Eine Wolfram-Molybdän-Legierung ist ein schwer zu bearbeitendes Material mit hohen Verarbeitungskosten, geringer Verarbeitungseffizienz und starkem Werkzeugverschleiß. Mithilfe der Finite-Elemente-Analysesoftware ABAQUS wurde ein dreidimensionales Fräsmodell einer Wolfram-Molybdän-Legierung erstellt und der Fräsprozess der Wolfram-Molybdän-Legierung für verschiedene Schnittparameter untersucht. Das Variationsgesetz von Schnittkraft und Schnitttemperatur wird durch den Frästest überprüft, um die Wirksamkeit des Simulationsmodells zu überprüfen. Die optimale Kombination von Schnittparametern wurde durch orthogonale Experimente ermittelt, d. h. Schnittgeschwindigkeit vc=60m/s, Rückeneingriff ap=3mm, Vorschub pro Zahn fz=0,16 mm/z .
Präambel
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Wolfram und Molybdän sind in meinem Land reich an Vorkommen und weit verbreitet. Wolfram und Molybdän gehören zu den Elementen der Gruppe VIIB im Periodensystem der Elemente und sind typische Metalle mit hohem Schmelzpunkt. Da eine Wolfram-Molybdän-Legierung einen höheren Schmelzpunkt und eine geringere Dichte als reines Wolfram hat, vereint sie die Vorteile von Wolfram und Molybdän. Aufgrund seiner Korrosions- und Ablationsbeständigkeit [1] wird es zu einem wichtigen Material im Luft- und Raumfahrtbereich, kann in Raketentriebwerksdüsen und Schlüsselkomponenten von Gasturbinen verwendet werden und hat breitere Anwendungsaussichten im zukünftigen Industriebereich.
Um das Schneidprinzip der Wolfram-Molybdän-Legierung zu untersuchen, haben Wissenschaftler umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt. Als Luo Zhengchuan [2] Werkzeuge aus Hartmetall zum Schneiden von Legierungen auf Wolframbasis verwendete, war der Werkzeugverschleiß extrem schnell, und die Hauptverschleißform, die zum Versagen von Werkzeugen aus Hartmetall führte, war der dreieckige Verschleißbereich, der am Schnittpunkt der Hauptverschleißfläche auftrat Flanke und Hilfsflanke. Die Hauptursache für Werkzeugverschleiß ist mechanischer Verschleiß durch harte Spitzen, und die Diffusion von Kobalt als Bindemittel in Hartmetall beschleunigt den Werkzeugverschleiß. Beim Schneiden von Legierungen auf Wolframbasis stellte Ye Yi [3] fest, dass feinkörnige oder ultrafeinkörnige Hartmetallwerkzeuge auf WC-Basis mit verschleißfesten Beschichtungen auf der Oberfläche eine kürzere Lebensdauer haben. Die Bearbeitung seiner Legierungen ist unwirtschaftlich. Verbundkeramikwerkzeuge eignen sich nicht zum Schneiden von Materialien mit hohem Wolframgehalt, und die Lebensdauer von PKD-Diamantwerkzeugen ist im Vergleich zu Hartmetall auf WC-Basis nicht wesentlich verbessert. Wolfram und seine Legierungsmaterialien lassen sich am besten mit PCBN-Schneidwerkzeugen und Sorten mit höherem CBN-Gehalt (z. B. DBC80) verarbeiten, sodass bessere wirtschaftliche Vorteile erzielt werden können.
Die Finite-Elemente-Analysesoftware ABAQUS ist eine häufig verwendete Software für die Metallzerspanungssimulation. Es verfügt über leistungsstarke nichtlineare Analysefunktionen und kann eine thermisch-mechanische Kopplung realisieren. Eine Wolfram-Molybdän-Legierung ist ein schwer zu bearbeitendes Material mit hohen Verarbeitungskosten, geringer Verarbeitungseffizienz und starkem Werkzeugverschleiß. Daher wird in diesem Artikel die Finite-Elemente-Analysesoftware ABAQUS verwendet, um ein dreidimensionales Fräsmodell einer Wolfram-Molybdän-Legierung zu erstellen. Die dabei erzeugte Schnittkraft und Schnitttemperatur werden verändert und schließlich wird durch den Orthogonaltest die optimale Kombination von Fräsparametern ermittelt, die eine Referenz für den tatsächlichen Fräsprozess darstellt.
