A liga de tungstênio-molibdênio é um material difícil de usinar, com alto custo de processamento, baixa eficiência de processamento e severo desgaste da ferramenta. Usando o software de análise de elementos finitos ABAQUS, um modelo de fresamento tridimensional da liga de tungstênio-molibdênio foi estabelecido, e o processo de fresamento da liga de tungstênio-molibdênio foi estudado para diferentes parâmetros de corte. A lei de variação da força de corte e da temperatura de corte é verificada pelo teste de fresamento para verificar a eficácia do modelo de simulação. A combinação ótima dos parâmetros de corte foi obtida através de experimentos ortogonais, ou seja, velocidade de corte vc=60m/s, engate traseiro ap=3mm, avanço por dente fz=0,16mm/z .
preâmbulo
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O tungstênio e o molibdênio são ricos em reservas e amplamente distribuídos no meu país. O tungstênio e o molibdênio pertencem aos elementos do grupo VIIB na tabela periódica dos elementos e são metais típicos de alto ponto de fusão. Como a liga de tungstênio-molibdênio tem um ponto de fusão mais alto e uma densidade mais baixa que o tungstênio puro, ela combina as vantagens do tungstênio e do molibdênio. Resistência à corrosão e ablação [1], por isso está se tornando um material importante no campo aeroespacial, pode ser usado em bicos de motores de foguetes e componentes-chave de turbinas a gás, e tem perspectivas de aplicação mais amplas no futuro campo industrial.
Para estudar o princípio de corte da liga de tungstênio-molibdênio, os estudiosos realizaram muitos trabalhos de pesquisa. Quando Luo Zhengchuan [2] usou ferramentas de metal duro para cortar ligas à base de tungstênio, o desgaste da ferramenta foi extremamente rápido, e a principal forma de desgaste que causou a falha das ferramentas de metal duro foi a área de desgaste triangular que apareceu na interseção do principal flanco e o flanco auxiliar. A principal causa do desgaste da ferramenta é o desgaste mecânico causado por pontas duras, e a difusão do cobalto como aglutinante no metal duro acelera o desgaste da ferramenta. Ao cortar ligas à base de tungstênio, Ye Yi [3] descobriu que ferramentas de metal duro à base de WC de granulação fina ou ultrafina com revestimentos resistentes ao desgaste na superfície têm uma vida útil mais curta. Não é econômico usinar suas ligas. Ferramentas de cerâmica composta não são adequadas para cortar materiais de liga com alto teor de tungstênio, e a vida útil das ferramentas de diamante PCD não é significativamente melhorada em comparação com o metal duro à base de WC. O tungstênio e seus materiais de liga são melhor processados com ferramentas de corte de PCBN e classes com maior teor de CBN (como DBC80), para que melhores benefícios econômicos possam ser obtidos.
O software de análise de elementos finitos ABAQUS é um software comumente usado para simulação de corte de metal. Possui poderosas funções de análise não linear e pode realizar acoplamento termomecânico. A liga de tungstênio-molibdênio é um material difícil de usinar, que apresenta alto custo de processamento, baixa eficiência de processamento e severo desgaste da ferramenta. Portanto, este artigo utiliza o software de análise de elementos finitos ABAQUS para estabelecer um modelo de fresamento tridimensional da liga de tungstênio-molibdênio. A força de corte e a temperatura de corte geradas no processo são alteradas e, finalmente, a combinação ideal dos parâmetros de fresamento é obtida através do teste ortogonal, que fornece uma referência para o processo de fresamento real.
Modelagem de elementos finitos de liga de tungstênio-molibdênio
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2.1 Modelo de geometria da ferramenta
A simulação usa uma fresa de topo de lâmina 4- padrão de metal duro, e as especificações são mostradas na Tabela 1. O modelo da fresa é gerado usando o software de modelagem 3D SolidWorks, conforme mostrado na Figura 1. Como o objetivo deste estudo é analisar a variação da força de corte e da temperatura de corte sob diferentes parâmetros de fresamento, e considerando que a aresta de corte principal da ferramenta é muito menor que a peça, a ferramenta é assumida como um corpo rígido na análise de elementos finitos do ABAQUS, independentemente de deformação e desgaste da ferramenta, os parâmetros físicos da ferramenta são mostrados na Tabela 2.
Tabela 1 Figura de especificações da ferramenta (unidade: mm)
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Figura 1 Modelo de fresa
Tabela 2 Parâmetros físicos da ferramenta
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2.2 Modelo constitutivo do material de liga de tungstênio-molibdênio
O material da peça de simulação neste artigo é a liga de tungstênio-molibdênio, e os principais parâmetros de desempenho físico e mecânico são mostrados na Tabela 3 [4].
