Вольфрам-молибденовый сплав представляет собой труднообрабатываемый материал с высокой стоимостью обработки, низкой эффективностью обработки и сильным износом инструмента. С помощью программного обеспечения для анализа методом конечных элементов ABAQUS была создана трехмерная модель фрезерования вольфрам-молибденового сплава и изучен процесс фрезерования вольфрам-молибденового сплава при различных параметрах резания. Закон изменения силы резания и температуры резания проверяется испытанием на фрезерование для проверки эффективности имитационной модели. Оптимальное сочетание параметров резания было получено посредством ортогональных экспериментов, то есть скорость резания vc=60м/с, обратное зацепление ap=3мм, подача на зуб fz=0,16 мм/z. .
преамбула
1
Вольфрам и молибден богаты запасами и широко распространены в моей стране. Вольфрам и молибден относятся к элементам VIIB группы периодической таблицы элементов и являются типичными тугоплавкими металлами. Поскольку вольфрам-молибденовый сплав имеет более высокую температуру плавления и меньшую плотность, чем чистый вольфрам, он сочетает в себе преимущества вольфрама и молибдена. Устойчивость к коррозии и абляции [1], поэтому он становится важным материалом в аэрокосмической области, может использоваться в соплах ракетных двигателей и ключевых компонентах газовых турбин и имеет более широкие перспективы применения в будущей промышленной области.
С целью изучения принципа резания вольфрамомолибденового сплава ученые провели большую исследовательскую работу. Когда Луо Чжэнчуань [2] использовал твердосплавные инструменты для резки сплавов на основе вольфрама, износ инструмента был чрезвычайно быстрым, а основной формой износа, вызывавшей выход из строя твердосплавных инструментов, была треугольная зона износа, которая появлялась на пересечении основных фланг и вспомогательный фланг. Основной причиной износа инструмента является механический износ, вызванный твердыми точками, а диффузия кобальта в качестве связующего вещества в твердом сплаве ускоряет износ инструмента. При резке сплавов на основе вольфрама Е И [3] обнаружил, что мелкозернистые или ультрамелкозернистые инструменты из цементированного карбида WC с износостойкими покрытиями на поверхности имеют меньший срок службы. Механическая обработка его сплавов неэкономична. Инструменты из композитной керамики не подходят для резки материалов из сплавов с высоким содержанием вольфрама, а срок службы алмазных инструментов PCD существенно не увеличивается по сравнению с твердосплавными инструментами на основе WC. Вольфрам и его сплавы лучше всего обрабатывать режущими инструментами из PCBN и марками с большим содержанием CBN (например, DBC80), что позволяет получить большую экономическую выгоду.
Программное обеспечение для анализа методом конечных элементов ABAQUS — это широко используемое программное обеспечение для моделирования резки металла. Он имеет мощные функции нелинейного анализа и может реализовать термомеханическую связь. Вольфрам-молибденовый сплав представляет собой труднообрабатываемый материал, который имеет высокую стоимость обработки, низкую эффективность обработки и сильный износ инструмента. Поэтому в этой статье используется программное обеспечение для анализа методом конечных элементов ABAQUS для создания трехмерной модели фрезерования вольфрам-молибденового сплава. Сила резания и температура резания, генерируемые в процессе, изменяются, и, наконец, с помощью ортогонального теста получается оптимальная комбинация параметров фрезерования, которая обеспечивает эталон для реального процесса фрезерования.
Моделирование методом конечных элементов вольфрам-молибденового сплава
2
2.1 Модель геометрии инструмента
При моделировании используется стандартная концевая фреза с 4-лопастями из цементированного карбида, характеристики которой показаны в Таблице 1. Модель фрезы создается с помощью программного обеспечения для 3D-моделирования SolidWorks, как показано на рисунке 1. Поскольку цель данного исследования заключается в анализе изменения силы резания и температуры резания при различных параметрах фрезерования, и учитывая, что основная режущая кромка инструмента намного меньше заготовки, в анализе методом конечных элементов ABAQUS инструмент считается твердым телом, независимо от того, При деформации и износе инструмента физические параметры инструмента приведены в таблице 2.
Таблица 1. Технические характеристики инструмента (единица измерения: мм), рисунок
картина
Рисунок 1 Модель фрезы
Таблица 2. Физические параметры инструмента
картина
2.2. Конститутивная модель материала вольфрам-молибденового сплава.