Finite-Elemente-Modellierung von Wolfram-Molybdän-Legierungen
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2.1 Werkzeuggeometriemodell
Die Simulation verwendet einen Hartmetall-Standard-4-Schaftfräser. Die Spezifikationen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Das Fräsermodell wird mit der 3D-Modellierungssoftware SolidWorks generiert, wie in Abbildung 1 dargestellt. Da der Zweck dieser Studie besteht darin, die Variation der Schnittkraft und der Schnitttemperatur unter verschiedenen Fräsparametern zu analysieren. Da die Hauptschneide des Werkzeugs viel kleiner als das Werkstück ist, wird das Werkzeug in der ABAQUS-Finite-Elemente-Analyse unabhängig davon als starrer Körper angenommen Die physikalischen Parameter des Werkzeugs bezüglich Werkzeugverformung und -verschleiß sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 1 Bild der Werkzeugspezifikationen (Einheit: mm).
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Abbildung 1 Fräsermodell
Tabelle 2 Physikalische Parameter des Werkzeugs
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2.2 Stoffmodell des Wolfram-Molybdän-Legierungsmaterials
Das Simulationswerkstückmaterial in diesem Artikel ist eine Wolfram-Molybdän-Legierung. Die wichtigsten physikalischen und mechanischen Leistungsparameter sind in Tabelle 3 [4] aufgeführt.
Tabelle 3 Physikalische Parameter von Wolfram-Molybdän-Legierungsmaterialien
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Beim Metallschneiden unterliegen Materialien in den meisten Fällen einer elastisch-plastischen Verformung unter hoher Temperatur, hoher Dehnung und hoher Dehnungsrate. Daher ist die Erstellung eines sinnvollen Materialmodells auch ein wichtiger Schritt für eine erfolgreiche Simulation. Das Materialmodell in diesem Artikel übernimmt das konstitutive Modell von Johnson-Cook, das den Kaltverfestigungseffekt, den Kaltverfestigungseffekt und den thermischen Erweichungseffekt des Materials widerspiegeln kann, und seine Form ist
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In der Formel ist σ die Fließspannung (MPa); ε ist die plastische Dehnung; ε0 ist die Referenzdehnungsrate; T ist die Temperatur (Grad); Tr ist die Raumtemperatur (Grad); Tm ist der Schmelzpunkt des Materials (Grad); A, B, C, m und n sind Materialparameter und die Werte sind in Tabelle 4[5] aufgeführt.
Tabelle 4 Johnson-Cook-Konstitutivmodellparameter von Wolfram-Molybdän-Legierungsmaterialien
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2.3 Kontakt- und Randbedingungen
Erstellen Sie ein Kontaktattribut. Da das Werkzeug während der Simulation als starrer Körper betrachtet wird, müssen Sie eine weitere Starrkörperbeschränkung erstellen. Erstellen Sie im ersten Analyseschritt eine Randbedingung, um alle Freiheitsgrade auf der Seite des Werkstücks einzuschränken. Das Werkzeug muss 4 Freiheitsgrade einschränken und die Rotation und Bewegung um die Z-Achse festlegen, wobei die Rotationsgeschwindigkeit die Spindelgeschwindigkeit und die Bewegungsgeschwindigkeit die Vorschubgeschwindigkeit ist. Erstellen Sie ein vordefiniertes Temperaturfeld und definieren Sie die Temperatur des Werkstücks als 298 K.