Tabela 3 Parâmetros físicos de materiais de liga de tungstênio-molibdênio
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No processo de corte de metal, na maioria dos casos, os materiais sofrem deformação elástico-plástica sob alta temperatura, alta deformação e alta taxa de deformação, portanto, estabelecer um modelo de material razoável também é um passo fundamental para uma simulação bem-sucedida. O modelo de material neste artigo adota o modelo constitutivo Johnson-Cook, que pode refletir o efeito de endurecimento por deformação, o efeito de endurecimento por deformação e o efeito de amolecimento térmico do material, e sua forma é
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Na fórmula, σ é a tensão de fluxo (MPa); ε é a deformação plástica; ε0 é a taxa de deformação de referência; T é a temperatura (grau); Tr é a temperatura ambiente (graus); Tm é o ponto de fusão do material (grau); A, B, C, m e n são parâmetros de material e os valores são mostrados na Tabela 4[5].
Tabela 4 Parâmetros do modelo constitutivo Johnson-Cook de materiais de liga de tungstênio-molibdênio
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2.3 Condições de contato e limites
Crie um atributo de contato e, como a ferramenta é considerada um corpo rígido durante a simulação, será necessário criar outra restrição de corpo rígido. Crie uma condição de limite na etapa de análise inicial para restringir todos os graus de liberdade na lateral da peça de trabalho. A ferramenta precisa restringir 4 graus de liberdade e definir a rotação e o movimento em torno do eixo Z, onde a velocidade de rotação é a velocidade do fuso e a velocidade de movimento é a velocidade de avanço. Crie um campo de temperatura predefinido e defina a temperatura da peça como 298K.
2.4 Divisão de malha
A qualidade da divisão da malha tem grande influência nos resultados da simulação de elementos finitos. Portanto, ao gerar a malha do modelo, o tipo de unidade de malha apropriado deve ser selecionado primeiro, e a precisão e o custo devem ser considerados de forma abrangente para controlar razoavelmente a densidade da malha. Quanto mais densa a grade, maior será a precisão dos resultados da simulação, mas aumentará o custo computacional. O tamanho mínimo da grade da ferramenta e da grade da peça é 0,02 mm, e a ferramenta e a peça são divididas em grades uniformes, respectivamente. A estrutura da ferramenta é complexa, utilizando uma grade estrutural tetraédrica não independente, o tipo é C3D10MT, e a grade da ferramenta é de 74400 unidades. A peça de trabalho adota uma grade estruturada hexaédrica, a grade da peça tem 26.250 unidades e o tipo de grade da peça é C3D8RT. A ferramenta e a peça de trabalho após a malha são mostradas na Fig. 2 e Fig. 3, respectivamente.
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Figura 2 Grade de Ferramentas
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Figura 3 Grade da peça
2.5 Solução modelo
ABAQUS/Explicit é usado para cálculo do modelo, e o tipo de etapa de análise é a etapa de análise de acoplamento termomecânico explícito e dinâmico. Após a conclusão do cálculo, os resultados podem ser visualizados e analisados através do módulo de pós-processamento ABAQUS. Os resultados da simulação de fresamento são mostrados na Figura 4.
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Figura 4 Resultados da simulação de fresamento
Teste Ortogonal Simulado
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3.1 Projeto experimental
Este experimento estuda principalmente a influência da velocidade de corte vc, do retrocesso ap e do avanço por dente fz na força de corte e na temperatura de corte no processo de fresamento da liga de tungstênio-molibdênio, portanto, uma tabela ortogonal com três fatores e quatro níveis é configurada (ver Tabela 5), ou seja, tome vc, ap e fz como variáveis independentes. Seja a largura de corte ae=1mm, a força mínima de corte F e a temperatura mínima de corte T como resposta [6]. De acordo com o princípio de seleção da mesa de teste ortogonal, a mesa ortogonal L16 é adotada, e o arranjo e os resultados do teste são mostrados na Tabela 6.
