Моделювання процесів мікрорізання з урахуванням впливу градієнту деформації

Монокристали алмазу (SCD) є найбільш твердими з відомих матеріалів. Крім того, SCD інструменти мають найгостріший радіус різальної кромки, з усіх існуючих на даний момент. Таким чином, SCD інструменти широко використовуються при різанні кольорових металів у мікро- та нано- масштабах.

SCD інструменти, які використовуються в цьому дослідженні, зроблені з натурального алмазу. Кожен SCD інструмент має ширину різальної кромки 2 мм, передній кут 0°, задній кут 5°. Кут при вершині 85° забезпечує міцність ріжучої кромки. Радіус заокруглення різальної кромки був виміряний і лежить в діапазоні приблизно від 65 нм до 100 нм. Це було досягнуто шляхом встановлення кола на дуже збільшеному зображенні різального клину інструменту за допомогою растрового електронного мікроскопа (РЕМ). В якості прикладу РЕМ зображення, що використовувалось для оцінки радіусу ріжучої кромки, показано на Рис. 4.5.

Рис. 4.5. Зображення різального клина монокристалічного алмазного інструменту за допомогою растрового електронного мікроскопу. Cutting edge radius - радіус заокруглення ріжучої кромки; Flank Face - задня поверхня; Rake Face - передня поверхня

Полікристалічний алмазний інструмент

Полікристалічні алмазні інструменти (PCD) призначені для обробки кольорових металів та неметалевих матеріалів на високих швидкостях. Вони довели, що перевершують багато звичайних інструментів при застосуванні у виробництві. Інструменти з полікристалічних алмазних заготовок виготовляються шляхом напаювання заготовок PCD на сталеві підкладки, а затим шліфування інструменту алмазними кругами до його отримання остаточної форми. Полікристалічні інструменти витісняють інструменти, виготовлені з монокристалів природного алмазу. Суттєве збільшення продуктивності спостерігалося протягом періоду стійкості декількох інструментів, оскільки властивості PCD інструменту набагато щільніші, ніж інструментів з природного алмазу. Крім того, інструменти з природного алмазу набагато чутливіші до впливу випадкових пошкоджень.

Гострота ріжучої кромки PCD інструменту, який використовувався в даній роботі, визначається в процесі шліфування і, як правило, не така гарна, як у SCD інструментів. У цьому дослідженні використовується PCD інструмент марки NGP-3189L, класу KD100 від компанії Kennametal Inc., і аналіз сліду ріжучої кромки, показує, що її радіус становить менше 7 мкм.

РОЗДІЛ 5. АНАЛІЗ МАСШТАБНОГО ФАКТОРУ

З метою розуміння ролі різних чинників зміцнення матеріалу в масштабному факторі при мікрорізанні, в цьому розділі увага акцентована на трьох факторах: (I) градієнті деформації зміцнення, (II) зменшення температури різання в зони вторинної деформації та (III) радіусі заокруглення ріжучої кромки. Ці фактори були проаналізовані з використанням кінцево-елементної моделі ортогонального мікрорізання, що базується на теорії пластичності на основі градієнту деформації, яка була експериментально перевірена у розділі 4 для мікрорізання алюмінієвого сплаву Al5083-H116, матеріалу з малим показником інтенсивності деформації зміцнення. Модель була в подальшому використана для імітації масштабного фактору в мікрорізанні в умовах, коли домінує вплив температури та градієнту деформації. Різальний інструмент з обмеженим радіусом ріжучої кромки був також включений в моделювання для дослідження ролі радіусу ріжучої кромки в масштабному факторі у питомій енергії різання. З цієї роботи можуть бути зроблені наступні висновки:

Модель мікрорізання, що базується на теорії пластичності на основі градієнту деформації, спроможна зафіксувати масштабний фактор у питомій енергії різання для алюмінієвого сплаву Al5083-H116, розглянутого в цій роботі.

Дуже суттєва роль градієнту деформації зміцнення в масштабному факторі при низькій швидкості різання (<10 м/хв) та малій товщині шару, що зрізається (<10 мкм).

