L'alliage tungstène-molybdène est un matériau difficile à usiner, avec un coût de traitement élevé, une faible efficacité de traitement et une usure importante des outils. À l'aide du logiciel d'analyse par éléments finis ABAQUS, un modèle de fraisage tridimensionnel de l'alliage tungstène-molybdène a été établi et le processus de fraisage de l'alliage tungstène-molybdène a été étudié pour différents paramètres de coupe. La loi de variation de la force de coupe et de la température de coupe est vérifiée par le test de fraisage pour vérifier l'efficacité du modèle de simulation. La combinaison optimale des paramètres de coupe a été obtenue grâce à des expériences orthogonales, c'est-à-dire vitesse de coupe vc=60 m/s, engagement arrière ap=3 mm, avance par dent fz=0,16 mm/z. .
préambule
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Le tungstène et le molybdène sont riches en réserves et largement distribués dans mon pays. Le tungstène et le molybdène appartiennent aux éléments du groupe VIIB du tableau périodique des éléments et sont des métaux typiques à point de fusion élevé. Étant donné que l’alliage tungstène-molybdène a un point de fusion plus élevé et une densité inférieure à celle du tungstène pur, il combine les avantages du tungstène et du molybdène. Résistance à la corrosion et à l'ablation [1], ce qui en fait un matériau important dans le domaine aérospatial, peut être utilisé dans les tuyères des moteurs de fusée et les composants clés des turbines à gaz, et a des perspectives d'application plus larges dans le futur domaine industriel.
Afin d'étudier le principe de coupe de l'alliage tungstène-molybdène, les chercheurs ont effectué de nombreux travaux de recherche. Lorsque Luo Zhengchuan [2] utilisait des outils en carbure cémenté pour couper des alliages à base de tungstène, l'usure de l'outil était extrêmement rapide et la principale forme d'usure qui provoquait la défaillance des outils en carbure cémenté était la zone d'usure triangulaire apparaissant à l'intersection de la zone d'usure principale. flanc et le flanc auxiliaire. La principale cause de l'usure des outils est l'usure mécanique provoquée par les points durs, et la diffusion du cobalt comme liant dans le carbure cémenté accélère l'usure des outils. Lors de la coupe d'alliages à base de tungstène, Ye Yi [3] a constaté que les outils en carbure cémenté à base de WC à grains fins ou ultra-fins avec des revêtements résistants à l'usure sur la surface ont une durée de vie plus courte. Il n’est pas rentable d’usiner ses alliages. Les outils en céramique composite ne conviennent pas à la coupe de matériaux en alliage à haute teneur en tungstène, et la durée de vie des outils diamantés PCD n'est pas significativement améliorée par rapport au carbure cémenté à base de WC. Le tungstène et ses alliages sont mieux traités avec des outils de coupe PCBN et des nuances avec plus de teneur en CBN (telles que DBC80), afin d'obtenir de meilleurs avantages économiques.
Le logiciel d'analyse par éléments finis ABAQUS est un logiciel couramment utilisé pour la simulation de découpe de métaux. Il dispose de puissantes fonctions d'analyse non linéaire et peut réaliser un couplage thermomécanique. L'alliage tungstène-molybdène est un matériau difficile à usiner, qui présente un coût de traitement élevé, une faible efficacité de traitement et une usure importante des outils. Par conséquent, cet article utilise le logiciel d’analyse par éléments finis ABAQUS pour établir un modèle de fraisage tridimensionnel de l’alliage tungstène-molybdène. La force de coupe et la température de coupe générées au cours du processus sont modifiées, et finalement la combinaison optimale des paramètres de fraisage est obtenue grâce au test orthogonal, qui fournit une référence pour le processus de fraisage réel.
Modélisation par éléments finis en alliage de tungstène-molybdène
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2.1 Modèle de géométrie d'outil
La simulation utilise une fraise à lame standard en carbure cémenté 4-, et les spécifications sont présentées dans le tableau 1. Le modèle de fraise est généré à l'aide du logiciel de modélisation 3D SolidWorks, comme le montre la figure 1. Depuis le but de cette étude est d'analyser la variation de la force de coupe et de la température de coupe sous différents paramètres de fraisage, et étant donné que l'arête de coupe principale de l'outil est beaucoup plus petite que la pièce à usiner, l'outil est supposé être un corps rigide dans l'analyse par éléments finis ABAQUS, indépendamment de déformation et d'usure de l'outil, les paramètres physiques de l'outil sont présentés dans le tableau 2.
Tableau 1 Spécifications de l'outil (unité : mm) photo
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Figure 1 Modèle de fraise
Tableau 2 Paramètres physiques de l'outil
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2.2 Modèle constitutif du matériau en alliage tungstène-molybdène
Le matériau de la pièce de simulation dans cet article est un alliage tungstène-molybdène, et les principaux paramètres de performances physiques et mécaniques sont présentés dans le tableau 3[4].
