Phân tích mô hình phần tử hữu hạn 3D cho tiện cứng Nghiên cứu các tác động vi hình học đến dao PCBN

3-D MÔ HÌNH CHẤT RẮN VÀ HÌNH ẢNH CHO KHOAN VÀ MÀI PCBN HỢP KIM Những thiết kế được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của lưỡi cắt hình học, tỷ lệ ăn dao và tốc độ cắt trên công cụ mài mòn

Phân tích mô hình phần tử hữu hạn 3D cho tiện cứng: Nghiên cứu các tác động vi hình học đến dao PCBN

QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM (EXPERIMENTAL PROCEDURE)

Trong nghiên cứu này, tiện cứng thép AISI sử dụng dao làm bằng vật liệu PCBN Thanh trụ mẫu với đường kính 1,25 inch và độ dài của thanh là 12 inch được sử dụng trong các thí nghiệm Thanh mẫu được xử lý nhiệt để độ cứng giá trị 55,1 ± 0,7 HRC PCBN kết hợp với hai thiết

kế cạnh đặc biệt, mài và vát (T-mặt), được sử dụng như hình 2 Mảnh hợp kim (TNMN-323) với hàm lượng 50% CBN đã được sử dụng với một Kennametal MTGNR-

123B bằng giá đỡ thủ công với 0 0 dẫn và nghiêng 1 góc

độ là -5 0 Khoan mảnh hợp kim có bán kính trung bình khoảng 20 micromet Góc vát cạnh 20 0 , 0,1 mm chiều rộng vát cạnh và không đáng kể bán kính cạnh theo quy định của nhà sản xuất

(A) (B)

Hình 2 3-D MÔ HÌNH CHẤT RẮN VÀ HÌNH ẢNH CHO

KHOAN VÀ MÀI PCBN HỢP KIM

Những thiết kế được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của lưỡi cắt hình học, tỷ lệ ăn dao và tốc độ cắt trên công cụ mài mòn ở độ sâu cắt không đổi Các yếu tố và mức độ yếu tố được tóm tắt

trong bảng 1 Hai lần lặp lại của mỗi cấp độ yếu tố kết hợp đã

Chuyển động dọc được tiến hành trên một lần kẹp chặt,

độ chính xác cao máy tiện CNC ( Romi Centur 35E) tại một chiều sâu cắt không đổi ở 0.254 mm Chiều dài cắt cho mỗi đường chuyền khoảng 225 mm trong trục ăn hướng Do hạn chế sẵn có, mỗi hợp kim đã được sử

dụng cho một mức độ yếu tố kết hợp, trong đó bao gồm

16 lần lập lại Theo cách này mỗi cạnh chuẩn bị chịu

cùng một số kiểm tra và các cùng chiều dài trục cắt

Cuối cùng, công cụ đo lường được thực hiện khi một thành phần vượt qua sẽ được hoàn tất Mảnh hợp kim PCBN đã được kiểm tra sử dụng một kính hiển vi công

cụ sản xuất để đo lường cánh mặc chiều sâu và phát

hiện tính năng không mong muốn trên mép cắt để đo lực cắt

Các lực cắt được đo với một lực lượng ba thành

phần lực kế (Kistler Loại 9121) gắn trên bàn dao của máy tiện CNC thông qua một bộ chuyển đổi

thiết kế bàn dao tùy chỉnh (Kistler loại 9121) cho hộp giá dao thật cứng vững Tín hiệu điện tạo ra ở các lực kế đã được khuếch đại sử dụng điện bộ

khuếch đại (Kistler Loại 5814B1) Các khuếch đại tín hiệu được thu lại và lấy mẫu bằng cách sử dụng

dữ liệu thu thẻ PCMCIA và phần mềm Matlab trên một máy tính xách tay tại một tần số lấy mẫu 1000

Hz cho mỗi kênh Ba thành phần của kết quả lực

được thể hiện bằng sơ đồ trong hình 3

Hình 3 Minh họa của thanh quay

Lực cắt và mài mòn dao

• Các yếu tố: Kết cấu hình học dao, tốc độ cắt, lượng chạy dao

có ảnh hưởng đến mài mòn dao được trình bày trong hình 4

- Mặt sau của dao bị mài mòn

• Khi tiện cứng, lực hướng tâm được thấy là lực lớn nhất

trong số các lực thành phần như trong hình

Vát mũi nhọn của mảnh hợp kim làm cho lực hướng tâm và lực vòng mạnh hơn như hình