Температурна залежність напруження текучості відіграє ключову роль у масштабному факторі на відносно високій швидкості різання (>200 м/хв) і великій товщині шару, що зрізається (>20 мкм). Масштабний фактор викликаний зміцненням матеріалу в зв'язку з падінням температури у вторинній зоні зсуву.

Вплив градієнту деформації зміцнення більш суттєвий, ніж температури при високій швидкості різання (>200 м/хв) та малій товщині шару, що зрізається (<10 мкм). У зв'язку з цим необхідно враховувати градієнт деформації, особливо на мікронному (субмікронному) рівні товщини шару, що зрізається.

Частину впливу на масштабний фактор у мікрорізанні чинить радіус заокруглення ріжучої кромки інструменту. Радіус заокруглення ріжучої кромки впливає на процес деформації матеріалу і, таким чином, чинить вплив на масштабний фактор двома способами: (I) змінюючи структуру течії матеріалу навколо вершини інструменту, розширюючи зону пластичного зсуву, і (II) викликаючи більше розсіювання енергії через збільшення фрикційної взаємодії між інструментом та стружкою при менших товщинах шару, що зрізається.

При умовах різання, коли домінує вплив градієнту деформації, нелінійне зростання питомої енергії різання починається в об'ємі матеріалу l. При умовах різання, коли домінує вплив температури, на початок нелінійності, швидше за все, впливає показник чутливості матеріалу до розм'якшення. Для певних умов різання на початок нелінійності в питомій енергії різання можуть впливати кілька факторів, таких як розмір радіусу ріжучої кромки інструменту, об'єму матеріалу l і показник чутливості температури розм'якшення.

РОЗДІЛ 6. ПРОГНОЗУВАННЯ ШОРСТКОСТІ ПОВЕРХНІ

У цьому розділі представлений модельний підхід до прогнозування шорсткості поверхні в одній точці мікро циркуляції Al5083-H116. Цей підхід заснований на моделі шорсткості поверхні, яка враховує вплив пластичної течії, геометрії інструменту та технологічних параметрів. Модель включає більш точну інформацію, середні напруження текучості сплаву Al5083-H116 в мікрометричному масштабі в порівнянні з попередньою кінцево-елементною моделлю, заснованою на градієнті деформації; вона була оцінена за допомогою серії дослідів при точінні. Отримані результати свідчать про те, що модель може добре спрогнозувати шорсткість обробленої алмазом поверхні при малих подачах. Таким чином, можна зробити наступні висновки: Показано, що більшість розбіжностей між теоретичною шорсткістю поверхні та виміряною шорсткістю при мікро-точінні пов'язані з додатковим утворенням шорсткості, викликаним пластичною течією.

Збільшення шорсткості після досягнення мінімуму можна пояснити збільшенням пластичної течії, спричиненої зміцненням матеріалу безпосередньо перед інструментом через градієнт деформації.

Суттєве поліпшення прогнозування шорсткості досягається завдяки використанню розробленої моделі шорсткості поверхні. Частка похибки прогнозування при використанні розробленої моделі складає менше 15% для всіх досліджуваних подач.

РОЗДІЛ 7. Висновки та рекомендації

Висновки

Аналіз масштабного фактору у мікрорізанні

Масштабний фактор не може бути пояснений належним чином єдиним процесом. Численні процеси можуть відповідати за масштабний фактор при мікрорізанні.

Була розроблена основоположна модель, заснована на нелокальній теорії пластичності, що ґрунтується на принципі Тейлора, з метою точного відображення поведінки зміцнення матеріалу Al5083-H116 на мікронному/субмікронному рівні. Повністю об'єднана термо-механічна кінцево-елементна модель, створена за допомогою стандартного програмного забезпечення ABAQUS®, була використана для моделювання ортогонального мікрорізання алюмінієвого сплаву Al5083-H116.

Методика моделювання та розроблена модель були успішно перевірені шляхом порівняння спрогнозованих сил механічної обробки з визначеними експериментально. Абсолютна середня похибка в 4,25% для сили різання сили, і абсолютна похибка для сили відтискання в 23,21% отримані при швидкості різання 200 м/хв. Абсолютна середня похибка в 9,6% для сили різання та абсолютна середня похибка у 22,2% для сили відтискання отримані для дослідів ортогонального різання на швидкості різання від 10 м/хв.

