Modeling metal cutting processes under consideration of elastic material properties [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Gregor Franz Ludwig Messner

Satz3

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 26
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 23 Mo

Extrait

Di ss er ta ti on aus demW erkz eugm as ch in en la bo
GregorF ranzL udw ig Me ss ner
Mod eling Me tal Cu tt ingP ro ce sses
UnderC on sid er at ionofE la sti
Mat eri al Propert ies
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rModeling Metal Cutting Processes
Under Consideration of Elastic Material
Properties
Von der Fakultät für Maschinenwesen der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Gregor Franz Ludwig Messner
aus
Langen, Hessen
Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. F. Klocke
Prof. T. Altan, Ph.D., ME
Tag der mündlichen Prüfung: 30.10.2006
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar. Vorw ort und Danksagung
Di e vo rliegende Arbeit ent st and wäh re nd meiner Tät ig keit als wissensc ha ftliche r
Mitarbeit er am Laborator ium für Werkzeu gm aschinen und Betriebslehre (WZL) der
RWTH Aac hen .
Herrn Prof . Dr.- Ing. Dr.-Ing. E.h. F. Klock e, dem Inhab er des Lehrs tuhls für
Technologie der Ferti gungsverf ahren am WZL, danke ich für seine wohlwollende
Unterstützung und seine jederzeitige Gesprä chs- und Disku ss ionsb ereitscha ft sowie
für sei nen ins pir ierend en Führu ngsst il.
Bei Herrn Prof . T. Altan , dem Direkt or des ERC / NSM in Columbus, Ohio, USA,
bedanke ich mich fü r die Übernahme des Ko rref erat s und die Mögl ichk eit zum
fachliche n Austau sch mit ihm und seinen Mitarbei tern.
Frau Prof. K. Bobzin, der Inhaberin des Lehr stuhls für Oberfl äche nte chni k im
Maschin enbau, dank e ich für die Überna hm e des Vorsitzes während der mündlic hen
Prüfung.
Ebe nso be da nke ich mic h be i al le n Mitar beitern und ehemaligen Kollegen des WZ L
für Ihr e Unt ers tüt zung . Dank en möcht e ich dabei besonders den Umformern des
WZL , die durch ihre Unter stüt zung wesent lich zum Gelin gen dieser Arbei t
beigetrag en haben.
Mei n Da nk gi lt we iterhi n He rrn Dr.-Ing. S. Hoppe für sei ne Ber eit sc haf t zur fac hlic hen
Dis kussi on zu jeder Tages- und Nachtzeit so wi e für die kritisc he Durchs icht der
Arb eit . Wei ter hin dank e ich den vo n mir betr eut en Dipl omar beit ern, Stu dien arbeit ern
und stud entischen Hilfskräften für ihre Arbeit , dabei insbesond er e Herrn
Dipl. -In g. M. Rudo lph fü r die Unterstütz ung wäh ren d der exp er iment ellen Arbe iten
und der Erstellung der Abbildunge n.
Meiner Frau Cariss a danke ic h für ihre Unterst ützung, ihr Verständ nis und ihre
unerschöpf liche Geduld. Sie hat es mir erm öglicht, diese Arbeit berufsbegleiten d
fertig zu stelle n.
Schlie ßlich danke ich besond ers meinen Eltern, die meine Tec hni kbegeisterung früh
erkann ten und förderten , mich je derzeit unterstüt zten und mir meinen persönlichen
un d be ru fli ch en Wer de ga ng er mö gl ic ht ha be n.
Düsseldo rf, im August 2007 Gregor MessnerZusammenfassung
Die Modellierung von Zerspanprozessen beschränkt sich meist auf die Abbildung des
Werkstückwerkstoffes mithilfe einer starr-plastischen oder, bei Berücksichtigung der
Dehnratenabhängigkeit der Fließkurve, einer starr-viskoplastischen Formulierung.
Der Einfluss des elastischen Werkstoffverhaltens wird dabei vernachlässigt.
Weiterhin wird die Geometrie der Schneidkante meist vernachlässigt und stattdessen
eine ideal scharfe Schneide angenommen. Ein wichtiger Grund für diese
Vereinfachungen sind die daraus resultierenden stark reduzierten Rechenzeiten.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, inwiefern sich die
Berücksichtigung der elastischen Werkstoffeigenschaften von TiAl6V4 auf die
zweidimensionale Simulation der orthogonalen Drehbearbeitung dieses Prozesses
auswirkt. Die Simulationsergebnisse werden anhand experimentell ermittelter
Prozesskräfte, Temperaturen und der in der Werkstückrandzone verbleibenden
Eigenspannungen bewertet.
Um die für die Bewertung notwendige experimentelle Datenbasis zu erzeugen, wurde
ein neuartiger orthogonaler Drehprozess an einem helixförmigen Steg entwickelt. Der
Vorteil des neu vorgestellten Prozesses im Vergleich zu bekannten
Versuchsanordnungen liegt in der Möglichkeit der eindeutigen Zuordnung der
Prozessparameter Schnittgeschwindigkeit und Vorschub zu jedem Punkt der
bearbeiteten Oberfläche.
Die eingesetzten Versuchswerkzeuge wurden mit definierten Schneidkanten-
verrundungen versehen, sodass diese als Eingangsgröße für die Simulation bekannt
