Методика моделирования процесса механической обработки древесных материалов фрезерованием в пакете LS-DYNA

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методика моделирования процесса механической обработки древесных материалов фрезерованием в пакете LS-DYNA

Раповец В. В.,

Гришкевич А. А.

Медведев С. В.,

Иванец Г. Г.

К настоящему времени в Республике Беларусь для механической обработки различных древесных материалов и древесины используется в основном импортный дереворежущий инструмент. Постоянное увеличение номенклатуры обрабатываемых материалов на основе древесины, интенсификация условий работы деревообрабатывающего оборудования требует оптимизации конструкций применяемых режущих инструментов и режимов их эксплуатации с учетом основных технико-экономических факторов.

Особенностью механической обработки древесины и древесных материалов является то обстоятельство, что данный процесс протекает достаточно быстро (время взаимодействия режущей кромки инструмента с материалом менее 0, 001 с). Высокие частота вращения режущих инструментов (до 40000 мин^-1) и скорость подачи (более 80 м/мин) при обработке материалов требуют применения дорогостоящей высокоточной измерительной и регистрирующей аппаратуры.

Ранее установлено, что в контактной области при резании древесных материалов возникают до 2, 5 кН деформационные нагрузки, высокие до 1200 К температуры, которые в значительной степени зависят от конструкции инструмента и технологических режимов его эксплуатации. Такие нагрузки и температура способствуют интенсивному разрушению поверхностного слоя дорогостоящего инструмента, что приводит к быстрой потере им режущей способности, а в некоторых случаях и к полному его разрушению без возможности восстановления.

Для оптимизации конструкторско-технологических параметров режущего инструмента, разработки методов расчета основных показателей (силовых, параметров износа и т.д.) процесса высокоскоростной механической обработки древесных материалов в настоящее время проводятся дорогостоящие лабораторные и промышленные исследования, связанные с длительностью протекания эксперимента и дальнейшей трудоемкой обработкой большого массива полученных данных.

Моделирование высокоскоростных процессов механической обработки древесных материалов лезвийным инструментом в пакете LS-DYNA с расчетом параметров модели позволяет создавать новые энергоэффективные конструкции дереворежущих инструментов и обосновывать оптимальные режимы их эксплуатации.

При постановке подобного рода задач возможно применение различных описаний сплошной среды: лагранжево, эйлерово или обобщенное на основе лагранжево-эйлерово описания (Arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE).

В Лагранжевом подходе для описания поведения сплошной среды расчетная сетка движется и деформируется вместе с материалом. Область применения Лагранжевых решателей ограничивается задачами со сложными граничными условиями. Формулировка Лагранжа используется в основном для моделирования твердых тел. В данной формулировке упрощается наложение граничных условий, так как граничные узлы всегда совпадают с границами материала. Основным недостатком является возможность получения неточных результатов, так как в случае, если материал имеет возможность больших деформаций, следовательно, и сетка будет деформироваться настолько сильно, что это приведет к неадекватности расчетов, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Схема деформации расчетной сетки по методу Лагранжа

Несмотря на указанный недостаток, моделирование с формулировкой Лагранжа применяется достаточно широко в практике конечно-элементных расчетов для исследования процесса формирования стружки [1-5].

В формулировке Эйлера узлы сетки остаются в фиксированном положении, а материал при моделировании течет через сетку (рис. 2). Метод Эйлера применяется в основном для моделирования жидкостей, но может применяться и для создания моделей твердых тел.

Рис. 2. Постановка задачи по методу Эйлера

Формулировка Эйлера широко применяется для определения температур в зоне резания [6]. Практически моделируется только первоначальный момент формирования стружки (0, 015 с), как видно из рисунка 3, из-за больших потребностей в вычислительных ресурсах.

Рис. 3. Моделирование процесса образования стружки в формулировке Эйлера

Обобщенная Arbitrary Lagrange-Eulerian (ALE) постановка является комбинацией вышеприведенных двух постановок. В ALE постановке пользователь сам определяет движение сетки с целью минимизации ее искажений. Поэтому для данной формулировки требуется высокий уровень пользователя. Исследования по моделированию процессов механической обработки материалов фрезерованием в ALE формулировке проводятся французскими учеными [7] (рис. 4).

К гидромеханическому виду модели относится формулировка задачи с использованием гладких частиц Smooth Particle Hydrodynamics (SPH). SPH-элементы рассматриваются как центры масс объемных элементов. С помощью коэффициентов материала и характеристик SPH-элементов в граничных условиях описывается поведение вязкой среды, в которой находятся точки, обладающие заданной массой. В отличие от модели с твердотельным представлением, в модели, основанной на SPH-элементах, допускается большое относительное перемещение узлов друг относительно друга. Известны исследования при механической обработке материалов со стружкообразованим (рис. 5) и применение таких моделей датскими учеными [8].

Рис. 4. Моделирование процессов механической обработки материалов фрезерованием в АLE формулировке

Рис. 5. Моделирование стружкообразования с использованием SPH-элементов

Недостаток формулировок Эйлера, ALE, гидродинамической с использованием SPH-элементов состоит в том, что они позволяют моделировать непродолжительные промежутки времени процесса резания. Поэтому для задач, в которых требуется исследовать процесс обработки заготовки в целом, например, обработка заготовки на станке с ЧПУ концевой фрезой с пластическими деформациями в зоне резания [8], применяется лагранжевая формулировка задачи с удалением элементов с поверхностей объектов, взаимодействующих друг с другом за счет применения карты CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE (рис. 6).