Tabela 5 Fatores e níveis ortogonais
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Tabela 6 Resultados dos testes ortogonais
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3.2 Análise dos resultados da simulação de elementos finitos
O método range R é utilizado para analisar os resultados do teste ortogonal, e o range refere-se à diferença entre o valor máximo e o valor mínimo correspondente a cada índice de nível. O método de análise de intervalo, conhecido como método R, é o método mais comumente usado para analisar os resultados de experimentos ortogonais. Este método inclui dois módulos de cálculo e julgamento, e pode descobrir o nível primário e secundário, o nível ideal e a combinação ideal de fatores no teste [7]. O princípio do método R é comparar o intervalo de valores em cada coluna calculando o intervalo. Quanto maior o intervalo, maior a influência do fator no resultado, que é o fator principal, e então analise o resultado através do método de análise intuitivo. Tomando a força de corte mínima F como índice, consulte a Tabela 7 para a análise dos resultados do teste. Na tabela, K1, K2, K3 e K4 são a soma dos resultados dos testes em cada nível de cada fator de influência, e k1, k2, k3 e k4 são os valores médios correspondentes. valor.
Tabela 7 Análise dos Resultados do Teste do Índice F (Unidade: N) Imagem
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, então o esquema ótimo do índice F é B1C2A2, ou seja, a velocidade de corte vc é 60m/ s, a quantidade de avanço por dente fz é 0,16mm/z, e a quantidade de corte reverso ap é 2mm. Tomando como índice a temperatura mínima de corte T, a análise dos resultados dos testes é mostrada na Tabela 8.
Tabela 8 Análise dos resultados do teste do índice T (unidade: 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, então a solução preferida é A1B12C4, ou seja, a velocidade de corte vc é 50m/s, e a taxa de avanço por dente O valor fz é 0,16mm/z, e o valor ap é 4mm.
Teste de fresagem de liga de tungstênio-molibdênio e verificação de modelo
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4.1 Projeto experimental
Para verificar a validade do modelo de elementos finitos do teste de fresamento de liga de tungstênio-molibdênio, o centro de usinagem CNC JOHNFORD-VMC-850 foi utilizado para fresamento, e a fresa de topo de metal duro com arestas 4- padrão foi selecionada como ferramenta (veja a Figura 5).
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Figura 5 fresa
O tamanho da folha da peça é 150 mm × 130 mm × 45 mm. Para fixar a peça no dinamômetro, o furo de montagem é processado na peça antes do fresamento, e o furo é perfurado com uma broca de aço de tungstênio de φ8,6 mm e, em seguida, através do parafuso sextavado de cabeça cilíndrica M8 para fixação. No experimento, foi utilizado o dinamômetro de três vias KISTLER9257b para medir a força de corte, o dinamômetro foi fixado na mesa da máquina-ferramenta por uma placa de pressão e a temperatura de corte foi medida por um termômetro infravermelho. A fixação do dinamômetro e da peça é mostrada na Figura 6, e o processo de medição de força e medição de temperatura é mostrado na Figura 7.
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a) Usinagem de furos de montagem
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b) O medidor de força é fixo
Figura 6 Fixação do dinamômetro e da peça de trabalho
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a) Medição da força de corte
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b) Medição da temperatura de corte
Figura 7 Processo de medição de força e medição de temperatura
4.2 Validação do Modelo
Três grupos de parâmetros de corte foram selecionados para teste. Os valores simulados, valores medidos e erros de força de corte e temperatura de corte são mostrados na Tabela 9 e Tabela 10. Pode-se observar na Tabela 9 e Tabela 10 que o erro máximo dos resultados da simulação é de 15,6%, que está dentro de 20%. , portanto, os resultados dos testes atendem aos requisitos das aplicações de engenharia.
Tabela 9 Valor de simulação, valor medido e erro da força de corte
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Tabela 10 Valor de simulação, valor medido e erro de temperatura de corte
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conclusão
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Neste artigo, o software de análise de elementos finitos ABAQUS é usado para estabelecer um modelo de fresamento tridimensional de liga de tungstênio-molibdênio. De acordo com diferentes parâmetros de corte, estuda-se a lei de variação da força de corte e da temperatura de corte gerada no processo de fresamento da liga de tungstênio-molibdênio, e os parâmetros ideais de fresamento são obtidos por meio de experimentos ortogonais. Combinação, fornece referência para fresamento real. As conclusões obtidas são as seguintes.
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>A. Portanto, a solução ótima da força de corte F é B1C2A2, ou seja, 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. Portanto, a solução ótima da temperatura de corte T é A1B1C4, ou seja, vc=50m/s, fz=0.16mm/ z,ap=4mm.
3) Considere de forma abrangente a eficiência de corte e os benefícios no processamento real e obtenha a combinação ideal de parâmetros de processo, ou seja, vc=60m/s, fz=0.16mm/z, ap{{4 }}milímetros.
