La lega di tungsteno-molibdeno è un materiale difficile da lavorare, con costi di lavorazione elevati, bassa efficienza di lavorazione e grave usura degli utensili. Utilizzando il software di analisi degli elementi finiti ABAQUS, è stato creato un modello di fresatura tridimensionale della lega di tungsteno-molibdeno ed è stato studiato il processo di fresatura della lega di tungsteno-molibdeno per diversi parametri di taglio. La legge di variazione della forza di taglio e della temperatura di taglio viene verificata mediante la prova di fresatura per verificare l'efficacia del modello di simulazione. La combinazione ottimale dei parametri di taglio è stata ottenuta attraverso esperimenti ortogonali, ovvero velocità di taglio vc=60m/s, impegno posteriore ap=3mm, avanzamento per dente fz=0.16mm/z .
preambolo
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Il tungsteno e il molibdeno sono ricchi di riserve e ampiamente distribuiti nel mio paese. Il tungsteno e il molibdeno appartengono agli elementi del gruppo VIIB nella tavola periodica degli elementi e sono tipici metalli ad alto punto di fusione. Poiché la lega di tungsteno-molibdeno ha un punto di fusione più elevato e una densità inferiore rispetto al tungsteno puro, combina i vantaggi del tungsteno e del molibdeno. La resistenza alla corrosione e all'ablazione [1], sta diventando un materiale importante nel campo aerospaziale, può essere utilizzato negli ugelli dei motori a razzo e nei componenti chiave delle turbine a gas e ha prospettive di applicazione più ampie nel futuro campo industriale.
Per studiare il principio di taglio della lega di tungsteno-molibdeno, gli studiosi hanno svolto molti lavori di ricerca. Quando Luo Zhengchuan [2] utilizzava utensili in carburo cementato per tagliare le leghe a base di tungsteno, l'usura dell'utensile era estremamente rapida e la principale forma di usura che causava il cedimento degli utensili in carburo cementato era l'area di usura triangolare che appariva all'intersezione dei principali fianco e il fianco ausiliario. La causa principale dell'usura degli utensili è l'usura meccanica causata dai punti duri, e la diffusione del cobalto come legante nel carburo cementato accelera l'usura degli utensili. Durante il taglio di leghe a base di tungsteno, Ye Yi [3] ha scoperto che gli utensili in metallo duro a base WC a grana fine o ultrafine con rivestimenti resistenti all'usura sulla superficie hanno una durata utile più breve. È antieconomico lavorare le sue leghe. Gli utensili in ceramica composita non sono adatti per il taglio di materiali ad alto contenuto di lega di tungsteno e la durata degli utensili diamantati PCD non è significativamente migliorata rispetto al carburo cementato a base di WC. Il tungsteno e i suoi materiali in lega vengono lavorati al meglio con utensili da taglio PCBN e qualità con più contenuto di CBN (come DBC80), in modo da poter ottenere migliori vantaggi economici.
Il software di analisi degli elementi finiti ABAQUS è un software comunemente utilizzato per la simulazione del taglio dei metalli. Ha potenti funzioni di analisi non lineare e può realizzare accoppiamenti termo-meccanici. La lega di tungsteno-molibdeno è un materiale difficile da lavorare, che presenta costi di lavorazione elevati, bassa efficienza di lavorazione e grave usura degli utensili. Pertanto, questo documento utilizza il software di analisi degli elementi finiti ABAQUS per stabilire un modello di fresatura tridimensionale della lega di tungsteno-molibdeno. La forza di taglio e la temperatura di taglio generate nel processo vengono modificate e infine la combinazione ottimale dei parametri di fresatura viene ottenuta attraverso il test ortogonale, che fornisce un riferimento per l'effettivo processo di fresatura.
Modellazione agli elementi finiti delle leghe di tungsteno-molibdeno
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2.1 Modello geometrico dell'utensile
La simulazione utilizza una fresa a lama standard 4-in carburo cementato e le specifiche sono mostrate nella Tabella 1. Il modello della fresa viene generato utilizzando il software di modellazione 3D SolidWorks, come mostrato nella Figura 1. Poiché lo scopo di questo studio consiste nell'analizzare la variazione della forza di taglio e della temperatura di taglio in base a diversi parametri di fresatura e, considerando che il tagliente principale dell'utensile è molto più piccolo del pezzo in lavorazione, si presuppone che l'utensile sia un corpo rigido nell'analisi degli elementi finiti ABAQUS, indipendentemente di deformazione e usura dell'utensile, i parametri fisici dell'utensile sono mostrati nella Tabella 2.
Tabella 1 Specifiche dell'utensile (unità: mm) immagine
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Figura 1 Modello di fresa
Tabella 2 Parametri fisici dell'utensile
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2.2 Modello costitutivo del materiale in lega di tungsteno-molibdeno
Il materiale del pezzo simulato in questo documento è la lega di tungsteno-molibdeno e i principali parametri di prestazione fisica e meccanica sono mostrati nella Tabella 3[4].