2.4 Mesh-Aufteilung
Die Qualität der Netzaufteilung hat großen Einfluss auf die Ergebnisse der Finite-Elemente-Simulation. Daher sollte bei der Vernetzung des Modells zunächst der geeignete Netzeinheitstyp ausgewählt und die Genauigkeit und Kosten umfassend berücksichtigt werden, um die Netzdichte angemessen zu steuern. Je dichter das Gitter, desto höher die Genauigkeit der Simulationsergebnisse, aber auch der Rechenaufwand steigt. Die Mindestgröße des Werkzeuggitters und des Werkstückgitters beträgt 0,02 mm, und das Werkzeug und das Werkstück sind jeweils in einheitliche Gitter unterteilt. Die Werkzeugstruktur ist komplex und verwendet ein tetraedrisches, nicht unabhängiges Strukturgitter. Der Typ ist C3D10MT und das Werkzeuggitter besteht aus 74400 Einheiten. Das Werkstück nimmt ein hexaedrisch strukturiertes Gitter an, das Werkstückgitter beträgt 26250 Einheiten und der Werkstückgittertyp ist C3D8RT. Das Werkzeug und das Werkstück nach dem Eingriff sind in Abb. 2 bzw. Abb. 3 dargestellt.
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Abbildung 2 Werkzeugraster
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Abbildung 3 Werkstückraster
2.5 Modelllösung
ABAQUS/Explicit wird für die Modellberechnung verwendet und die Art des Analyseschritts ist ein dynamischer expliziter thermisch-mechanischer Kopplungsanalyseschritt. Nach Abschluss der Berechnung können die Ergebnisse über das ABAQUS-Nachbearbeitungsmodul angezeigt und analysiert werden. Die Ergebnisse der Frässimulation sind in Abb. 4 dargestellt.
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Abbildung 4 Ergebnisse der Frässimulation
Simulierter orthogonaler Test
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3.1 Experimentelles Design
Dieses Experiment untersucht hauptsächlich den Einfluss der Schnittgeschwindigkeit vc, des Rückeneingriffs ap und des Vorschubs pro Zahn fz auf die Schnittkraft und die Schnitttemperatur beim Fräsen einer Wolfram-Molybdän-Legierung. Daher wird eine orthogonale Tabelle mit drei Faktoren und vier Ebenen erstellt (siehe Tabelle 5), das heißt, nehmen Sie vc, ap und fz als unabhängige Variablen. Die Schnittbreite ae=1mm, die minimale Schnittkraft F und die minimale Schnitttemperatur T seien die Antwort [6]. Gemäß dem Auswahlprinzip der orthogonalen Testtabelle wird die orthogonale L16-Tabelle übernommen. Die Testanordnung und die Ergebnisse sind in Tabelle 6 aufgeführt.
Tabelle 5 Orthogonale Faktoren und Ebenen
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Tabelle 6 Orthogonale Testergebnisse
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3.2 Analyse der Ergebnisse der Finite-Elemente-Simulation
Die Range-R-Methode wird verwendet, um die Ergebnisse des orthogonalen Tests zu analysieren. Der Bereich bezieht sich auf die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert, der jedem Ebenenindex entspricht. Die als R-Methode bezeichnete Entfernungsanalysemethode ist die am häufigsten verwendete Methode zur Analyse der Ergebnisse orthogonaler Experimente. Diese Methode umfasst zwei Berechnungs- und Beurteilungsmodule und kann das primäre und sekundäre, optimale Niveau und die optimale Kombination von Faktoren im Test ermitteln [7]. Das Prinzip der R-Methode besteht darin, den Wertebereich in jeder Spalte durch Berechnung des Bereichs zu vergleichen. Je größer der Bereich, desto größer ist der Einfluss des Faktors auf das Ergebnis, der der Hauptfaktor ist. Anschließend wird das Ergebnis mithilfe der intuitiven Analysemethode analysiert. Ausgehend von der minimalen Schnittkraft F als Index finden Sie in Tabelle 7 die Analyse der Testergebnisse. In der Tabelle sind K1, K2, K3 und K4 die Summe der Testergebnisse auf jeder Ebene jedes Einflussfaktors und k1, k2, k3 und k4 die entsprechenden Durchschnittswerte. Wert.
Tabelle 7 Analyse der Index-F-Testergebnisse (Einheit: N) Bild
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, also ist das optimale Schema des Index F B1C2A2, das heißt, die Schnittgeschwindigkeit vc beträgt 60m/s, der Vorschub pro Zahn fz beträgt 0,16 mm/z und der Rückschnittbetrag ap ist 2mm. Unter Berücksichtigung der minimalen Schnitttemperatur T als Index ist die Analyse der Testergebnisse in Tabelle 8 dargestellt.