Модель ортогонального мікрорізання, що базується на теорії пластичності на основі градієнту деформації, спроможна зафіксувати масштабний фактор у питомій енергії різання для алюмінієвого сплаву Al5083-H116, розглянутого в цій роботі.

Дуже суттєва роль градієнту деформації зміцнення в масштабному факторі при низькій швидкості різання (<10 м/хв) та малій товщині шару, що зрізається (<10 мкм).

Температурна залежність напруження текучості відіграє ключову роль у масштабному факторі на відносно високій швидкості різання (>200 м/хв) і великій товщині шару, що зрізається (>20 мкм). Масштабний фактор викликаний зміцненням матеріалу в зв'язку з падінням температури у вторинній зоні зсуву.

Вплив градієнту деформації зміцнення більш суттєвий, ніж температури при високій швидкості різання (>200 м/хв) малій товщині шару, що зрізається (<10 мкм). У зв'язку з цим необхідно враховувати градієнт деформації, особливо на мікронному/субмікронному рівні товщини шару, що зрізається.

Радіус заокруглення ріжучої кромки впливає на процес деформації матеріалу і, таким чином, чинить вплив на масштабний фактор двома способами: (I) змінюючи структуру течії матеріалу навколо вершини інструменту, розширюючи зону пластичного зсуву, і (II) викликаючи більше розсіювання енергії через збільшення фрикційної взаємодії між інструментом та стружкою при менших товщинах шару, що зрізається.

При умовах різання, коли домінує вплив градієнту деформації, нелінійне зростання питомої енергії різання починається в об'ємі матеріалу l. При умовах різання, коли домінує вплив температури, на початок нелінійності, швидше за все, впливає показник чутливості матеріалу до розм'якшення. Для певних умов різання на початок нелінійності в питомій енергії різання можуть впливати кілька факторів, таких як розмір радіусу ріжучої кромки інструменту, об'єм матеріалу l і показник чутливості температури розм'якшення.

Прогнозування шорсткості поверхні при мікро-точінні алюмінієвого сплаву Al5083-H116

Показано, що більшість розбіжностей між теоретичною шорсткістю поверхні та виміряною шорсткістю при мікро-точінні пов'язані з додатковим утворенням шорсткості, викликаним пластичною течією.

Збільшення шорсткості після досягнення мінімуму можна пояснити збільшенням пластичної течії, спричиненої зміцненням матеріалу безпосередньо перед інструментом через градієнт деформації.

Суттєве поліпшення прогнозування шорсткості досягається завдяки використанню розробленої моделі шорсткості поверхні. Частка похибки прогнозування при використанні розробленої моделі складає менше 15% для всіх досліджуваних подач.

Рекомендації для подальшої роботи

Моделювання масштабного фактору у мікрорізанні

З метою вивчення інтенсивності зміцнення та її впливу на масштабний фактор у мірко-різанні, повинна бути розроблена кінцево-елементна модель з базовою моделлю, що включає складову інтенсивності зміцнення. Це забезпечить повноцінну модель, яка може бути використана для проведення ретельного аналізу всіх механізмів зміцнення матеріалів та їх ролі в масштабному факторі.

Змодельована фрикційна взаємодія на межі контакту інструменту та стружки на основі кулонівського фрикційного типу використовує постійний коефіцієнт тертя, що призводить до більших похибок прогнозування сили втискання при малих товщинах шару, що зрізається. Виявлено, що коефіцієнт тертя має тенденцію до збільшення при зменшенні товщини шару, що зрізається. Таким чином, повинна бути досліджена характеристика тертя при різанні у мікромасштабах.

Використання даних напруження текучості для робочого матеріалу Al5083-H116, отриманих при випробуванні гарячого кручення у мікрорізанні призводить до певної неточності у результатах. Повинні бути виконані незалежні випробування матеріалу для отримання напруження текучості сплаву Al5083-H116 в діапазоні високих температур і високої інтенсивності деформації.