Материалом заготовки для моделирования в этой статье является вольфрам-молибденовый сплав, а основные физические и механические параметры представлены в таблице 3[4].
Таблица 3. Физические параметры материалов из вольфрамомолибденовых сплавов
картина
В процессе резки металла в большинстве случаев материалы подвергаются упруго-пластической деформации при высокой температуре, высокой деформации и высокой скорости деформации, поэтому создание разумной модели материала также является ключевым шагом для успешного моделирования. Модель материала в этой статье использует конститутивную модель Джонсона-Кука, которая может отражать эффект деформационного упрочнения, эффект деформационного упрочнения и эффект термического размягчения материала, а ее форма имеет вид
картина
В формуле σ — напряжение течения (МПа); ε — пластическая деформация; ε0 — эталонная скорость деформации; Т — температура (градусы); Tr – комнатная температура (градусы); Tm — температура плавления материала (град); A, B, C, m и n — параметры материала, значения приведены в таблице 4[5].
Таблица 4. Параметры конститутивной модели Джонсона-Кука материалов вольфрамомолибденового сплава
картина
2.3 Контактные и граничные условия
Создайте атрибут контакта, и поскольку во время моделирования инструмент считается твердым телом, вам необходимо создать еще одно ограничение твердого тела. Создайте граничное условие на начальном этапе анализа, чтобы ограничить все степени свободы на стороне заготовки. Инструменту необходимо ограничить 4 степени свободы и задать вращение и движение вокруг оси Z, где скорость вращения — это скорость шпинделя, а скорость движения — это скорость подачи. Создайте предопределенное поле температуры и определите температуру заготовки как 298К.
2.4 Разделение сетки
Качество разделения сетки оказывает большое влияние на результаты конечно-элементного моделирования. Следовательно, при построении сетки модели сначала следует выбрать соответствующий тип ячейки сетки, а точность и стоимость следует учитывать всесторонне, чтобы разумно контролировать плотность сетки. Чем плотнее сетка, тем выше точность результатов моделирования, но это увеличит вычислительные затраты. Минимальный размер сетки инструмента и сетки заготовки составляет 0.02 мм, а инструмент и заготовка разделены на однородные сетки соответственно. Структура инструмента сложная, с использованием тетраэдрической независимой структурной сетки, тип C3D10MT, сетка инструмента составляет 74400 единиц. Заготовка имеет шестигранную структурированную сетку, сетка заготовки составляет 26250 единиц, тип сетки заготовки — C3D8RT. Инструмент и заготовка после зацепления показаны на рис. 2 и рис. 3 соответственно.
картина
Рисунок 2. Сетка инструментов.
картина
Рисунок 3. Сетка заготовки
2.5 Модельное решение
ABAQUS/Explicit используется для расчета модели, а тип этапа анализа — динамический этап явного анализа термомеханической связи. После завершения расчета результаты можно просмотреть и проанализировать с помощью модуля постобработки ABAQUS. Результаты моделирования фрезерования представлены на рис. 4.
картина
Рис. 4. Результаты моделирования фрезерования
Имитированный ортогональный тест
3
3.1 Экспериментальный дизайн
В этом эксперименте в основном изучается влияние скорости резания vc, обратного зацепления ap и подачи на зуб fz на силу резания и температуру резания в процессе фрезерования вольфрам-молибденового сплава, поэтому создается ортогональная таблица с тремя коэффициентами и четырьмя уровнями (см. Таблицу 5), то есть примем vc, ap и fz как независимые переменные. Пусть ширина резания ae=1 мм, минимальная сила резания F и минимальная температура резания T в качестве отклика [6]. В соответствии с принципом выбора ортогональной таблицы испытаний принимается ортогональная таблица L16, а организация испытаний и результаты показаны в таблице 6.