Tabella 3 Parametri fisici dei materiali in lega di tungsteno-molibdeno
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Nel processo di taglio dei metalli, nella maggior parte dei casi, i materiali subiscono una deformazione elastico-plastica ad alta temperatura, alta deformazione e alta velocità di deformazione, quindi stabilire un modello materiale ragionevole è anche un passo fondamentale per una simulazione di successo. Il modello del materiale in questo documento adotta il modello costitutivo Johnson-Cook, che può riflettere l'effetto di incrudimento, l'effetto di incrudimento e l'effetto di rammollimento termico del materiale, e la sua forma è
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Nella formula, σ è lo stress da flusso (MPa); ε è la deformazione plastica; ε0 è la velocità di deformazione di riferimento; T è la temperatura (gradi); Tr è la temperatura ambiente (gradi); Tm è il punto di fusione del materiale (grado); A, B, C, m e n sono parametri del materiale e i valori sono mostrati nella Tabella 4[5].
Tabella 4 Parametri del modello costitutivo Johnson-Cook dei materiali in lega di tungsteno-molibdeno
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2.3 Condizioni di contatto e al contorno
Crea un attributo di contatto e poiché lo strumento viene considerato un corpo rigido durante la simulazione, devi creare un altro vincolo di corpo rigido. Creare una condizione al contorno nella fase di analisi iniziale per vincolare tutti i gradi di libertà sul lato del pezzo. L'utensile deve vincolare 4 gradi di libertà e impostare la rotazione e il movimento attorno all'asse Z, dove la velocità di rotazione è la velocità del mandrino e la velocità di movimento è la velocità di avanzamento. Creare un campo di temperatura predefinito e definire la temperatura del pezzo come 298K.
2.4 Divisione delle maglie
La qualità della divisione della mesh ha una grande influenza sui risultati della simulazione agli elementi finiti. Pertanto, quando si crea la mesh del modello, è necessario selezionare prima il tipo di unità di mesh appropriata e l'accuratezza e il costo dovrebbero essere considerati in modo completo per controllare ragionevolmente la densità della mesh. Più densa è la griglia, maggiore è la precisione dei risultati della simulazione, ma aumenterà il costo computazionale. La dimensione minima della griglia dello strumento e della griglia del pezzo da lavorare è 0,02 mm e lo strumento e il pezzo da lavorare sono divisi rispettivamente in griglie uniformi. La struttura dello strumento è complessa, utilizza una griglia strutturale tetraedrica non indipendente, il tipo è C3D10MT e la griglia dello strumento è di 74400 unità. Il pezzo adotta una griglia strutturata esaedrica, la griglia del pezzo è di 26250 unità e il tipo di griglia del pezzo è C3D8RT. L'utensile e il pezzo dopo l'ingranamento sono mostrati rispettivamente in Fig. 2 e Fig. 3.
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Figura 2 Griglia degli strumenti
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Figura 3 Griglia del pezzo
2.5 Soluzione modello
ABAQUS/Explicit viene utilizzato per il calcolo del modello e il tipo di fase di analisi è la fase di analisi dell'accoppiamento termico-meccanico esplicito dinamico. Una volta completato il calcolo, i risultati possono essere visualizzati e analizzati tramite il modulo di post-elaborazione ABAQUS. I risultati della simulazione di fresatura sono mostrati in Fig. 4.
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Figura 4 Risultati della simulazione di fresatura
Test ortogonale simulato
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3.1 Disegno sperimentale
Questo esperimento studia principalmente l'influenza della velocità di taglio vc, dell'impegno posteriore ap e dell'avanzamento per dente fz sulla forza di taglio e sulla temperatura di taglio nel processo di fresatura della lega di tungsteno-molibdeno, quindi viene creata una tabella ortogonale con tre fattori e quattro livelli (vedi Tabella 5), ovvero prendiamo vc, ap e fz come variabili indipendenti. Sia la larghezza di taglio ae=1mm, la forza di taglio minima F e la temperatura di taglio minima T come risposta [6]. Secondo il principio di selezione della tabella di test ortogonale, viene adottata la tabella ortogonale L16 e la disposizione e i risultati del test sono mostrati nella Tabella 6.
