Современное состояние и тенденции развития моделирования процессов механической обработки, страница 15

После детального исследования кадров фильмов процесса резания полученных под микроскопом вон Луттервелт смог построить динамическую систему четырех плоскостей сдвига и кинематически застойной зоны (dead zone) для представления застойной зоны (stagnant zone) между стружкой и передней поверхностью [75]. Эта система сделала возможным объяснить и кинематически имитировать образование сегментных стружек. Эти фильмы также ясно показали, что сегментация начинающаяся спереди застойной зоны, заканчивается у режущей кромки и не происходит в зоне первичных деформаций. Этим фактом пренебрегали во всех последующих исследованиях. До сегодняшнего дня не достигнуто согласие в этом самом основном вопросе образования стружки. Надеемся, что вычислительная механика поможет в решении этой проблемы.

4. Применение вычислительной механики для (моделирования) процесса резания

4.1 Цель (применения) вычислительной механики

Целью применения вычислительной механики для моделирования процесса резаняи является численное прогнозирования посрежством компьютерной имитации всех параметров, которые не могут быть предсказаны с помощью других способов с приемлемой точностью. Среди этих параметров можно назвать течение стружки включая связанные с ним напряжения и температуры в заготовке, стружке и инструменте в области зоны стружкообразования. До настоящего момента не возможно использовать вычислительные модели для прогнозирования разрушаемости инструента и точности заготовки.

Все исследования в области имитации стужкообразования начинаются с изучения составных (constitutive) свойств обрабатываемого материала, законов трения между сружкой и инструментом, физических свойств, таких как теплофизические характеристики обрабатываемого и инструментального материала, формы инструмента.

Тот факт, что форма инструмента не полностью определяет геометрию стружки, выделяет процесс обработки металлов резанием из всех других процессов пластического течения. Как было отмечено в п. 3.3.8 процесс стружкообразования не является однозначно определенным, особенно при обработке инструментом с плоской передней поверхностью. Это приводит к непрогнозируемому изменению длины контакта, толщины стружки и ее завивания, а также даже иногда и типов стружки, что также вызывает изменение силы резания. Одной из причин проектирвоания многогранных неперетачиваемых пластин со спечением (sintered) в геометрии стружколомателей является уменьшение влияния свойств обрабатываемого материала и указаной неопределенности геометрии стружки [[98]], что позволяет повысить прогнозируемость результатов обработки.  Несколько исследователей полагают, что эта цель уже достигнута с помощью нескольких недавно внедренных геометрий стружколомателей. Но даже если это и действительно правда, этот факт остается все еще сомнительным. Тем не менее необходимо отметить, что применение вычислительной механики для моделирвоания влияния геометрии стружколомателей все еще находится на ранней стадии развития.

4.2 Проблемы. возникающие при имитации

С одной стороны недостаток определенности между формой стружки и силами резания, а с другой стороны простейшие описания свойств, таких как средний коэффициент трения между стружкой и инструментом или касательных напряжений в зоне первичных деформаций, являются основными знаниями еще с 1950-х годов [[99]]. Работа Хилла (Hill) [[100]], посвященная bounding и работа Девхестом (Dewhurst) [[101]], посвященная полю линий скольжения показали, как может возникнуть неопределенность. Эти работы заставили сконцентрировать внимание исследователей на более подробном рассмотрении изменения предела текучести обрабатываемого матриала в зависимости от деформации, скорости деформации и температуры, а также лучшем моделировании процессов трения, как необходимом условии достижения удачного прогнозирвоания течения стружки.

Одним из первых успеха в этой области добились Оксли и его сотрудники [11], однако потенциал для главных достижений появился с развитием численных, конечно элементных методов. Усуи и др. [[102]] разработали усовершенствованную Лагранжиевую упруго-платическую схему для стационарных расчетов с помощью метода итерационной сходимости (МИС). Другие исследователи разработали Эйлерову жестко-пластическйю схемы для стационарных процессов [[103]] или применяли коммерческое (универсальное) програмное обеспечение для нестационарных условий [[104]]. Недавно програмное обеспечение реализующее как Лагранжиеву так и Эйлерову схемы, а также адаптивное обновление КЭ сетки были применены для моделирования процесса резания [[105], [106], [107]]. Однако никогда не выполнялось сравнительного анализа производительности этих моделей, кроме ранних попыток, выполненых Стенковским (Stenkowski) [[108]].

Другой принципиальной проблемой при моделировании методом конечных элементов является выбор критерия отделения стружки. Как указано Серетти (Ceretti) и Алтеном (Altan) [[109]] существуют неопределенности в выборе критериев предельной деформации или предельной энергии.

4.3 Круговая система для КЭ имитации

На протяжении двух последних лет рабочая группа CIRP разработала задание по открытой круговой системе которое смогло стать тестовым заданием для оценки производительности моделей. Работающие над этой проблемой исследователи  использовали модель стационарного прямоугольного чистового точения низкоуглеродистой сульфинированной легкообрабатываемой стали (состав в массовых долях: 0,09% С; 1,01%Mn; 0,33% S) твердосплавным инструментом с передним углом равным 0°, с подачей f=0,1 мм[КДВ66] , глубиной резания a = 1 мм и скоростью резания v = 150 м/мин. Регистрируются сила резания[КДВ67]  Fc, осевое усилие[КДВ68]  FТ, угол сдвига F, длина контакта стружки с инстурментом lc, распределение температуры, а также касательных и нормальных напряжений на площадке контакта. Выбор был сделан таким поскольку существуют для этого случая исходные данные для определения условия текучести и параметров трения, а также результаты экспериментальных исследований. С точки зрения испытаний это закономерно должен быть  относительно простой случай, с малым трением[КДВ69] . Уравнение (2) выражает зависимость предела текучести от деформации, скорости деформации до величины 2000 с-1 и температуры до 700 °С полученные методом Гопкинсона (Hopkinson) кручения тонкостенной трубы с ускоренным ее нагревом (rapid heating Hopkinson bar method) [102] (при f=0,1 мм[КДВ70] , v = 150 м/мин максимльная температура резания 600 °С):