Model predykcyjny siły i momentu skrawania w procesie wiercenia

• Autorzy: Mieszczak W.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy na wstępie przedstawiono przegląd literatury. Obejmuje on w pierwszej części ogólne informacje dotyczące procesu wiercenia, budowy wiertła, geometrii wierteł w układzie roboczym, parametrów procesu wiercenia oraz oporów skrawania przy wierceniu otworów. W drugiej części przeglądu literatury przedstawiono znane modele predykcyjne oraz dokonano ich oceny pod względem przydatności jako narzędzi do predykcji sił i momentów skrawania. Kolejna część pracy obejmuje koncepcję modelu predykcyjnego będącego podstawowym zagadnieniem pracy, a także etapy jego realizacji. Koncepcja zaproponowanego modelu predykcyjnego zakłada, iż prognozowanie sił skrawania może być oparta na założeniu, że proces skrawania całego ostrza wiertła może być zastąpiony praca wielu elementarnych ostrzy. Dla elementarnego ostrza opracowano model siły skrawania rozpatrywanego w płaszczyźnie normalnej. Po uwzględnieniu parametrów geometrycznych elementarnego ostrza i kinetyki procesu skrawania model pozwala na wyznaczenie sił i momentów skrawania w układzie narzędzia. Przekształcenie sił z płaszczyzny normalnej do układu narzędzia dokonano w oparciu o przekształcenie Eulera. Przedstawiono wszystkie możliwe konfiguracje kątów natarcia, przystawienia i pochylenia krawędzi skrawającej mogące wystąpić w geometrii ostrza wiertła. Siły skrawania w przekroju normalnym wyznaczono na drodze symulacji metodą MES. Model MES procesu skrawania obejmuje zjawiska mechaniczne i rozpływ ciepła. Przyjęto model materiałowy materiału obrabianego wg równania Johnsona-Cooka. Zmiennymi parametrami w modelowaniu MES są kąt natarcia, posuw i prędkość skrawania. Uzyskane w drodze symulacji MES siły skrawania pozwoliły na wyznaczenie rozkładu siły posuwowej i momentu skrawania wzdłuż krawędzi i ścina dla dwóch modelowanych wierteł. Narzędzia różniły się geometrią i średnicą. Również dla tych dwóch wierteł w oparciu o zaproponowany model predykcyjny wyznaczono całkowitą siłę posuwową i moment skrawania sumując siły działające na elementarne ostrza. W kolejnym etapie przeprowadzono badania weryfikacyjne. Pierwszy etap badań obejmował weryfikację wartości sił uzyskanych na drodze modelowania MES. W tym celu opracowano ortogonalny plan badań oraz przygotowano specjalne narzędzia i próbki testowe. Drugi etap badań weryfikacyjnych obejmował sprawdzenie poprawności zaproponowanego modelu predykcyjnego przez przeprowadzenie testów skrawania w pełnym materiale przy użyciu takich narzędzi, jakie zastosowano w badaniach modelowych. W końcowej części pracy wskazano na kierunki dalszych badań.

EN

At the beginning of the investigation a literature review is presented. In the first part information about drilling process, drill design, drill geometry and drill geometry in tool-in-use system, drilling parameters and cutting forces discussed. The second part of the literature review is devoted to predictive models for thrust and torque prediction in drilling. An analysis of these models from the point of view of usability in drilling thrust and torque is presented as well. The next part of the investigation presents an idea of predictive model for thrust and torque prediction for drilling being a basis of presented investigation and shows steps of its realization. Proposed idea predictive model assumes that the prediction of cutting forces may by treated as a cutting process of the whole drill lip substituted by cutting with many elementary cutting edges. For each elementary cutting edge a model of cutting forces is developed. In this model cutting forces are considered in normal plane and chip flow plane. After taking into account elementary edge geometrical; parameters and process kinematical parameters the model makes possibly to determine cutting forces coordinate system. A transformation from normal plane and chip flow plane where cutting forces act to tool-in-hand system is achieved using Euler's angles. All possible configurations of geometrical features parameters are considered. Each configuration includes different values of the rake angle, tool cutting edge angle and inclination angle. The cutting forces in normal plane were determined with the aid of finite element method (FEM). The FEM model includes mechanical phenomena and heat flow. A flow stress in used material model is based on Johnson - Cook's equation. Varied parameters in FEM simulation were: rake angle, feed and cutting speed. On the basis of FEM simulation and Euler's angles a distribution of cutting forces along the drill edges was determined for two modeled drills. For these two drills the cutting forces were determined for whole drills lip on the basis of proposed model as well. In the next part of the investigation verification tests were conducted. The first stage of verification tests includes checking of values of cutting forces obtained from FEM modeling. For these tests an orthogonal program of tests was worked out and special specimens and tools were prepared. The second stage of the tests were conducted to verify values of thrust and torque for whole drills lip with the same geometrical features which were used during modeling. At the end of the investigation some direction of further investigation were pointed out.