Tabella 5 Fattori e livelli ortogonali
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Tabella 6 Risultati dei test ortogonali
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3.2 Analisi dei risultati della simulazione agli elementi finiti
Il metodo range R viene utilizzato per analizzare i risultati del test ortogonale e il range si riferisce alla differenza tra il valore massimo e il valore minimo corrispondente a ciascun indice di livello. Il metodo di analisi dell'intervallo, denominato metodo R, è il metodo più comunemente utilizzato per analizzare i risultati di esperimenti ortogonali. Questo metodo comprende due moduli di calcolo e giudizio e può scoprire il livello primario e secondario, ottimale e la combinazione ottimale di fattori nel test [7]. Il principio del metodo R consiste nel confrontare l'intervallo di valori in ciascuna colonna calcolando l'intervallo. Maggiore è l'intervallo, maggiore è l'influenza del fattore sul risultato, che è il fattore principale, quindi analizzare il risultato attraverso il metodo di analisi intuitivo. Prendendo come indice la forza di taglio minima F, vedere la Tabella 7 per l'analisi dei risultati del test. Nella tabella, K1, K2, K3 e K4 sono la somma dei risultati del test a ciascun livello di ciascun fattore di influenza e k1, k2, k3 e k4 sono i valori medi corrispondenti. valore.
Tabella 7 Analisi dei risultati del test dell'Indice F (Unità: N) Immagine
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, quindi lo schema ottimale dell'indice F è B1C2A2, ovvero la velocità di taglio vc è 60m/ s, la quantità di avanzamento per dente fz è 0,16 mm/z e la quantità di taglio posteriore ap è 2 mm. Prendendo come indice la temperatura minima di taglio T, l'analisi dei risultati del test è mostrata nella Tabella 8.
Tabella 8 Analisi dei risultati del test dell'indice T (unità: K)
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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, quindi la soluzione preferita è A1B12C4, ovvero la velocità di taglio vc è 50m/s e la velocità di avanzamento per dente La quantità fz è 0,16 mm/z e la quantità ap è 4 mm.
Test di fresatura della lega di tungsteno-molibdeno e verifica del modello
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4.1 Disegno sperimentale
Per verificare la validità del modello agli elementi finiti del test di fresatura della lega di tungsteno-molibdeno, per la fresatura è stato utilizzato il centro di lavoro CNC JOHNFORD-VMC-850 e la fresa standard in metallo duro con tagliente 4- è stata selezionato come strumento (vedere Figura 5).
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Figura 5 fresa
La dimensione del foglio da lavorare è 150 mm × 130 mm × 45 mm. Per fissare il pezzo sul dinamometro, il foro di montaggio viene elaborato sul pezzo prima della fresatura e il foro viene praticato con una punta da trapano in acciaio al tungsteno da φ8,6 mm, quindi attraverso il bullone a testa cilindrica con esagono incassato M8 per il fissaggio. Nell'esperimento, per misurare la forza di taglio è stato utilizzato il dinamometro a tre vie KISTLER9257b, il dinamometro è stato fissato sulla tavola della macchina utensile tramite una piastra di pressione e la temperatura di taglio è stata misurata tramite un termometro a infrarossi. Il fissaggio del dinamometro e del pezzo è mostrato nella Figura 6, mentre il processo di misurazione della forza e della temperatura è mostrato nella Figura 7.
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a) Lavorazione dei fori di montaggio
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b) Il dinamometro è fisso
Figura 6 Fissaggio del dinamometro e del pezzo
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a) Misurazione della forza di taglio
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b) Misurazione della temperatura di taglio
Figura 7 Processo di misurazione della forza e di misurazione della temperatura
4.2 Convalida del modello
Sono stati selezionati tre gruppi di parametri di taglio per i test. I valori simulati, i valori misurati e gli errori della forza di taglio e della temperatura di taglio sono mostrati nella Tabella 9 e nella Tabella 10. Dalla Tabella 9 e dalla Tabella 10 si può vedere che l'errore massimo dei risultati della simulazione è del 15,6%, ovvero entro il 20% , quindi i risultati dei test soddisfano i requisiti delle applicazioni ingegneristiche.
Tabella 9 Valore di simulazione, valore misurato ed errore della forza di taglio
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Tabella 10 Valore di simulazione, valore misurato ed errore della temperatura di taglio
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conclusione
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In questo articolo, il software di analisi degli elementi finiti ABAQUS viene utilizzato per stabilire un modello di fresatura tridimensionale della lega di tungsteno-molibdeno. In base a diversi parametri di taglio, viene studiata la legge di variazione della forza di taglio e della temperatura di taglio generata nel processo di fresatura della lega di tungsteno-molibdeno e i parametri di fresatura ottimali vengono ottenuti attraverso esperimenti ortogonali. Combinazione, fornisce un riferimento per la fresatura effettiva. Le conclusioni ottenute sono le seguenti.
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>R. Pertanto, la soluzione ottimale della forza di taglio F è B1C2A2, ovvero 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. Pertanto, la soluzione ottimale della temperatura di taglio T è A1B1C4, ovvero vc=50m/s, fz=0.16mm/ z,ap=4mm.
3) Considerare in modo completo l'efficienza di taglio e i vantaggi nella lavorazione effettiva e ottenere la combinazione ottimale di parametri di processo, ovvero vc=60m/s, fz=0.16mm/z, ap{{4 }}mm.
