Modelowanie obróbki strumieniem wodnościernym tworzyw sztucznych metodą elementów skończonych

• Autorzy: Wala T.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Obróbka wysokociśnieniowym stłumieniem wodnym oraz wysokociśnieniowym strumieniem wodnościernym zaliczana do grupy technologii określanej mianem High-Tech, jest jedną z metod erozyjnych sposobów obróbki. Zalety tej metody obróbki polegają na m.in. na stosowaniu przyjaznych ekologicznie i powszechnie dostępnych mediów obróbkowych, jakimi są woda i ścierniwo, możliwości obróbki praktycznie każdego materiału w tym niejednorodnych (kompozyty zbrojone włóknami) w dużym zakresie grubości. Kolejne zalety tej metody sposobu obróbki, jak np. brak wpływów cieplnych na materiał obrabiany, niewielka szerokość cięcia, łatwość automatyzacji uzasadniają stosowanie metody obróbki strumienia wodnościernego w przemyśle lotniczym, samochodowym, kosmicznym, zbrojeniowym, spożywczym i szeregu innych. Dla uzyskania materiałów o najwyższej jakości powierzchni obrobionej uzyskanej metodą wodnościerną konieczny jest właściwy dobór parametrów obróbki. Z powodu złożonego wzajemnego oddziaływania wielu parametrów obróbki wodnościernym poszukuje się rozwiązań, które w sposób prosty, szybki i niedrogo opracują model, który prognozowałby głębokość przecięcia bez przeprowadzania badań eksperymentalnych lub, jeśli istnieje taka konieczność, ich zmniejszenia do minimum. Do tej pory zbudowano jedynie kilka prostych modeli, które wykorzystywały metodę elementów skończonych, w celu określenia mechanizm erozji. Badania te jednak dotyczyły z reguły tylko materiałów jednorodnych (np. stal). Celem nadrzędnym pracy jest zbudowanie modelu, który umożliwi prognozowanie głębokości erozji materiałów niejednorodnych typu włókniste kompozyty polimerowe. W celu wyjaśnienia zjawisk powstających w czasie procesu cięcia strumieniem wodnościernym zbudowano nieliniowy, dynamicznych model MES. Podstawowym zadaniem podczas projektowania modelu jest opracowanie wzajemnego oddziaływania narzędzia i materiału przedmiotu obrabianego. Model materiału obrabianego uwzględnia takie warunki, jakimi są: ortotropia charakterystyczna dla kompozytów zbrojone włóknami długimi, warunki warstwy przejściowej definiującej połączenie międzywarstwowe. Model narzędzia opiera się na dwóch podejściach: pierwszy, do analizy uderzenia pojedynczej cząstki ścierniwa w powierzchnię przedmiotu obrabianego dla celów śledzenia penetracji cząstki w kompozycie, drugi, do analizy uderzenia strumienia wodnego dla celów śledzenia penetracji czystej wody w materiale i śledzenia zjawisk różnych zniszczeniowych, takich jak delaminacja. Na podstawie pierwszego modelu opracowano model matematyczny do prognozowania całkowitej głębokości przecięcia w zależności od niektórych wybranych parametrów obróbki tj. ciśnienie, posuw, strumień ścierniwa. Na podstawie drugiego modelu zbadano wpływ zastosowania strumienia czystej wody na charakter erozji kompozytu. Dodatkowo wyznaczono odkształcenia i naprężenia w otoczeniu strefy przecięcia materiału przedmiotu obrabianego jako wynik erozyjnego działania strumienia wodnościernego. Badania modelowe poddano weryfikacji na drodze doświadczeń laboratoryjnych. Zbadano szczegółowy wpływ warunków pracy (tj. ciśnienie strumienia wodnościernego, posuw głowicy tnącej, natężenia przepływu ścierniwa) na głębokość erozji i topografię przecięcia. Wykonano szereg eksperymentów, w którym zmieniano w szerokim zakresie parametry i zarejestrowano odpowiadające im kształty szczelin przecięcia. Badania wykonano dla kilku rodzajów próbek kompozytowych. Wykorzystano maszynę do obróbki strumieniem wodnościernym, o maks. ciśnieniu strumienia wodnościernego 380 [MPa]. Zarys wrębu w próbkach kompozytowych, topografia przecięcia i głębokość szczeliny zostały zmierzone na maszynie pomiarowej. Kształt wrębów przedstawiono na fotografiach. Wyniki badań doświadczalnych potwierdziły możliwość prognozowania głębokości erozji na drodze obliczeń metodą elementów skończonych. Model MES w sposób dokładny, czyli na poziomie akceptowalnego błędu wyniku tj. ok. 10%.

