Numerical Modelling and Analysis of Orthogonal Metal Cutting
Författare
Summary, in Swedish
Popular Abstract in Swedish
De flesta komponenter som används i vårt samhälle har genomgått en bearbetningsprocess i något skede i sin tillverkningscykel. På grund av detta spelar de ekonomiska aspekterna av bearbetningsprocessen en viktig roll i tillverkningskostnaden. Det finns flera skäl till att utveckla ett rationellt förhållningssätt till skärande bearbetning, såsom att förbättra skärteknik, producerar produkter med förbättrad precision och öka produktionstakten. Ekonomin i skärprocessen har gjort detta område till ett av stor betydelse ur både ingenjörsteknisk och ingenjörsekonomisk synpunkt. På grund av detta har analytiska modeller utvecklats i syfte att uppnå en bättre förståelse om de fenomen som förekommer vid skärande bearbetning, så som Ernst och Mechant skjuvvinkelssamband. Den kontinuerliga utvecklingen av numeriska metoder, såsom finita element metoden tillsammans med mer beräkningskapacitet, ger möjlighet att simulera komplexa fysikaliska fenomen involverade i spånbildningsprocessen vid skärande bearbetning.
Forskningsarbetet som presenteras i denna avhandling behandlar utvecklingen av finita element modeller för simulering av svarvprocessen. Numeriska simuleringar har utförts för att få en ökad förståelse av skärande bearbetningsprocessen. En svårighet med att simulera svarvprocessen numeriskt är att den metod som använts här, bygger på att man delar in den geometri som skall analyseras i små element. Dessa element kommer sedan att deformeras eller utsättas för en stor elementförvridning vilket kommer leda till numeriska komplikationer. På grund av detta har två olika formuleringar andvänts den ena bygger på att materialet flödar genom ett fast elementnät på så sätt kringgås helt problematiken med elementförvridningen. Den andra formuleringen bygger på att elementnätet är kopplat till materialet och elementen förvrids när materialet deformeras, här motverkas problematiken med elementförvridningen genom att man uppdaterar elementen kontinuerligt i syfte att minska nätets förvridning. De numeriska modellerna presenterade här kan simulera en mångfald av processparametrar. Med arbetsstycket i fokus har följande processegenskaper studerats; spånbildning, skärkrafter, temperaturfördelning, deformationszoner, ytdeformation och minimal spåntjocklek. Den effekt skärverktygets mikrogeometri har på den maximala huvudspänningen, kraftfördelningen och den maximala effektiva spänningen i skärverktyget har också studerats. Flytspänningsmodellen som används under detta forskningsarbete är så kallade Johnson-Cook modellen. En invers analys har utförts i syfte att förbättra och förutse nya konstanter för denna flytspänningsmodell. Detta uppnås genom att först hitta en koppling mellan experimentellt bestämda parametrar från skärprocessen och konstanterna i flytspänningsmodellen.
De flesta komponenter som används i vårt samhälle har genomgått en bearbetningsprocess i något skede i sin tillverkningscykel. På grund av detta spelar de ekonomiska aspekterna av bearbetningsprocessen en viktig roll i tillverkningskostnaden. Det finns flera skäl till att utveckla ett rationellt förhållningssätt till skärande bearbetning, såsom att förbättra skärteknik, producerar produkter med förbättrad precision och öka produktionstakten. Ekonomin i skärprocessen har gjort detta område till ett av stor betydelse ur både ingenjörsteknisk och ingenjörsekonomisk synpunkt. På grund av detta har analytiska modeller utvecklats i syfte att uppnå en bättre förståelse om de fenomen som förekommer vid skärande bearbetning, så som Ernst och Mechant skjuvvinkelssamband. Den kontinuerliga utvecklingen av numeriska metoder, såsom finita element metoden tillsammans med mer beräkningskapacitet, ger möjlighet att simulera komplexa fysikaliska fenomen involverade i spånbildningsprocessen vid skärande bearbetning.
Forskningsarbetet som presenteras i denna avhandling behandlar utvecklingen av finita element modeller för simulering av svarvprocessen. Numeriska simuleringar har utförts för att få en ökad förståelse av skärande bearbetningsprocessen. En svårighet med att simulera svarvprocessen numeriskt är att den metod som använts här, bygger på att man delar in den geometri som skall analyseras i små element. Dessa element kommer sedan att deformeras eller utsättas för en stor elementförvridning vilket kommer leda till numeriska komplikationer. På grund av detta har två olika formuleringar andvänts den ena bygger på att materialet flödar genom ett fast elementnät på så sätt kringgås helt problematiken med elementförvridningen. Den andra formuleringen bygger på att elementnätet är kopplat till materialet och elementen förvrids när materialet deformeras, här motverkas problematiken med elementförvridningen genom att man uppdaterar elementen kontinuerligt i syfte att minska nätets förvridning. De numeriska modellerna presenterade här kan simulera en mångfald av processparametrar. Med arbetsstycket i fokus har följande processegenskaper studerats; spånbildning, skärkrafter, temperaturfördelning, deformationszoner, ytdeformation och minimal spåntjocklek. Den effekt skärverktygets mikrogeometri har på den maximala huvudspänningen, kraftfördelningen och den maximala effektiva spänningen i skärverktyget har också studerats. Flytspänningsmodellen som används under detta forskningsarbete är så kallade Johnson-Cook modellen. En invers analys har utförts i syfte att förbättra och förutse nya konstanter för denna flytspänningsmodell. Detta uppnås genom att först hitta en koppling mellan experimentellt bestämda parametrar från skärprocessen och konstanterna i flytspänningsmodellen.
Publiceringsår
2015
Språk
Engelska
Fulltext
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Förlag
Lund University (Media-Tryck)
Ämne
- Applied Mechanics
Nyckelord
- Metal Cutting
- Finite Element Method
- Deformation Zones
- Sub-surface Deformation
- Tool Stress
- Inverse Analysis
- Kalman Filter
- Minimum Chip Thickness
Status
Published
Forskningsgrupp
- Mechanics
Handledare
ISBN/ISSN/Övrigt
- ISBN: 978-91-7623-559-1
Försvarsdatum
11 december 2015
Försvarstid
10:15
Försvarsplats
Lecture hall M:E, M-building, Ole Römers väg 1, Lund University, Faculty of Engineering, LTH.
Opponent
- Mihai Nicolescu (Prof)