Вольфрам-молібденовий сплав є складним для механічної обробки матеріалом з високою вартістю обробки, низькою ефективністю обробки та сильним зносом інструменту. Використовуючи програмне забезпечення для аналізу кінцевих елементів ABAQUS, була створена тривимірна модель фрезерування вольфрам-молібденового сплаву, а також досліджено процес фрезерування вольфрам-молібденового сплаву для різних параметрів різання. Закон зміни сили різання та температури різання перевіряється випробуванням на фрезерування для перевірки ефективності імітаційної моделі. Оптимальна комбінація параметрів різання була отримана шляхом ортогональних експериментів, тобто швидкість різання vc=60м/с, зворотне зачеплення ap=3мм, подача на зуб fz=0.16 мм/z .
преамбула
1
Вольфрам і молібден мають багаті запаси і широко поширені в моїй країні. Вольфрам і молібден належать до елементів VIIB групи в періодичній системі елементів і є типовими металами з високою температурою плавлення. Оскільки вольфрам-молібденовий сплав має вищу температуру плавлення та нижчу щільність, ніж чистий вольфрам, він поєднує в собі переваги вольфраму та молібдену. Стійкість до корозії та абляції [1], тому він стає важливим матеріалом в аерокосмічній галузі, може використовуватися в соплах ракетних двигунів і ключових компонентах газових турбін, і має ширші перспективи застосування в промисловій галузі майбутнього.
Щоб вивчити принцип різання вольфрам-молібденового сплаву, вчені провели велику дослідницьку роботу. Коли Луо Чженчуань [2] використовував твердосплавні інструменти для різання сплавів на основі вольфраму, інструмент зношувався надзвичайно швидко, і основною формою зносу, яка викликала поломку твердосплавних інструментів, була трикутна зона зносу, яка з’являлася на перетині основної фланг і допоміжний фланг. Основною причиною зношування інструменту є механічне зношування, спричинене твердими точками, а дифузія кобальту як сполучної речовини в цементованому твердому сплаві прискорює зношування інструменту. При різанні сплавів на основі вольфраму Ye Yi [3] виявив, що дрібнозернистий або ультрадрібнозернистий інструмент з твердого сплаву WC із зносостійким покриттям на поверхні має менший термін служби. Обробляти її сплави економічно невигідно. Композитні керамічні інструменти не підходять для різання матеріалів із сплавів з високим вмістом вольфраму, а термін служби алмазних інструментів PCD значно не покращується порівняно з твердосплавними на основі WC. Вольфрам та його сплави найкраще обробляти ріжучими інструментами та марками PCBN з більшим вмістом CBN (наприклад, DBC80), щоб отримати кращі економічні вигоди.
Програмне забезпечення ABAQUS для аналізу методом кінцевих елементів є поширеним програмним забезпеченням для моделювання різання металу. Він має потужні функції нелінійного аналізу та може реалізувати тепломеханічний зв’язок. Вольфрам-молібденовий сплав є складним для обробки матеріалом, який має високу вартість обробки, низьку ефективність обробки та сильний знос інструменту. Таким чином, у цій статті використовується програмне забезпечення для аналізу кінцевих елементів ABAQUS для створення тривимірної моделі фрезерування вольфрам-молібденового сплаву. Сила різання та температура різання, створювані в процесі, змінюються, і, нарешті, оптимальна комбінація параметрів фрезерування виходить за допомогою ортогонального випробування, яке є еталонним для фактичного процесу фрезерування.
Моделювання кінцевих елементів вольфрамово-молібденового сплаву
2
2.1 Модель геометрії інструменту
У моделюванні використовується стандартна кінцева фреза з твердосплавним 4-лезом, а технічні характеристики наведено в таблиці 1. Модель фрези створено за допомогою програмного забезпечення для 3D-моделювання SolidWorks, як показано на малюнку 1. Оскільки мета цього дослідження полягає в аналізі зміни сили різання та температури різання при різних параметрах фрезерування, і враховуючи, що головна ріжуча кромка інструменту набагато менша за заготовку, інструмент вважається твердим тілом в аналізі кінцевих елементів ABAQUS, незалежно від деформації та зношування інструменту, фізичні параметри інструменту наведені в таблиці 2.
