze eksperymentów ortogonalnych. Kombinacja, podać odniesienie do rzeczywistego frezowania. Uzyskane wnioski są następujące.
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. Dlatego optymalnym rozwiązaniem siły skrawania F jest B1C2A2, czyli vc=60m/s, fz= 0.16mm/z, ap=2mm.
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. Zatem optymalnym rozwiązaniem temperatury skrawania T jest A1B1C4, czyli vc=50m/s, fz=0.16mm/ z,ap=4mm.
3) Kompleksowo rozważ wydajność cięcia i korzyści w rzeczywistym przetwarzaniu i uzyskaj optymalną kombinację parametrów procesu, czyli vc=60m/s, fz=0.16mm/z, ap{{4 }}mm.