Общая расчетная схема методики моделирования процесса фрезерования материала концевым режущим инструментом, представленная в работе [8], показана на рисунке 7.

Рис. 6. Схема пластических деформаций в зоне резания концевой фрезой

Рис. 7. Общая расчетная схема методики моделирования процесса фрезерования материала концевым режущим инструментом

Согласно представленной методике подготовка расчетной модели состоит из последующих этапов:

- в CAD-системе создается геометрическая модель режущего инструмента;

- на основе созданной геометрической модели генерируется конечно-элементная сетка;

- конечно-элементная модель заготовки строится в пакете LS-PrePost;

- задаются режимы резания с помощью карт граничных условий;

- определяются коэффициенты математической модели процесса резания с помощью карт материала и карт контактов.

Такая методика применима для исследований изменение состояния заготовки в процессе механической обработки. В этом случае режущий инструмент является абсолютно жестким телом. Свойства инструмента задаются картой *MAT_RIGID. Тогда поступательное движение задается картами *BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID и *DEFINE_CURVE, а вращательное - картами *BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID_LOCAL, *DEFINE_COORDINATE_NODES и *DEFINE_CURVE. Карты привязываются к центру масс абсолютно жесткого инструмента.

При исследовании конечно-элементной модели поведения системы «инструмент»-«заготовка», может изменяться расчетная схема путем ввода вспомогательного инструмента (рис. 8).

Рис. 8. Конечно-элементная модель системы «инструмент»-«заготовка»

В предложенной расчетной схеме абсолютно жестким является вспомогательный инструмент. Законы поступательного и вращательного движения задаются для вспомогательного инструмента. Режущий инструмент в этом случае описывается картой с параметрами, определяющими физические свойства материала режущей части. Простейшей является карта для материала *MAT_ELASTIC (плотность, модуль упругости, коэффициент Пуассона).

Движение вспомогательного инструмента фрезе передается через контакт, заданный картами *CONTROL_CONTACT и *CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_ID.

Фиксация заготовки в приспособлении задается путем определения набора неподвижных узлов (например, дна заготовки) и карты *BOUNDARY_SPC_SET.

Важным моментом является определение математической модели, по которой происходит расчет состояния системы «режущий инструмент»- «заготовка» (модель материала заготовки, модель контакта). В литературном источнике [8] в качестве материала заготовки была выбрана модель PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY. Данный тип материала - эластично-пластичный. Он учитывает напряжения и деформации, возникающие в материале при силовом нагружении. Система позволяет задать условия разрушения материала в зависимости от пластических деформаций или временной функции. В случае отсутствия данных по физико-механическим свойствам материалов можно использовать модель *MAT_PLASTIC_KINEMATIC, подобрав вычислительным путем, значения коэффициента FS (деформация разрушения для элементов). Значения коэффициентов E (модуль упругости), sigy (предел текучести), etan (касательный модуль) берутся из технических справочников механических свойств материалов. Условия контакта инструмента с металлом определяются картой CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE. После подготовки исходного key-файла выполняется расчет в пакете LS-DYNA.

Рассмотренные методики моделирования процессов в пакете LS-DYNA с формулировками Лагранжа, Эйлера, обобщенной ALE, гидродинамической с использованием SPH-элементов имеют свои отличительные особенности и область применения. Для получения достоверных моделей, максимально близких при воспроизведении к реальному процессу высокоскоростной лезвийной обработки анизотропных древесных материалов, при постановке задачи предпочтительно использовать формулировку Лагранжа. При этом необходимо проводить значительный объем суперкомпьютерных вычислений и сравнивать их с результатами экспериментальных исследований, осуществляя корректировку созданной модели.

древесный лагранж механический гидродинамический

Литература

1. Ceretti, E., Fallbohmer, P., Wu, W.T. and Atlan T.R., “ Application of 2D FEM to Chip Formation in Orthogonal Cutting”, p.169-180, Journal of Materials Processing Technology, 1996.

2. Marusich, T. D. and Ortiz, M., “Modelling and Simulations of High-Speed Machining”, p. 3675-3694, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1995.

3. Huang, J. M. and Black, J. T, “An Evalution of Chip Separation Criteria for FEM Simulation of Machining”, p. 545-554, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 1996.

4. Zhang, B. and Baghi, A., “Finite Element Simulation of Chip Formation and Comparasion with Machining Experiment”, p. 289-297, Journal of Engineering for Industry, 1995.

5. Kompovopoulos, K. and Erpenbeck, S. A. “Finite Element Modelling of Orthogonal Metal Cutting”, p. 253-267, Journal of Engineering for Industry, 1991.

6. Raczy, A. et.al., “An Eulerian Finite Element Model of the metal cutting process”, 8th International LS-DYNA users conference, http://www.dynalook.com/international-conf-2004/09-2.pdf.

7. A. Maurel, , M. Fontaine, S. Thibaud1, G. Michel, J. C. Gelin. Experiments and FEM Simulations of Milling Performed to Identify Material Parameters. Proceedings of the 11th ESAFORM Conference on Material Forming, Lyon (France), 23-25 April 2008.

8. Медведев Ф. В., Пономарев Б.Б., Черемных Е. А. Моделирование динамики концевого фрезерования http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Ptsm/2009_38/139-142.pdf.

Размещено на Allbest.ru