Modelowanie sił skrawania aluminium metodą elementów skończonych

Prezentowany artykuł przedstawia wstępne badania, których celem jest zastosowania metody elementów skończonych w symulacji 2D procesu skrawania aluminium. W symulacji jako material obrabiany przyjęto stop aluminium PA38. Materiałem narzędzia jest stal szybkotnąca. W modelowaniu podjęto próbę uwzględnienia wszystkich najważniejszych dla procesu parametrów. W odniesieniu do warunków brzegowych, jest to podparcie przedmiotu obrabianego, natomiast dla narzędzia jest to prędkość skrawania vc. Modelem materiałowym dla stopu aluminium jest formuła J-C. Pozwala ona na uchwycenie zmian naprężenia płynięcia w funkcji odkształcenia, temperatury i prędkości odkształcenia. Obok równania na naprężenie płynięcia dla materiału obrabianego wprowadzono kryteria utraty spójności materiału. Zarówno dla materiału obrabianego jak i materiału ostrza wprowadzono właściwości cieplne: ciepło właściwe i przewodność cieplną. Główny nacisk został położony na wyznaczenie w symulacji składowych sił skrawania. Wyniki uzyskane w oparciu o symulacje zostały poddane weryfikacji eksperymentalnej.

---

The presented paper shows preliminary researches focused on FEM modeling of cutting the aluminum alloy. The modeling is applied to two-dimensional case. In simulation 6060-AlMgSi aluminum alloy (PA38 according to PN) was modeled as a workpiece material and HSS steel in case of tool material. In modeling the tool is considered as a rigid body with heat transfer. In reference to boundary conditions, fixing of workpiece and cutting velocity vc for tool were applied. A contact modeling between tool and workpiece was accomplished by an eroding contact, because all machining allowance can potentially be in contact with tool surfaces. A basic issue in friction modeling is determining friction conditions and it is usually realized by friction coefficient. In presented paper the friction coefficient is described as a function of normal stress and relative velocities between surfaces being in contact. In simulation the Abaqus software was used. This software offers realization of thermo-mechanical analyses. Thus, this choice gives possibilities to compute conversion of mechanical energy to heat. It is important in context of cutting because generated heat due to plastic deformation influences material properties. Also, heat generated from friction force is taken into account. For workpiece Johnson-Cook material model was introduced. This model gives the opportunity of catching an influence of temperature and strain rate on material flow stress. Both, for workpiece and tool material basic thermal properties: specific heat and thermal conductivity were introduced. As results of conducted simulation mechanical and thermal quantities were obtained. A main goal in presented simulation was computing the cutting force components and its values were verified in a laboratory test. The result of this test can be considered promising in the light of FEM cutting modeling.