EN

The waterjet machining and abrasive waterjet machining belongs to group of technology, which is called High-Tech. The advantages of AWJM rely on using ecological and commonly accessible machining of each material including inhomogeneous materials (composites reinforced by fibers). The other advantages of the AWJM such as: no thermal effects inside workpiece, narrow cutting width and automation facility let to apply that machining method in automotive, aircraft, aerospace and military industry. It is necessary to proper choice of machining parameters to obtain workpiece surface with good quality machined by AWJM. Due to the complex interaction of several AWJM parameters should be created simple, quick and inexpensive method of predict depth kerf model without experimental researches . Up to day only few simply models were created using the finite element method, which allow analyzing erosion mechanism. However that research concerned only homogenous materials (e.g. steel). The main objective of the doctor's thesis is developing a model for prediction of the depth of cut of inhomogeneous materials (polymeric composites reinforced by fibers). A nonlinear dynamic finite element model has been developed in order to explain the behavior of the process. During development of model the basis of task has been definition of interaction between the tool and a workpiece. There are detailed analysis design composite materials and cutting tool. Two analysis has been conducted: first, the impacting single abrasive particle into surface of workpiece analysis, second, the analysis impacting pure waterjet in order to observation of penetration water inside material and tracing failure phenomena such us delamination. On the basis of first model a mathematical model for depth kerf prediction was developed. The one depends on several machining parameters i.e. pressure, traverse rate, abrasive flow rate. On the basis of second model the influence pure waterjet on character of composite erosion mechanism was studied. Additionally deformations and stresses in the workpiece material, the vicinity of the cutting interface as a result of the erosion impact by abrasive waterjet were obtained. The FEA of AWJM was verified by experimentation. The effect of the working condition e.g. waterjet [pressure, traverse rate, abrasive flow rate on the depth of cut and kerf topography are investigated in detail. Extensive series of AWJM experiments for large range of working conditions were made and corresponding kerf shapes were recorded. The research for several specimens were earned out. The machine tool had a maximum pressure of 380 MPa. The workpiece kerf profile, cutting topography and kerf depth were measured on the measuring machine. The profile as photos was presented. The experimental results confirmed capability of the FEM in predicting the depth of cut. The model accurately predicts the depth of erosion acceptable range of calculation error i.e. 10%.

Słowa kluczowe

PL

obróbka strumieniem wodno-ściernym; mechanizm erozji; metoda elementów skończonych; model matematyczny; kompozyt włóknisty

EN

abrasive waterjet; erosion mechanizm; finite element method; mathematical model; fibre reinforced composite

• Wydawca: Katedra Budowy Maszyn. Politechnika Śląska
• Czasopismo: Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn / Politechnika Śląska
• Rocznik: 2005
• Tom: nr 3
• Strony: 5--158
• Opis fizyczny: Bibliogr. 57 poz.

Twórcy

autor

Wala T.

• Katedra Budowy Maszyn Politechniki Śląskiej, 44-100 Gliwice, ul. Konarskiego 18A, tel. [phone],

