Experimental and numerical analysis of chip formation in metal cutting [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Stefan Hoppe

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 65
• Langue: Deutsch
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Extrait

Experimental and numerical analysis of
chip formation in metal cutting
Von der Fakultät für Maschinenwesen der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Stefan Hoppe
aus
Gladbeck/Westfalen
Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. F. Klocke
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. H. K. Tönshoff
Tag der mündlichen Prüfung: 8. Dezember 2003
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online
verfügbar.Vorwort und Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der
RWTH Aachen.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Fritz Klocke, dem Inhaber des Lehrstuhls für Technologie der
Fertigungsverfahren, danke ich für die Diskussionsbereitschaft und die wohlwollende
Förderung der Arbeit.
Ebenso bedanke ich mich bei em. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. mult. Hans Kurt
Tönshoff, dem ehemaligen Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und
Werkzeugmaschinen der Universität Hannover, für die Übernahme des Korreferates.
Mein Dank gilt ebenfalls Herrn Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff, dem Leiter des
Lehrstuhls für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen, für die
Übernahme des Vorsitzes bei der mündlichen Prüfung.
Für zahlreiche anregende Diskussionen, Vorarbeiten und Ratschläge bedanke ich
mich bei den ehemaligen und derzeitigen Kollegen Dipl.-Ing. Rainer Fritsch, Dr.-Ing.
Tilo Krieg, Dr.-Ing. Hans-Willi Raedt und Dr.-Ing. Volker Zinkann sowie meinen
Projektpartnern Dr.-Ing. Christoph Treppmann und Dipl.-Ing. Bernhard Müller. Für die
kritische Durchsicht des Manuskriptes gilt mein besonderer Dank meinen Kollegen
Dipl.-Ing. Gregor Messner und Dipl.-Ing. Ingo Essel.
Für ihren Anteil an der Entstehung der Arbeit bedanke ich mich bei allen ehemaligen
und jetzigen studentischen Mitarbeitern, Studien- und Diplomarbeitern. Weiterhin gilt
mein Dank den Mitarbeitern des Lehrstuhls, die durch ihre Mitarbeit zum Gelingen
der Arbeit beigetragen haben.
Mein Dank gilt insbesondere meinen Eltern, Regina und Hans Hoppe sowie meiner
Frau Christiane, die meinen beruflichen Werdegang zu jedem Zeitpunkt ermöglicht
und unterstützt haben.
Aachen, im Januar 2004 Stefan Hoppefür Katharina MarieContents i
Contents
Contents........................................................................................................................ i
List of symbols ............................................................................................................. 1
1 Introduction and objective of the work........................................................... 5
2 Plastic behavior of the examined workpiece materials.................................. 7
2.1 Flow stress curve........................................................................................... 9
3 Elastic and thermo-mechanical properties of workpiece and tool ............... 27
3.1 Young’s modulus E...................................................................................... 28
3.2 Poisson ratio n............................................................................................. 30
3.3 Coefficient of linear thermal expansion a ................................................... 32L
3.4 Coefficient of heat transfer h ....................................................................... 33
3.5 Specific heat capacity c .............................................................................. 34p
3.6 Density r...................................................................................................... 35
3.7 Product of specific heat capacity c and density r ...................................... 35p
3.8 Thermal diffusivity a and thermal conductivity l.......................................... 36
3.9 Taylor-Quinney coefficient k........................................................................ 37
3.10 Thermal contact conductance h ............................................................... 38tc
3.11 Friction......................................................................................................... 40
4 Summary of material description................................................................. 45
5 Experimental setups and results ................................................................. 47
5.1 External turning operation ........................................................................... 48
5.2 Chip formation ............................................................................................. 65
5.3 Micrographs of chips ................................................................................... 67
5.4 Chip thickness ............................................................................................. 74
5.5 Length of the contact zone .......................................................................... 75
5.6 Chip root examinations................................................................................ 78ii Contents
5.7 State of the art of the in-situ photograpy of the chip formation process ......82
5.8 Design of a new setup for the in-situ photography of chip formation...........84
5.9 Results of in-situ photography .....................................................................93
5.10 Tool wear ...................................................................................................102
5.11 Surface quality ...........................................................................................108
6 Conclusions from experimental results......................................................111
6.1 Chip formation............................................................................................111
6.2 Resultant forces .........................................................................................113
6.3 Cutting temperatures .................................................................................121
6.4 Tool wear ...................................................................................................123
6.5 Surface quality ...........................................................................................124
7 Modeling and simulation of the cutting process.........................................125
7.1 Modeling of the cutting process – an overview..........................................126
7.2 Setup of the model.....................................................................................135
7.3 Evaluation of material data ........................................................................138
7.4 Numerical means to adapt the simulation to the cutting process...............140
7.5 Application of design of experiments to the cutting simulation ..................142
7.6 Experimental verification of the simulation.................................................150
8 Conclusions from cutting simulation ..........................................................161
8.1 Simulation of continuous chip formation ....................................................161
8.2 Simulation of segmented chip formation....................................................172
9 Conclusion and potential applications of the results..................................183
10 Literature....................................................................................................187
Curriculum vitae .......................................................................................................199List of symbols 1
List of symbols
symbol explanation unit
A flexural strength %
2a thermal diffusivity m /s
2A cross-sectional area of the uncut chip thickness mmc
2A cross-sectional area of the chip mmch
AISI American Iron and Steel Institute
Al aluminum
Al O aluminum oxide2 3
ALE arbitrary Lagrangian-Eulerian
AlN aluminum nitride
a depth of cut mmp
BN boron nitride
BUE build up edge
BUL build up layer
C carbon
CAD computer aided design
CMC ceramic matrix compound
CNC computerized numerical control
Co cobalt
c specific heat coefficient (N*m)/(kg*K)p
CPU central processing unit
Cr chromium
Cu copper
d diameter mm
DOE design of experiments
E Young`s Modulus MPa
EDM electronic discharge machining
EDP electronic data processing
EDX energy dispersive x-ray analysis
f feed mm
F force component normal to the primary shear zone Nfn
F force component tangential to the primary shear zone Nft
F cutting force Nc
Fe iron
FEM finite element method
F feed force Nf
F inertia or mass force Nm
F passive force Np
F shear force Nsh
F resultant shear force Nsu
F resultant force Nz
F force component normal to the rake face Nan
F force component tangential to the rake face Nat
G degree of segmentation