Tabelle 8 Analyse der Index-T-Testergebnisse (Einheit: 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, daher ist die bevorzugte Lösung A1B12C4, das heißt, die Schnittgeschwindigkeit vc beträgt 50m/s und die Vorschubgeschwindigkeit pro Zahn. Der Betrag fz beträgt 0,16 mm/z und der Betrag ap beträgt 4 mm.
Wolfram-Molybdän-Legierungs-Frästest und Modellüberprüfung
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4.1 Experimentelles Design
Um die Gültigkeit des Finite-Elemente-Modells des Wolfram-Molybdän-Legierungsfrästests zu überprüfen, wurde das CNC-Bearbeitungszentrum JOHNFORD-VMC-850 zum Fräsen verwendet, und der standardmäßige 4-kantige Hartmetall-Schaftfräser wurde zum Fräsen verwendet als Werkzeug ausgewählt (siehe Abbildung 5).
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Abbildung 5 Fräser
Die Größe des Werkstückblechs beträgt 150 mm x 130 mm x 45 mm. Um das Werkstück auf dem Dynamometer zu befestigen, wird das Montageloch vor dem Fräsen am Werkstück bearbeitet und das Loch mit einem 8,6-mm-Wolframstahlbohrer gebohrt und dann zur Befestigung durch die Zylinderkopf-Innensechskantschraube M8 gebohrt. Im Experiment wurde der Drei-Wege-Dynamometer KISTLER9257b zur Messung der Schnittkraft verwendet, der Dynamometer wurde mit einer Druckplatte auf dem Werkzeugmaschinentisch befestigt und die Schnitttemperatur wurde mit einem Infrarot-Thermometer gemessen. Die Befestigung des Dynamometers und des Werkstücks ist in Abbildung 6 dargestellt, der Ablauf der Kraftmessung und Temperaturmessung ist in Abbildung 7 dargestellt.
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a) Montagelöcher herstellen
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b) Der Kraftmesser ist fest montiert
Abbildung 6 Befestigung von Kraftmessgerät und Werkstück
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a) Schnittkraftmessung
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b) Messung der Schneidtemperatur
Abbildung 7 Kraftmessung und Temperaturmessvorgang
4.2 Modellvalidierung
Für den Test wurden drei Gruppen von Schnittparametern ausgewählt. Die simulierten Werte, Messwerte und Fehler der Schnittkraft und Schnitttemperatur sind in Tabelle 9 und Tabelle 10 dargestellt. Aus Tabelle 9 und Tabelle 10 ist ersichtlich, dass der maximale Fehler der Simulationsergebnisse 15,6 % beträgt, was innerhalb von 20 % liegt. , sodass die Testergebnisse den Anforderungen technischer Anwendungen entsprechen.
Tabelle 9 Simulationswert, Messwert und Fehler der Schnittkraft
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Tabelle 10 Simulationswert, Messwert und Fehler der Schnitttemperatur
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Abschluss
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In diesem Artikel wird die Finite-Elemente-Analysesoftware ABAQUS verwendet, um ein dreidimensionales Fräsmodell einer Wolfram-Molybdän-Legierung zu erstellen. Entsprechend den verschiedenen Schnittparametern wird das Variationsgesetz der Schnittkraft und Schnitttemperatur, die beim Mahlen einer Wolfram-Molybdän-Legierung entstehen, untersucht und die optimalen Mahlparameter durch orthogonale Experimente ermittelt. Kombination, als Referenz für das tatsächliche Fräsen. Die erzielten Schlussfolgerungen lauten wie folgt.
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. Daher ist die optimale Lösung der Schnittkraft F B1C2A2, d. h. 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. Daher ist die optimale Lösung der Schnitttemperatur T A1B1C4, d. h. vc=50m/s, fz=0.16mm/ z,ap=4mm.
3) Berücksichtigen Sie umfassend die Schneideffizienz und die Vorteile bei der tatsächlichen Verarbeitung und erhalten Sie die optimale Kombination von Prozessparametern, d. h. vc=60m/s, fz=0.16mm/z, ap{{4 }}mm.