Bibliografia

• [1] Adler W.F.: Waterdrop Impact Modeling, Wear, 1995, Vol. 186-187, p. 341.
• [2] Blickwedel H, Haferkamp H., Laurinat A., Louis H.: Abrasivstrahlchneiden metallisher Werstoffe im Vergleich zu anderen Trennverfahren, Machinenmarkt Nr 49, 1989.
• [3] Dąbrowski H.: Wytrzymałość polimerowych kompozytów włóknistych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.
• [4] Dane techniczne polimerowych materiałów wielowarstwowych - IZOERG.
• [5] Engemann B. K.: Water Jet Cutting of Fibrę Reinforced Composites Materials, Industrial & Production Engineering, No. 3, p. 162, 1981.
• [6] Farley G.L., Jones R.M.: Prediction of the Energy-Absorption Capability of Composite Tubes, Journal of Composite Materials, Vol. 26 (3), 1992, pp.388-404.
• [7] Fisher L.: Mod. Piast., 37, 30, 120-203, 1960.
• [8] Fleming DC: Delamination Modeling of Composites for Improved Crash Analysis, Aerospace Engineering Program, Florida Institute of Technology 150 W. University Blvd., Melbourne, FL 32901.
• [9] Fleming D.C., Vizzini A.J.: Off-Axis Energy Absorption Characteristics of Composites for Crashworthy Rotorcraft Design, Journal of the American Helicopter Society, Vol. 41, (3), 1996, pp. 239-246.
• [10] Guo Z., Ramulu M., Jenkins M.G.: Modelling the Waterjet Contact/Impact on Target Materiał. Proceedings of the 10* American Waterjet Conference, Houston, Texas, paper 3, 1999.
• [11] Guo Z., Ramulu M.: Simulation of Displacement Fields Associated with Abrasive Waterjet Drilled Hole. Proceedings of the 10th American Waterjet Conference, Houston, Texas, paper 19, August 1999.
• [12] Harnish M.: Turning with abrasive-watrejets - a first investigation. ASME J. Eng. for Ind., nr 4, 1984, 581-290.
• [13] Hashish M.: A Model for Abrasive-Waterjet Machining, Transactions of the ASME, Journal of Engineering for Industry, Vol. 111, str.154. kwiecień 1989.
• [14] Hashish M.: Machining of advanced composites with abrasive-waterjets', ASME Winter Annual Meeting, Chicago, 1998.
• [15] Hassan A.I: Finite element analysis of abrasive waterjet machining, Praca Doktorska 2001, Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn, Politechnika Śląska, Gliwice, Nr 1,2001.
• [16] Hassan A.I., Kosmol J.: A FEM model for abrasive waterjet machining (AWJM), XXXIX Sympozjon "Modelowanie w Mechanice", Wisła 2000.
• [17] Hassan A.I., Kosmol J.: A preliminary finite element model of waterjet machining (AWJM). Materiały konferencyjne: III forum prac badawczych "Kształtowanie części maszyn przez usuwanie materiału", Koszalin 1998, s. 235-244.
• [18] Hassan A.I., Kosmol J.: Simulation of Abrasive Waterjet Machining. Zeszyty Naukowe Katedry Mechaniki Stosowanej, Politechnika Śląska, Gliwice, Nr 9, 1999r.,s. 81-86.
• [19] Hassan A.I., Kosmol J.: Wstępny model obróbki strumieniem wodnym z wykorzystaniem metody elementów skończonych. VI Konferencja Naukowo -Techniczna EC 2000, Bydgoszcz 2000.
• [20] Hassan A.I., Kosmol J., Bursa J.: Recent advances in machining of polymeric composite materials by AWJM, Polimery i kompozyty Konstrukcyjne, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1998.
• [21] Hill R.: Proc. Roy, Soc. A. 193, 1948.
• [22] Ho-Cheng H.: A Failure analysis of water jet drilling in composite laminates, International Journal Machining Tools Manufacturing, Vol. 30, Nr 3, pp. 423, 1989.
• [23] Hoffman O.J.: Comps. Mater., 1,200-206, 1967A.
• [24] Hu P., Zangeneh M.: Analysis of 3D Viscous flow trough a water-jet intake under different operating conditions. ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting, Washington D.C., June 21-25, 1998, ASME paper FEDSM98-4855.
• [25] Hyla L, Śleziona J.: Kompozyty. Elementy mechaniki i projektowania, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004.
• [26] Kamoulakos A., Kohlgruber D.: Validation of Numerical Simulation of Composite Helicopter Sub-floor Structures Under Crash Loading, Proceedings of the 54,h AHS Annual Forum, Washington, DC, May 20-22,1998.
• [27] Kindervater C.M.: Crashresistant Composite Helicopter Structural Concepts -Thermoset and Thermoplastic Corrugated Web Designs, Proceedings of the National Technical Specialists' Meeting on Advanced Rotorcraft Structures, Williamsburg, VA, 1995.
• [28] Kosmol J., Hassan A.I.: A new approach of virtual finite element experimentation as a means for modeling advanced machining process, XL Sympozjon "Modelowanie w Mechanice", Wisła 2001.