Tăng tốc độ cắt làm giảm bớt lực cắt nên tăng năng suất gia công do giảm thời gian gia công

Tăng mài mòn dao có xu hướng tăng lực cắt nhưng cùng lúc đó làm sắc lưỡi cắt

Mài sắc lưỡi cắt nhờ mòn dao có thể được khi lực cắt thấp

Phân tích phần tử hữu hạn mô hình 3D cho tiện cứng

Phát triển mô hình bằng cách sử dụng phần mềm xây dựng phần tử hữu hạnDEFORM-3D 5.0 như hình Phương pháp xây dựng mô hình là dựa trên công thức Lagrangian phân tích quá trình biến dạng dẻo để mô phỏng dạng phoi

Phôi được mô phỏng giống chất dẻo và dao PCBN được xây

dựng như vật rắn

Hai ứng suất chảy của mô hình vật liệu cho thép AISI H13 được sử dụng

Mô hình thứ nhất là dạng cơ bản của thép AISI 13 được cung cấp bởi phần mềm

DEFORM-3D như trong hình 8

Mô hình thứ 2 là mô hình vật liệu Johnson-Cook được đề xuất bởi Chen vào năm 2006

Phương trình của JohnCook cho thép ASIS H13 là A = 715 MPa, B = 329 MPa, C = 0,03,

Thép H13 là A = 715 MPa, B = 329 MPa, C = 0,03,

n = 0,28 và m = 1,5

Trong phương trình (1) tham số A là trị số ban đầu độ bền của vật liệu ở nhiệt

độ phòng Độ biến dạng dẻo ε được định mức với độ biến dạng chuẩn ban đầu ε0 T0 là nhiệt độ phòng, và Tm là nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, và chúng hằng số

Tham số n sẽ đưa vào tính toán hiệu ứng cứng nguội của công cụ Tham số m

được đưa vào xây dựng hiệu ứng biến dạng do nhiệt

Chúng ta hãy xem xét lại hình 7 các biến dạng 3-D với công cụ bán kính góc Diện tích của phoi được vẽ lại như chi tiết trong hình 9 Như có thể thấy từ những con số thì độ dày của phoi thay đổi từ một giá trị tối đa đến một giá trị tối thiểu trên bán kính góc của công cụ nhờ vào tỷ lệ ăn dao Độ dày của phoi chưa cắt chủ yếu được xác định bằng tỷ lệ ăn dao và bán kính góc cắt của dao

Ba phần quan trọng A-A, B-B và C-C được chỉ trong hình 9

Trong phần A-A, độ dày của phoi chưa cắt lớn hơn bán kính cạnh của dao cắt tại mục B-B thì phoi chưa được cắt có độ dày bằng với bán kính cạnh Tại mục C-C thì độ dày phoi lớn hơn bán kính cạnh của dao cắt và mặt sau của dao sẽ tiếp xúc với phôi Sự tiếp xúc này sẽ sinh ra nhiệt trên dao và trên phôi Với các góc dao khác nhau thì sự tiếp xúc ở dao và phôi, dao và phoi là khác nhau nên cần được xác định một cách cẩn thận việc xác định các ma sát khác nhau trong phân tích 3-D là một công việc của tương lai

• Hình 7

Hình 9 Quan hệ giữa chế độ dao cắt và độ dày phoi khi không cắt dọc theo bán kính góc

Thảo luận và kết quả

• Mô phỏng phần tử hữu hạn 3D được thực hiện cho tình trạng cắt mà sự hao mòn của dao lớn

nhất đã được tiến hành (v= 200m/phút và f=0,05 mm/vòng)

• Trong mô phỏng 2 phương pháp vi hình học (mài tròn và vát) cho mũi dao là mô hình sử dụng 1

phần mềm mô hình rắn

• Mật độ lưới rất cao xung quanh mũi dao của khu vực bán kính góc được sử dụng để giữ lại các chi tiết của vi hình học