Таблиця 1 Характеристики інструменту (одиниці виміру: мм) малюнок
картина
Рисунок 1 Модель фрези
Таблиця 2 Фізичні параметри інструменту
картина
2.2 Конститутивна модель матеріалу вольфрамомолібденового сплаву
Матеріалом для моделювання заготовки в цій статті є сплав вольфрам-молібден, а основні фізико-механічні параметри наведені в таблиці 3 [4].
Таблиця 3 Фізичні параметри матеріалів вольфрамомолібденового сплаву
картина
У процесі різання металу в більшості випадків матеріали піддаються пружно-пластичній деформації під дією високої температури, великої деформації та високої швидкості деформації, тому створення прийнятної моделі матеріалу також є ключовим кроком для успішного моделювання. Модель матеріалу в цьому документі приймає конститутивну модель Джонсона-Кука, яка може відображати ефект зміцнення деформації, ефект зміцнення деформації та ефект термічного пом’якшення матеріалу, а його форма є
картина
У формулі σ – напруга течії (МПа); ε – пластична деформація; ε0 – опорна швидкість деформації; Т - температура (градус); Tr – кімнатна температура (градус); Tm – температура плавлення матеріалу (градус); A, B, C, m і n є параметрами матеріалу, а значення наведені в таблиці 4[5].
Таблиця 4 Конститутивні параметри моделі Джонсона-Кука матеріалів зі сплаву вольфрам-молібден
картина
2.3 Контактні та граничні умови
Створіть атрибут контакту, і оскільки під час моделювання інструмент вважається твердим тілом, вам потрібно створити інше обмеження твердого тіла. Створіть граничну умову на початковому етапі аналізу, щоб обмежити всі ступені свободи на стороні заготовки. Інструмент має обмежувати 4 ступені свободи та встановлювати обертання та рух навколо осі Z, де швидкість обертання є швидкістю шпинделя, а швидкість руху - це швидкість подачі. Створіть попередньо визначене температурне поле та встановіть температуру заготовки як 298K.
2.4 Сітка поділу
Якість поділу сітки має великий вплив на результати кінцево-елементного моделювання. Таким чином, під час створення сітки моделі спочатку слід вибрати відповідний тип блоку сітки, а точність і вартість слід всебічно розглянути, щоб розумно контролювати щільність сітки. Чим щільніша сітка, тим вища точність результатів моделювання, але це збільшить витрати на обчислення. Мінімальний розмір сітки інструмента та сітки заготовки становить 0,02 мм, а інструмент і заготовка розділені на однакові сітки відповідно. Структура інструменту складна, використовує тетраедральну незалежну структурну сітку, тип C3D10MT, сітка інструменту 74400 одиниць. Заготовка приймає шестигранну структуровану сітку, сітка заготовки становить 26250 одиниць, а тип сітки заготовки - C3D8RT. Інструмент і заготовка після сітки показані на рис. 2 і рис. 3 відповідно.
картина
Рисунок 2 Сітка інструментів
картина
Рисунок 3 Сітка заготовки
2.5 Модельне рішення
ABAQUS/Explicit використовується для розрахунку моделі, а типом кроку аналізу є етап аналізу динамічного явного термомеханічного зв’язку. Після завершення розрахунку результати можна переглядати та аналізувати за допомогою модуля пост-обробки ABAQUS. Результати моделювання фрезерування показано на рис. 4.
картина
Рисунок 4 Результати моделювання фрезерування
Змодельований ортогональний тест
3
3.1 План експерименту
Цей експеримент в основному вивчає вплив швидкості різання vc, заднього зачеплення ap і подачі на зуб fz на силу різання та температуру різання в процесі фрезерування вольфрам-молібденового сплаву, тому створено ортогональну таблицю з трьома факторами та чотирма рівнями (див. Таблиця 5), тобто візьміть vc, ap і fz як незалежні змінні. Нехай ширина різання ae=1 мм, мінімальна сила різання F і мінімальна температура різання T є відповіддю [6]. Відповідно до принципу вибору ортогонального випробувального столу прийнято ортогональний стіл L16, а розташування випробувань і результати наведені в таблиці 6.