Słowa kluczowe

PL

skrawanie; wiertła; proces wiercenia; moment skrawania; model predykcyjny

EN

tmesis; drilling process; drill design; machine cutting

• Wydawca: Katedra Budowy Maszyn. Politechnika Śląska
• Czasopismo: Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn / Politechnika Śląska
• Rocznik: 2005
• Tom: nr 1
• Strony: 5--145
• Opis fizyczny: bibliogr. 48 poz.

Twórcy

autor

Mieszczak W.

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

Bibliografia

• 1. M.Wysiecki: Nowoczesne materiały narzędziowe. WNT, Warszawa 1997.
• 2. J. Darlewski: Narzędzia do obróbki wiórowej na 12. EMO '97, Mechanik 12 1997.
• 3. K. Oczoś: Obróbka otworów - osiągnięcia w zakresie wiercenia i drążenia. Część 1: Technika wiercenia mechanicznego. Mechanik 5-6,1997.
• 4. S. Kunstetter: Narzędzia skrawające do metali. Konstrukcja. Warszawa WNT 1969.
• 5. PN -ISO 3002- 1+A1: Podstawowe pojęcia w obróbce wiórowej i ściernej. Geometria części roboczej narzędzi skrawających. Terminologia ogólna, układy odniesienia, kąty narzędzia i kąty robocze oraz łamacze wióra.
• 6. J. Dmochowski: Podstawy obróbki skrawaniem. W-wa, WNT 1978.
• 7. Władysław Kopaliński: „Słownik wyrazów obcych i zwrotów obcojęzycznych". Wiedza Powszechna, Warszawa 1983.
• 8. Armarego EJ.A., Zhao H.: Predictive Force Models for - Thinned and Circular Center Edge Twist Drill Designs. Annals of the CIRP Vol. 45/1/1996.
• 9. J. Kaczmarek, Podstawy obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej, WNT W-wa, 1971.
• 10. S. Wiriyacosol, E.J.A. Armarego: Thrust and Torąue Prediction in Drilling from a Cutting Mechanics Approach. Annals of the CIRP Vol. 28/1/1979.
• 11. E.J.A. Armarego, J. D. Wright: Predictwe Models for Drilling Thrust and Torque -a comparison of three Flank Configuration. Annals of the CIRP Vol. 33/1/1984.
• 12. M. Elhachimi, S. Torbaty, P. Jeyot: Mechanical modeling of high speed drilling. 1: predicting torque and thrust. International Journal of Machinę Tools & Manufacture, 1998.
• 13. M. Elhachimi, S. Torbaty, P. Jeyot: Mechanical modeling of high speed drilling. 2: predicting and experimental results. International Journal of Machinę Tools & Manufacture, 1998.
• 14. W. Biernawski: Teoria obróbki metali skrawaniem. W-wa, WNT 1965.
• 15. P. C. Veenstra: Contribution to the Mechanics of Machinning, Annals of the CIRP, vol. 14, 1976.
• 16. P. Mathew and P. L. B. Oxley: Predicting the Cutting at which Built- Up Edge Disappears when Machining Plain Carbon Steels. Annals of the CIRP, vol. 29/1/1980.
• 17. M. F. Polietika: Kontaknyje nagruzki na rieżuszcich powierchnostiach instrumienta, „Maszinostrajenie", Moskwa 1969.
• 18. W. Grzesik. Podstawy skrawania materiałów metalowych. Warszawa WNT 1998.
• 19. J. T. Black: Flow Stress Model in Metal Cutting. Journal of Engineering for Industry, vol. 101, 1979.
• 20. L. De Chiffre: What Can We Do About Chip Formation Mechanics. Annals of the CIRP, vol. 34, 1985.