В процесі перевірки використовувались сили механічної обробки, як єдина міра точності розробленої кінцево-елементної моделі. Вона повинна бути розширена за рахунок включення інших показників, таких як товщина шару, що зрізається, температури різання і деформації, що виникають в обробленій поверхні.

Товщина шару, що зрізається при мікрорізанні, наближається до розміру зерен матеріалу і, отже, повинен бути досліджений вплив розміру зерна і мікроструктури на напруження текучості.

Прогнозування шорсткості поверхні при мікро-точінні

У даній роботі, середнє напруження текучості, отримане в умовах рівнозначного ортогонального різання. Кінцево-елементна модель, заснована на градієнті деформації, повинна бути розширена до тривимірної для забезпечення більш точного прогнозування міцності матеріалу при різанні під кутом (неортогональному).

Висновки

В розглянутій роботі розроблена кінцево-елементна модель, яка включає теорію пластичності, засновану на градієнті деформації, для моделювання процесу ортогонального різання в мікроскопічних масштабах. Проаналізована роль градієнту деформації зміцнення у масштабному факторі та його відносний внесок до масштабного фактору у порівнянні з іншими чинниками, такими як температура і радіус ріжучої кромки. Крім того, розроблено модельний підхід до прогнозування шорсткості поверхні у процесі мікро-точіння. Досягнуто кращого фізичного розуміння взаємодії матеріалу і параметрів різання в мікрорізанні завдяки цій спробі моделювання. У нижченаведених пунктах підсумовано основні результати цієї роботи.

ЛІТЕРАТУРА

1. Kai Liu. “Process Modeling of Micro-Cutting Including Strain Gradient Effects”, Dissertation. - Georgia Institute of Technology., 2005. - 203 p.

глосарій ОСНОВНИХ ТЕРМІНІВ ТА ПОНЯТЬ

* Значення термінів та понять наведені в прядку появи в літературному джерелі

1. outline - план

2. micro-cutting - мікрообробка різанням (мікрорізання)

3. length scale - лінійний масштаб

4. size effect - масштабний фактор

(вплив габаритів фрагменту металу на механічні та інші властивості та на процес різання, - міцнісні властивості зменшуються із збільшенням габаритів)

5.specific cutting energy - питома енергія різання

6. plasticity - теорія пластичності

7. ductile - пластичний

8. strengthening - зміцнення

9. to account for - пояснювати

10. uncut chip thickness - товщина шару, що зрізається

11. orthogonal cutting - ортогональне різання

(лінія ріжучої кромки перпендикулярна до вектору відносної швидкості заготовки)

12. strain rate - швидкість деформації

13. µm - міжнародне позначення одиниці вимірювання „мікрометр (мікрон)”, позначення в Україні - „мкм”

14. flow stress - напруження текучості (напруження пластичної течії)

15. surface finish - характер поверхні

16. semiconductor - напівпровідник

17. pump - насос

18. valve - клапан

19. rake angle - головний передній кут інструменту

20. indentation - втискання

21. to induce - спричиняти; впливати

22. to attribute - пояснювати

23. ductile fracture - в'язке (пластичне) руйнування

24. adjacent - суміжний

25. out-of-plane - бічний

26. framework - структура

27. approach - підхід

28. respectively - відповідно

29. SAE 1112 steel - нелегована сталь з вмістом карбону С = 1,12 % (амер. стандарт he Society of Automotive Engineers)

30. bar - пруток

31. carbide tool - твердосплавний інструмент

32. clearance angle - задній кут інструменту

33. plain carbon steel - нелегована вуглецева сталь

34. diamond wheel - алмазний круг

35. to grind (ground) grind - заточувати

36. fine grit - тонкий, дрібнозернийстий

37. brass - латунь

38. thrust force - сила відтискання

39. fly-cutting - маятникове різання (летюче різання)

40. et al. - та інші (скорочено від лат. et alii)

41. radii - радіус

42. rack face - передня поверхня

43. flank face - задня поверхня

44. Oxygen Free Copper (OFC) - чиста безкиснева мідь

45. fluorite - флюорит

46. PMMA (Acryl resin) - акрилова гума, акрилова смола (поліметилметакрилат)

47. isotropic material - ізотропний матеріал (має в усіх напрямках однакові властивості)