Таблиця 5 Ортогональні фактори та рівні
картина
Таблиця 6 Результати ортогонального тесту
картина
3.2 Аналіз результатів кінцево-елементного моделювання
Метод діапазону R використовується для аналізу результатів ортогонального тесту, і діапазон відноситься до різниці між максимальним значенням і мінімальним значенням, що відповідає кожному індексу рівня. Метод аналізу діапазону, відомий як метод R, є найбільш часто використовуваним методом для аналізу результатів ортогональних експериментів. Цей метод включає в себе два модулі обчислення та судження, і може виявити первинний і вторинний, оптимальний рівень і оптимальну комбінацію факторів у тесті [7]. Принцип методу R полягає в порівнянні діапазону значень у кожному стовпці шляхом обчислення діапазону. Чим більший діапазон, тим більший вплив фактора на результат, який є головним фактором, а потім аналізуйте результат за допомогою інтуїтивного методу аналізу. Беручи мінімальну силу різання F як індекс, див. Таблицю 7 для аналізу результатів випробувань. У таблиці K1, K2, K3 і K4 є сумою результатів тестування на кожному рівні кожного фактора впливу, а k1, k2, k3 і k4 є відповідними середніми значеннями. значення.
Таблиця 7 Аналіз результатів тесту індексу F (Одиниця: N) Мал
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, тому оптимальна схема індексу F B1C2A2, тобто швидкість різання vc становить 60м/с, величина подачі на зуб fz становить 0,16 мм/z, а величина зворотного різання ap становить 2 мм. Взявши за індекс мінімальну температуру різання T, аналіз результатів випробувань наведено в таблиці 8.
Таблиця 8 Аналіз результатів тесту індексу Т (одиниця: 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, тому кращим рішенням є A1B12C4, тобто швидкість різання vc становить 50м/с, а швидкість подачі на зуб fz становить 0,16 мм/z, а величина ap становить 4 мм.
Випробування фрезерування вольфрамово-молібденового сплаву та перевірка моделі
4
4.1 План експерименту
Щоб перевірити валідність кінцево-елементної моделі випробування на фрезерування вольфрамово-молібденового сплаву, для фрезерування використовувався обробний центр з ЧПК JOHNFORD-VMC-850, а стандартну 4-кінцеву фрезу з твердого сплаву вибрано як інструмент (див. рис. 5).
картина
Малюнок 5 фреза
Розмір листа заготовки 150мм×130мм×45мм. Щоб закріпити заготовку на динамометрі, монтажний отвір обробляється на заготовці перед фрезеруванням, і отвір просвердлюється свердлом зі сталі вольфраму φ8,6 мм, а потім через шестигранний болт M8 з циліндричною головкою для фіксації. В експерименті для вимірювання сили різання використовувався тристоронній динамометр KISTLER9257b, динамометр був закріплений на столі верстата за допомогою притискної пластини, а температура різання вимірювалася інфрачервоним термометром. Фіксація динамометра та заготовки показана на малюнку 6, а процес вимірювання сили та температури показаний на малюнку 7.
картина
a) Обробка монтажних отворів
картина
б) Силомір фіксований
Рисунок 6 Кріплення вимірювача сили та заготовки
картина
а) Вимірювання сили різання
картина
b) Вимірювання температури різання
Рисунок 7 Процес вимірювання сили та температури
4.2 Перевірка моделі
Для тестування було обрано три групи параметрів різання. Змодельовані значення, виміряні значення та похибки сили різання та температури різання наведені в таблиці 9 і таблиці 10. З таблиці 9 і таблиці 10 видно, що максимальна похибка результатів моделювання становить 15,6%, що знаходиться в межах 20% , тому результати випробувань відповідають вимогам інженерних додатків.
Таблиця 9 Значення моделювання, виміряне значення та похибка сили різання
картина
Таблиця 10 Значення моделювання, виміряне значення та похибка температури різання
картина
висновок
5
У цій статті програмне забезпечення аналізу кінцевих елементів ABAQUS використовується для створення тривимірної моделі фрезерування вольфрам-молібденового сплаву. Відповідно до різних параметрів різання досліджено закон зміни сили різання та температури різання, що виникають у процесі фрезерування вольфрам-молібденового сплаву, і шляхом ортогональних експериментів отримано оптимальні параметри фрезерування. Комбінація, надайте посилання для фактичного фрезерування. Отримані висновки такі.
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. Отже, оптимальним рішенням сили різання F є B1C2A2, тобто vc=60м/с, fz= 0.16 мм/z, ap=2 мм.
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. Отже, оптимальним рішенням температури різання T є A1B1C4, тобто vc=50m/s, fz=0.16mm/ z,ap=4mm.
3) Всебічно врахуйте ефективність різання та переваги фактичної обробки та отримайте оптимальну комбінацію параметрів процесу, тобто vc=60m/s, fz=0.16mm/z, ap{{4 }} мм.