waren. Während der Versuche wurden auftretende Prozesskräfte mithilfe einer
Kraftmessplattform sowie Prozesstemperaturen mithilfe eines Zweifarbenpyrometers
erfasst. Im Anschluss an die Zerspanversuche erfolgte die röntgenografische
Bestimmung der in der Werkstückrandzone vorliegenden Eigenspannungen.
Die Modellierung des orthogonalen Drehprozesses erfolgte mittels des
kommerziellen FE-Codes DEFORM 2D, Version 8.1, der Firma SFTC.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das Modell eine gute Sensitivität hinsichtlich
der unterschiedlichen Schneidkantenradien aufweist. Die Berücksichtigung der elastischen Werkstoffeigenschaften hat keinen signifikanten Einfluss auf die
berechneten Prozesskräfte, die Formulierung beeinflusst jedoch die Kontakt-
zonenlänge sowie die Umformgradverteilung in Werkstück und Span.
Die Einführung von Scherreibung in das elasto-viskoplastische Modell führt zu
Fluktuationen der Schnittkraft, die als Vorstufe einer Segmentierung interpretiert
werden können. Die Schnittkräfte werden im Vergleich zum Experiment über- und die
Vorschubkräfte unterschätzt.
Die berechneten Eigenspannungen zeigen eine deutliche Abhängigkeit von den im
Modell zugrunde gelegten Prozessparametern und weisen der Literatur ent-
sprechende Trends auf. Die berechneten Absolutwerte der Spannungskomponenten
weichen von den experimentell ermittelten Daten ab.
Die Diskussion der Ergebnisse zeigt auf, welche weiteren Schritte sowohl im Bereich
der Materialbeschreibung als auch im Bereich der FEM Simulation erforderlich sind,
um die Qualität der Simulationsergebnisse weiter zu verbessern. Table of Contents I
List of Symbols........................................................................................................ III
1 Introduction and Objective ................................................................................ 1
2 State of the Art.................................................................................................... 4
2.1 The Finite Element Method (FEM).................................................................. 4
2.1.1 Basic Concepts of the FEM ...................................................................... 5
2.1.2 Lagrangian and Eulerain View of the Continuum...................................... 7
2.1.3 Explicit and Implicit Time Integration ........................................................ 8
2.1.4 Thermo-Mechanical Coupling................................................................... 9
2.1.5 Non-Linearities.........................................................................................10
2.1.6 Solid Formulation and Flow Formulation .................................................10
2.2 The FEM in Manufacturing ............................................................................12
2.2.1 The FEM in Metal Forming ......................................................................12
2.2.2 The FEM in Metal Cutting ........................................................................14
2.3 Experimental Verification of Machining Models .............................................28
2.3.1 Process Forces in Orthogonal Cutting.....................................................28
2.3.2 Cutting Temperatures..............................................................................32
2.3.3 Residual Stresses....................................................................................33
3 Experimental Set Up..........................................................................................40
3.1 Workpiece......................................................................................................41
3.2 Tools and Machine Tool ................................................................................41
3.3 Temperature and Force Measurements ........................................................44
4 Orthogonal Cutting Tests .................................................................................48
4.1 Forces and Temperatures .............................................................................48
4.2 Chip Thickness ..............................................................................................51
4.3 Post Process Examination of the Cutting Inserts...........................................51
4.4 Microstructure and Residual Stresses Subsequent to Machining..................54
4.5 Summary of the Experimental Results...........................................................61II Table of Contents
5 Simulation Set Up.........