• Kích thước phần tử là 0,03941 mm và số

lượng phần tử là 64200 cho các dao vát,và

0.03064 mm và số lượng các phần tử là

119224 cho dao mài

• Mật độ lưới cao trong phôi cũng được sử

dụng để nắm bắt được dòng phoi trong 1 độ sâu tương đối nhỏ của cắt

• Lực dự đoán được thể hiện trong bẳng 3.Trong trục tổng quát và lực đẩy khớp với thí nghiệm

• Tuy nhiên lực cắt được dự đoán lớn hơn nhiều

so với những gì người ta đo được

• Bảng 3:lực dự đoán

• Nhiệt độ trong phôi,phoi và dao cũng được tính toán trong 3D-FEA

• 1 trường nhiệt độ đại diện trong phôi và phoi được đưa ra trong hình 10

• Hình 10.nhiệt độ dự đoán trong phôi,phoi với dao vát PCBN đầu vào

(v=200m/min,F=0,05MM/REV,D=0,254MM)

• Trường nhiệt độ xung quanh cạnh của dao vát

được đưa ra trong hình 11

• “điểm nóng” được tìm thấy ở mặt vát trong

• Trong trường hợp này “điểm nóng”được tìm thấy

hệ số ma sát tương ứng 0.4 và 0.7

• Tăng hệ số ma sát dẫn đến lan rộng điểm nóng trên mặt nghiêng

• Việc sử dụng các mô hình J-c(TH 2)dẫn đến dự đoán nhiệt độ cao hơn so với mô hình hữu

hình,th-1,trong đó các đường cong ứng suất được đưa ra trong ví dụ 8

• So sánh này cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của kết quả ứng suất để mô phỏng gia công

• A Th-2.hệ số ma sát 0.4

Hình 11:nhiệt độ trên dao vát pcbn (V=200 M/MIN,

F=0.05 MM/REV, D=0.254 MM)

• Hình 12 nhiệt độ trên dao mài PCBN

(v=200m/mim,f=0,05 mm/rev.d=0.254 mm)

• Kết quả phân bố ứng suất được tính toán

thông qua phân tích nơi mà dao cắt được định nghĩa là vật thể đàn hồi

• Kết quả và phân bố ứng suất được thể hiện

cho dao vát trong hình 13.tập trung ứng suất cao nhất đã được quan sát tại mặt nghiêng

cuối mặt vát.Hình dạng của đường biên ứng suất tương tự như sườn núi và hình ảnh

miệng núi lửa thu được bằng thực nghiệm

• Hơn nữa tập chung ứng suất cục bộ được tìm thấy ở dao vát lớn hơn dao mài.thể hiện trong hình 13 và 14

• Hình 13.kết quả ứng suất phân bố trên dao vát cbn (v=200m/min,f=0.05

mm/rev.d=0.254MM,th-1 hệ số ma sát =0.7)

• Hình 14:kết quả ứng suất phân bố trên dao mài pcbn (v=200m/min.f=0.05

mm/rev,d=0.254mm)

Kết luận

- Mô phỏng quá trình tiện cứng và khảo sát khả năng của việc

sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu các ảnh hưởng của thông số vi hình học đến dao trong tiện cứng

- Từ kết quả của cuộc thí nghiệm và mô phỏng, có thể kết

luận:

+ Lực cắt và mài mòn mặt sau của dao giảm nhờ bo tròn mũi

mảnh hợp kim ở mức độ vi mô

+ Vát mũi mảnh hợp kim ở mức độ vi mô sẽ giúp ứng suất phân

bố đều, tránh bị tập trung ứng suất

+ Phương pháp phần tử hữu hạn rất hiệu quả để mô hình hóa vật liệu và tính toán ma sát

+ Hệ số ma sát càng lớn thì nhiệt ở dao càng cao

+ Dự đoán nhiệt độ và vùng ứng suất có thể xác định được vị trí mòn dao

+ Để có nhiều dự đoán chính xác hơn, ma sát thay đôi theo bán kính góc bo mũi dao được khảo sát nhờ phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng 3 chiều

+ Thông số vi hình học của dao được thiết kế theo bán kính cong của mũi dao để hạn chế ảnh hưởng của sự thoát phoi có thể gây tăng nhiệt và tập trung ứng suất trên dao