Таблица 5. Ортогональные коэффициенты и уровни
картина
Таблица 6. Результаты ортогональных испытаний
картина
3.2 Анализ результатов моделирования методом конечных элементов
Метод диапазона R используется для анализа результатов ортогонального теста, а диапазон относится к разнице между максимальным значением и минимальным значением, соответствующим каждому индексу уровня. Метод анализа диапазона, называемый методом R, является наиболее часто используемым методом анализа результатов ортогональных экспериментов. Этот метод включает в себя два модуля расчета и суждения и позволяет выяснить первичный и вторичный, оптимальный уровень и оптимальное сочетание факторов в тесте [7]. Принцип метода R заключается в сравнении диапазона значений в каждом столбце путем расчета диапазона. Чем больше диапазон, тем больше влияние фактора на результат, который является основным фактором, а затем анализируйте результат с помощью метода интуитивного анализа. Приняв в качестве показателя минимальную силу резания F, см. анализ результатов испытаний в Таблице 7. В таблице К1, К2, К3 и К4 — сумма результатов испытаний на каждом уровне каждого влияющего фактора, а к1, к2, к3 и к4 — соответствующие средние значения. ценить.
Таблица 7. Анализ результатов теста индекса F (единица измерения: N) Изображение
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>А, поэтому оптимальная схема индекса F — B1C2A2, то есть скорость резания vc равна 60м/с, величина подачи на зуб fz — 0,16 мм/z, а величина обратного резания ap составляет 2 мм. Приняв в качестве показателя минимальную температуру резания Т, анализ результатов испытаний представлен в таблице 8.
Таблица 8. Анализ результатов теста индекса Т (единица измерения: К)
картина
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, поэтому предпочтительным решением является A1B12C4, то есть скорость резания vc составляет 50м/с, а скорость подачи на зуб. Величина fz равна 0,16 мм/z, а величина ap равна 4 мм.
Испытание фрезерования вольфрам-молибденового сплава и проверка модели
4
4.1 Экспериментальный дизайн
Чтобы проверить достоверность конечно-элементной модели испытания на фрезерование вольфрам-молибденового сплава, для фрезерования использовался обрабатывающий центр с ЧПУ JOHNFORD-VMC-850, а также использовалась стандартная твердосплавная концевая фреза 4-. выбран в качестве инструмента (см. рисунок 5).
картина
Рисунок 5 фреза
Размер листа заготовки 150мм×130мм×45мм. Чтобы зафиксировать заготовку на динамометре, перед фрезерованием на заготовке обрабатывается монтажное отверстие, отверстие сверлится сверлом из вольфрамовой стали диаметром 8,6 мм, а затем болтом М8 с цилиндрической головкой и шестигранной головкой под торцевой ключ для фиксации. В эксперименте для измерения силы резания использовался трехходовой динамометр KISTLER9257b, динамометр фиксировался на столе станка прижимной пластиной, а температура резания измерялась инфракрасным термометром. Закрепление динамометра и заготовки показано на рисунке 6, а процесс измерения силы и температуры - на рисунке 7.
картина
а) Обработка монтажных отверстий
картина
б) Датчик силы фиксирован
Рисунок 6. Крепление измерителя силы и заготовки
картина
а) Измерение силы резания
картина
б) Измерение температуры резки
Рисунок 7. Процесс измерения силы и температуры
4.2 Проверка модели
Для тестирования были выбраны три группы параметров резания. Смоделированные значения, измеренные значения и погрешности силы резания и температуры резания показаны в Таблице 9 и Таблице 10. Из Таблицы 9 и Таблицы 10 видно, что максимальная ошибка результатов моделирования составляет 15,6%, что находится в пределах 20%. , поэтому результаты испытаний соответствуют требованиям инженерных приложений.
Таблица 9. Значение моделирования, измеренное значение и погрешность силы резания
картина
Таблица 10. Значения моделирования, измеренные значения и погрешности температуры резки.
картина
заключение
5
В этой статье программное обеспечение для анализа методом конечных элементов ABAQUS используется для создания трехмерной модели фрезерования вольфрам-молибденового сплава. В зависимости от различных параметров резания исследован закон изменения силы резания и температуры резания, возникающих в процессе фрезерования вольфрам-молибденового сплава, и путем ортогональных экспериментов получены оптимальные параметры фрезерования. Комбинация, укажите ссылку на фактическое фрезерование. Полученные выводы заключаются в следующем.
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>А. Следовательно, оптимальным решением силы резания F является B1C2A2, то есть vc=60м/с, fz= 0.16мм/z, ap=2мм.
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. Следовательно, оптимальным решением температуры резания T является A1B1C4, то есть vc=50м/с, fz=0.16мм/ z,ap=4мм.
3) Всесторонне рассмотреть эффективность резки и преимущества в реальной обработке и получить оптимальную комбинацию параметров процесса, то есть vc=60м/с, fz=0.16 мм/z, ap{{4 }} мм.