48. brittleness - крихкість

49. amorphous - 1) аморфний, безформний; 2) безструктурний, некристалічний

50. relief angle - задній кут

51. cast iron - чавун

52. subsurface - підповерхневий (той що знаходиться під поверхнею);

53. fracture - розрив; руйнування

54. to attribute - пояснювати

55. grain boundary - границя зерна

56. impurity - домішки

57. to argue - доводити, стверджувати

58. imperfections - неоднорідності

59. to encounter - несподівано зустрітись; зіштовхнутись

60. to approach the theoretical strength - наближатися до теоретичної міцності

61. strain-rate sensitivity - вплив швидкості деформації

62. shear strain - (відносна) деформація зсуву

63. inversely proportional - зворотньо пропорційний

64. shear plane angle - кут площини зсуву

65. a tool-chip interface - стик (межа контакту) інструменту та стружки

66. viscoplastic - в'язко-пластичний

67. plowing/sliding indentation dominant process - домінуючий процес стругової виїмки/ковзання втисканням

68. transitioning - перехід

69. ploughing force - зусилля стругової виїмки

70. frictional rubbing - тертя

71. blunt tool - тупий інструмент

72. indenting force - сила втискання

73. to penetrate - зануритись

74. fracture toughness - в'язкість руйнування; тріщиностійкість, опір розвитку тріщини

75. ductile fracture mechanics - механіка пластичного руйнування

76. negligible - незначний; такий, що не береться до уваги (нехтується)

77. steep - надмірно високий

78. material constitutive law - основне матеріальне рівняння

79. grid - решітка; сітка

80. distortion - спотворення, перекіс

81. to assume - припустити; придумати

82. frame of reference - система відліку

83. mesh - сітка; комірка сітки

84. remeshing - регенерація сітки розбиття

85. rezoning - перерозподіл сітки на зоні

86. steady-state analysis - стаціонарний аналіз

87. arbitrary - довільний

88. to span - охоплювати

89. distribution - розподіл

90. strain hardening - наклеп, механічне зміцнення

91. power law - степенева залежність

92. continuum plasticity theory - механічна теорія пластичності суцільного середовища

93. stick-slip motion - переривчасте ковзання (переривчастий рух)

94. сonventional - традиційний

95. to assume - припускати

96. ample - багато; достатньо

97. explicit - ясний; докладний; детально розроблений; визначений

98. resolution - розклад на складові частини

99. spatial - просторовий

100. torsion - кручення

101. intrinsic - властивий

102. disruptive - руйнівний

103. tool nose radius - радіус при вершині інструменту

104. maximum peak-to-valley roughness height - максимальна висота мікронерівності від вершини до западини

105. constitutive model - базова модель

106. heat transfer - теплообмін

107. higher order terms - члени вищого порядку

108. implementation - реалізація

109. critical - відповідальний, вкрай необхідний

110. to debond - розривати, роз'єднувати

111. initially - на початковій стадії

112. convergence - конвергенція (зближення, сходження в одній точці)

113. to overlap - налипати

114. setup - налагодження

115. brushless motor - безколекторний мотор

116. servo bandwidth - допоміжна пропускна здатність

117. stiffer system - жорстка система

118. a component susceptible to failure - компонент, чутливий до відмов (аварій)

119. silicon wafers - кремнієві пластини

120. scanning transducer - скануючий датчик

121. fringes - інтерференційні смуги

122. subsequently - в подальшому

123. magnitude - величина; розмір

124. threshold - поріг

125. fluctuations in the cutting forces - коливання сил різання

126. exponent - показник

127. stiffness-to-weight ratio - питома жорсткість

128. non-heat-treatable alloy - термічно необроблюваний сплав

129. non-ferrous materials - кольорові метали

130. included angle - кут при вершині інструменту

131. SEM (Scanning Electron Microscope) - растровий електронний мікроскоп

132. blank - заготовка

133. brazing - паяння

134. shank - підкладка

135. grinding - шліфування

136. torsion - кручення; перекіс

137. oblique cutting - різання під кутом (неортогональне, непряме)