• [29] Kosmol J., Hassan A.I.: Modelowanie obróbki strumieniem wodnościernym metodą elementów skończonych. Prace Naukowe Instytutu Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej, Nr 78, 2000.
• [30] Kosmol J., Rybarz M., Wala T., Niedbała M.: Selected problems and FEM modeling of composites cutting using water jet and abrasive water jet, Proceedings of the 16th International Conference on Water Jet, France, 16-18 October 2002.
• [31] Kosmol J., Wala T., Hassan A.I.: Preliminary Attempt to FEM modeling of AWJM of polymeric composites, II Międzynarodowa Konferencja Obróbka Wysokociśnieniowym Strumieniem Wody, WJM'2001,s. 39-48.
• [32] Kónig W., Kampfe A., Mangler R., Schmelzer M.: Einfliisse auf die Effeckwitat des Wasserstrahlschneidens, dima, Vol. 48, Nr 7/8, s. 42, 1994.
• [33] Konig W., Wulf Ch., Grass P., Willerscheid H.: Machining of Fibrę Reinforced Plastics, Annals of the CIRP, Vol.32, Nr 32, s. 537, 1985.
• [34] Mahdi M., Zhang L.: An adaptive three-dimensional finite element algorithm for the orthogonal cutting of composite materials, Journal of Materials Processing Technology 113 (2001) p. 368-372.
• [36] Mohan R.S., Kovacevic R.: Finite Element Modeling of Crack Propagation in PCC Slab Slotted with Abrasive Waterjet. Proceedings of the 10lh American Waterjet Conference, Houston, Texas, paper 5, August 1999.
• [37] Momber A.W., Kovacevic R.: Principles of Abrasive Water Jet Machining. Springer - Verlag London Limited 1998.
• [38] NASA 2001.
• [39] Norris C.B.: Trans. Amer. Soc. Mech. Eng., 61, 259-261, 1939.
• [40] Ochelski S., Polański J.: Wpływ prędkości obciążania na powierzchnię plastyczności lepko-sprężystego tworzywa ortotropowego, Rozpr. Inż. 33,4, 1985.
• [41] Oczoś K: Kształtowanie materiałów skoncentrowanymi strumieniami energii, Wydawnictwo Rzeszów 1988.
• [42] Oczoś K: Obróbka wysokociśnieniowym strumieniem wody, Mechanik, Nr 2-3, s. 85, 1989.
• [43] Oczoś K., Łabędzki R.: Obróbka strumieniem wodnościernym materiałów metalowych i niemetalowych (część I), Mechanik Nr 11, s. 341, 1992.
• [44] Oczoś K., Łabędzki R.: Obróbka strumieniem wodnościernym materiałów metalowych i niemetalowych (część II), Mechanik nr 12/1992.
• [45] Pająk E.: Podstawy obróbki mechanicznej, Skrypt. Poznań 2002.
• [46] Projekt - Simulation of foreign object damage multilayered compsites using FEA, Institut fur Leichtbau und Kunststofftechnik, Niemcy - Drezno.
• [47] Ramulu M., Arola D.: The influence of Abrasive Waterjet Cutting Conditions on the Surface Quality of Graphite/Epoxy Laminates, International Journal of Machinę Tools and Manufacture, Nr 3, 1994[23].
• [48] Reedy E. D., Mello F. J. and Guess T. R.: "Modeling the Initiation and Growth of Delaminations in Composite Structures," Journal of Composite Materials, Vol. 31 (8), 1997, pp. 812-831.
• [49] Sobczak J.: Kompozyty metalowe, Wydawnictwo Instytutu Odlewnictwa i Instytutu Transportu Samochodowego, Kraków-Warszawa 2001.
• [50] User's Manuał, MSC.Dytran, version 4.7.
• [51] Wala T.: Badania modelowe i eksperymentalne metody obróbki strumieniem wodnościernym tworzyw sztucznych, Praca Magisterska 2001, Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn, Politechnika Śląska, Gliwice, Nr 2, 2001.
• [52] Wala T.: Model obróbki trzywarstwowego laminatu z materiału ortotropowego wysokociśnieniową strugą wodną metodą elementów skończonych z wykorzystaniem programu MSC Dytran, Wybrane zagadnienia obróbek skoncentrowaną wiązką energii, VII Konferencja Naukowo-Techniczna EM'03 (Electromachining).
• [53] Wala T.: „Modelowanie kompozytów wielowarstwowych ze względu na kryteria wytężeń i delaminacji podczas obróbki wodnościernej metodą elementów skończonych" Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn Nr 1/2004.
• [54] Wala T., Kosmol J.: Badania modelowe obróbki wodnościernej tworzyw sztucznych metodą elementów skończonych, XLI Sympozjon „Modelowanie w Mechanice" Wisła 2002.
• [55] Wang J.: Abrasive Waterjet Machining of Polymer Matrix Composites - Cutting Performance, Erosive process and Predictive Models, International Journal of Advanced Manufacturing Technology 15:757-768, 1999.
• [56] Wang J„ Guo D.M.: A predictive depth of penetration model for abrasive waterjet cutting of polymeric matrix composites, Journal of Materials Processing Technology 121 (2002) s. 390-394.
• [57] Zacharów K.W.: Kriterii procznostii dla słoistych płastmas. Płasticeskoje masy, 8, 1961.