Tableau 3 Paramètres physiques des matériaux en alliage tungstène-molybdène
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Dans le processus de découpe des métaux, dans la plupart des cas, les matériaux subissent une déformation élasto-plastique sous des températures élevées, des contraintes élevées et une vitesse de déformation élevée. L'établissement d'un modèle de matériau raisonnable est donc également une étape clé pour une simulation réussie. Le modèle de matériau présenté dans cet article adopte le modèle constitutif de Johnson-Cook, qui peut refléter l'effet d'écrouissage, l'effet d'écrouissage et l'effet de ramollissement thermique du matériau, et sa forme est
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Dans la formule, σ est la contrainte d'écoulement (MPa) ; ε est la déformation plastique ; ε0 est le taux de déformation de référence ; T est la température (degré) ; Tr est la température ambiante (degré) ; Tm est le point de fusion du matériau (degré) ; A, B, C, m et n sont des paramètres matériels et les valeurs sont indiquées dans le tableau 4[5].
Tableau 4 Paramètres du modèle constitutif Johnson-Cook des matériaux en alliage tungstène-molybdène
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2.3 Conditions de contact et aux limites
Créez un attribut de contact et, comme l'outil est considéré comme un corps rigide lors de la simulation, vous devez créer une autre contrainte de corps rigide. Créez une condition aux limites lors de l'étape d'analyse initiale pour contraindre tous les degrés de liberté sur le côté de la pièce. L'outil doit contraindre 4 degrés de liberté et définir la rotation et le mouvement autour de l'axe Z, où la vitesse de rotation est la vitesse de la broche et la vitesse de mouvement est la vitesse d'avance. Créez un champ de température prédéfini et définissez la température de la pièce à 298K.
2.4 Division du maillage
La qualité de la division du maillage a une grande influence sur les résultats de la simulation par éléments finis. Par conséquent, lors du maillage du modèle, le type d'unité de maillage approprié doit être sélectionné en premier, et la précision et le coût doivent être pris en compte de manière globale pour contrôler raisonnablement la densité du maillage. Plus la grille est dense, plus les résultats de simulation sont précis, mais cela augmentera le coût de calcul. La taille minimale de la grille d'outils et de la grille de pièce est de 0,02 mm, et l'outil et la pièce sont divisés respectivement en grilles uniformes. La structure de l'outil est complexe, utilisant une grille structurelle tétraédrique non indépendante, le type est C3D10MT et la grille d'outils est de 74 400 unités. La pièce adopte une grille structurée hexaédrique, la grille de la pièce est de 26 250 unités et le type de grille de la pièce est C3D8RT. L'outil et la pièce après maillage sont représentés respectivement sur les figures 2 et 3.
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Figure 2 Grille d'outils
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Figure 3 Grille de la pièce
2.5 Solution modèle
ABAQUS/Explicit est utilisé pour le calcul du modèle, et le type d'étape d'analyse est une étape d'analyse de couplage thermique-mécanique explicite et dynamique. Une fois le calcul terminé, les résultats peuvent être visualisés et analysés via le module de post-traitement ABAQUS. Les résultats de la simulation de fraisage sont présentés sur la figure 4.
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Figure 4 Résultats de simulation de fraisage
Test orthogonal simulé
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3.1 Plan expérimental
Cette expérience étudie principalement l'influence de la vitesse de coupe vc, de l'engagement arrière ap et de l'avance par dent fz sur la force de coupe et la température de coupe lors du processus de fraisage de l'alliage tungstène-molybdène. Un tableau orthogonal à trois facteurs et quatre niveaux est donc établi (voir Tableau 5), c'est-à-dire prendre vc, ap et fz comme variables indépendantes. Soit la largeur de coupe ae=1 mm, la force de coupe minimale F et la température de coupe minimale T comme réponse [6]. Selon le principe de sélection de la table de test orthogonale, la table orthogonale L16 est adoptée, et la disposition des tests et les résultats sont présentés dans le tableau 6.
Tableau 5 Facteurs et niveaux orthogonaux
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Tableau 6 Résultats des tests orthogonaux
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3.2 Analyse des résultats de simulation par éléments finis
La méthode de plage R est utilisée pour analyser les résultats du test orthogonal, et la plage fait référence à la différence entre la valeur maximale et la valeur minimale correspondant à chaque indice de niveau. La méthode d'analyse de distance, appelée méthode R, est la méthode la plus couramment utilisée pour analyser les résultats d'expériences orthogonales. Cette méthode comprend deux modules de calcul et de jugement, et permet de découvrir le niveau primaire et secondaire, optimal et la combinaison optimale de facteurs dans le test [7]. Le principe de la méthode R est de comparer la plage de valeurs de chaque colonne en calculant la plage. Plus la plage est grande, plus l'influence du facteur sur le résultat est grande, qui est le facteur principal, puis analysez le résultat grâce à la méthode d'analyse intuitive. En prenant la force de coupe minimale F comme indice, voir le tableau 7 pour l'analyse des résultats des tests. Dans le tableau, K1, K2, K3 et K4 sont la somme des résultats des tests à chaque niveau de chaque facteur d'influence, et k1, k2, k3 et k4 sont les valeurs moyennes correspondantes. valeur.
