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

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

được tiến hành .
BẢNG 1 . YẾU TỐ VÀ MỨC ĐỘ YẾU TỐ


Yếu
tố
Mức độ yếu tố

Gia
công cạnh
Mài, vát

Vát cạnh với tỷ lệ

0,025 , 0,05 (mm / vòng)

Tốc
độ cắt
150, 200 ( m /
phút )
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
chậm nhất khi sử dụng mảnh
hợp kim được bo tròn mũi
dao.
- Dùng mảnh hợp kim
được vát thì mài mòn
mặt sau nhiều hơn.
• 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
khoảng 580-665
0
c,580-686
0
c cho các hệ số ma
sát lần lượt là 0.4 và 0.7
• Tăng hệ số ma sát cũng làm tăng kích thước của
các điểm nóng.
• Nhiệt độ xung quanh các cạnh cho dao mài được
đưa ra trong hình 12.
• Trong trường hợp này “điểm nóng”được tìm thấy
ở mặt nghiêng giữa 510-594
0
c,giữa 580-671
0
c với
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)