• 21. J. H. Dautzenberg, P. C. Veenstra, A. H. C. van der Wolf: The Minimum Principle for the Cutting Process in Theory and Experiment. Annals of the CIRP, vol. 33, 1984.
• 22. E. M. Kopalinsky, P. L. B. Oxley: An Investigation of the Influence of Feed and Rake Angle on the Ratio of Feed Force to Cutting Force when Machinning with Negative Rake Angle Tools. Annals of the CIRP, vol. 33, 1985.
• 23. N. N. Zoriew: Woprosy mechaniki prociesa riezanija mietałow, Moskwa, Maszgiz 1965.
• 24. K E. Oczoś: Obróbka z dużymi prędkościami (High Speed Machining), Mechanik, 3, 1998.
• 30. S. Wiśniewski, T.S. Wiśniewski: Wymiana ciepła. WNT Warszawa 2000.
• 31. Chandrakanth Shet, Xiaoming Deng: Finite element analysis of the orthogonal metal cutting process. Journal of Materiał Processing Technology 105, 2000.
• 32. MSC.Software Corporation: Volume A Theory and User Information Version 2000.
• 33. Z. Polański, Planowanie doświadczeń w technice. Warszawa WNT 1984.
• 34. K. Mańczak, Technika planowania eksperymentu. Warszawa WNT 1967.
• 35. Katalog firmy Guhring 1996.
• 36. Praca zbiorowa: Poradnik inżyniera. Obróbka Skrawaniem. Tom 2. WNT Warszawa 1996.
• 37. G. Warnecke, J. D. Oh: A new Thermo-Viscoplastic Materiał Model for Finite-Element-Analysis of the Chip Formation Process. Annals of the CIRP vol. 51/1/2002.
• 38. W. Zębala: "Investigations of temperaturę distribution in the cutting zone". Postępy Technologii Maszyn i Urządzeń. Vol. 23, nr 4,1999.
• 39. Praca zbiorowa pod red. L.A. Dobrzańskiego: Leksykon materiałoznawstwa. Wydawnictwo Verlag Dashhofer. Warszawa 2000.
• 40. MSC.Software Corporation: Volume B Element Library Version 2000.
• 41. E. Ceretti, P. Falbohmer, W. T. Wu, T. Altan: Application of 2D FEM to chip formation in orthogonal cutting. Journal of Materiał Processing Technology 59, 1996.
• 42. A. G. Mamalis, M. Horvath, A. S. Branis, D. E. Manolakos: Finite element simulation of chip formation in orthogonal metel cutting. Journal of Materiał Processing Technology 110, 2001.
• 43. S. P. F. C. Jaspers, J. H. Dautzenberg: Materiał behaviour similar to metal cutting: flow stress in the primary shear zone. Journal of Materiał Processing Technology 122, 2002.
• 44. H. Zhao: A consitutive model for metals over a large rangę of strain rates. Identification for mild-steel and aluminium sheets. Materials Science and Engineering A230, 1997.
• 45. C. E. Beczę, M. A. Elbastawi: A chip formation based analytic force model for oblique cutting. International Journal of Machinę Tools & Manufacture 42, 2002.
• 46. N. Tounsi, J. Vincenti, A. Otho, M. A. Elbastawi:- From the basie mechanism of orthogonal metal cutting towards the identification of the constitutive equation. International Journal of Machinę Tools & Manufacture 42, 2002.
• 47. Ben McClain, Stephen A. Batzer, G. Ivan Maldonado: A numeric investigation of the rake face stress distribution in orthogonal machining. Journal of Materiał Processing Technology 123, 2002.
• 48. A. N. Rieznikow: Tiepłofizika riezanija. Moskva, Maszinostroenie 1969.