Tableau 7 Analyse des résultats du test de l'indice F (unité : N) Image
From Table 7, it can be concluded that the amount of back cutting and feed per tooth have a great influence on the cutting force, and the primary and secondary influences are B>C>A, donc le schéma optimal d'indice F est B1C2A2, c'est-à-dire que la vitesse de coupe vc est de 60m/ s, la quantité d'avance par dent fz est de 0,16 mm/z et la quantité de contre-coupe ap est de 2 mm. En prenant la température minimale de coupe T comme indice, l'analyse des résultats des tests est présentée dans le tableau 8.
Tableau 8 Analyse des résultats du test d'indice T (unité : K)
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From Table 8, it can be concluded that the cutting speed and the amount of back cutting have a great influence on the cutting temperature, and the primary and secondary effects are A>C>B, donc la solution préférée est A1B12C4, c'est-à-dire que la vitesse de coupe vc est de 50 m/s et la vitesse d'avance par dent. La quantité fz est de 0,16 mm/z et la quantité ap est de 4 mm.
Test de fraisage en alliage de tungstène-molybdène et vérification du modèle
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4.1 Plan expérimental
Afin de vérifier la validité du modèle d'éléments finis du test de fraisage de l'alliage tungstène-molybdène, le centre d'usinage CNC JOHNFORD-VMC-850 a été utilisé pour le fraisage, et la fraise en bout standard en carbure de tungstène 4-a été sélectionné comme outil (voir Figure 5).
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Figure 5 fraise
La taille de la feuille de pièce est de 150 mm × 130 mm × 45 mm. Afin de fixer la pièce sur le dynamomètre, le trou de montage est traité sur la pièce avant le fraisage, et le trou est percé avec un foret en acier au tungstène de φ8,6 mm, puis à travers le boulon à tête cylindrique à six pans creux M8 pour la fixation. Dans l'expérience, le dynamomètre à trois voies KISTLER9257b a été utilisé pour mesurer la force de coupe, le dynamomètre a été fixé sur la table de la machine-outil par une plaque de pression et la température de coupe a été mesurée par un thermomètre infrarouge. La fixation du dynamomètre et de la pièce est illustrée à la figure 6, et le processus de mesure de la force et de la température est illustré à la figure 7.
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a) Usinage des trous de montage
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b) Le dynamomètre est fixe
Figure 6 Fixation du dynamomètre et de la pièce à usiner
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a) Mesure de la force de coupe
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b) Mesure de la température de coupe
Figure 7 Processus de mesure de force et de mesure de température
4.2 Validation du modèle
Trois groupes de paramètres de coupe ont été sélectionnés pour les tests. Les valeurs simulées, les valeurs mesurées et les erreurs de force de coupe et de température de coupe sont présentées dans le tableau 9 et le tableau 10. Il ressort du tableau 9 et du tableau 10 que l'erreur maximale des résultats de simulation est de 15,6 %, soit dans les 20 % , de sorte que les résultats des tests répondent aux exigences des applications d'ingénierie.
Tableau 9 Valeur de simulation, valeur mesurée et erreur de force de coupe
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Tableau 10 Valeur de simulation, valeur mesurée et erreur de température de coupe
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conclusion
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Dans cet article, le logiciel d'analyse par éléments finis ABAQUS est utilisé pour établir un modèle de fraisage tridimensionnel de l'alliage tungstène-molybdène. Selon différents paramètres de coupe, la loi de variation de la force de coupe et de la température de coupe générée lors du processus de broyage de l'alliage tungstène-molybdène est étudiée, et les paramètres de fraisage optimaux sont obtenus grâce à des expériences orthogonales. Combinaison, fournit une référence pour le fraisage réel. Les conclusions obtenues sont les suivantes.
1) The back engagement ap and the feed per tooth fz have a great influence on the cutting force F, and the primary and secondary influences are B>C>A. Par conséquent, la solution optimale de la force de coupe F est B1C2A2, c'est-à-dire vc=60m/s, fz= 0,16 mm/z, ap=2mm.
2) The cutting speed vc and the back cutting amount ap have a great influence on the cutting temperature T, and the primary and secondary influences are A>C>B. Par conséquent, la solution optimale de la température de coupe T est A1B1C4, c'est-à-dire vc=50m/s, fz=0.16mm/ z,ap=4mm.
3) Considérez de manière globale l'efficacité de coupe et les avantages du traitement réel, et obtenez la combinaison optimale de paramètres de processus, c'est-à-dire vc=60m/s, fz=0,16 mm/z, ap{{4. }}mm.
