Implementation of CAD-based and 3D non-linear finite element methodologies on modelling of machining processes
Authors: Τζώτζης Αναστάσιος 
Published: December 2021

Η αφαίρεση υλικού είναι μια από τις πιο σημαντικές διαδικασίες διαμόρφωσης στη βιομηχανία. Επιπλέον, μια μεγάλη ποικιλία προϊόντων που εκτείνονται από ένα απλό εργαλείο χειρός έως ένα εξάρτημα αεροσκάφους μπορεί να παραχθεί μέσω μηχανικής κατεργασίας. Αυτά τα σημαντικά γεγονότα μαζί με τη συνεχή ανάγκη για εξέλιξη στη μηχανική αποτέλεσαν το θεμέλιο για την παρούσα διατριβή. Ο πρωταρχικός στόχος κατά τη διάρκεια της έρευνας και της ανάπτυξης στον τομέα μηχανικής κατεργασίας που βασίζεται σε FEM, εστιάζεται σε: αύξηση της ακρίβειας των αναπτυγμένων μοντέλων FE, μείωση του χρόνου προετοιμασίας και ελαχιστοποίηση της απαιτούμενης πειραματικής εργασίας. Για να επιτευχθούν τα υψηλά πρότυπα και να εξασφαλιστεί η αξιοπιστία των διαδικασιών κοπής, πρέπει να καθοριστούν νέες μέθοδοι θεωρητικής ανάλυσης. Επιπλέον, απαιτούνται νέα μοντέλα προσομοίωσης για την κάλυψη της συνεχούς ανάπτυξης των κοπτικών εργαλείων. Υπό το φως αυτών των εκτιμήσεων, πραγματοποιήθηκε μια εκτενής βιβλιογραφική έρευνα ως ένα πρώτο βήμα προς τη βαθύτερη κατανόηση προηγούμενων εργασιών στο πεδίο. Στη συνέχεια, η επεξεργασία των ευρημάτων αποκάλυψε ορισμένα θέματα που απαιτούσαν περαιτέρω διερεύνηση ή βελτίωση. Τέτοια θέματα είναι: Η βελτίωση της ακρίβειας κατά τη μοντελοποίηση FE. Η διερεύνηση της επίδρασης των κρίσιμων συνθηκών μηχανικής κατεργασίας σε διάφορες παραμέτρους όπως οι αναπτυγμένες δυνάμεις κοπής, η μορφολογία του αποβλίττου, καθώς και η τάση και η κατανομή θερμοκρασίας. Η δημιουργία αποτελεσματικών και φιλικών προς τον χρήστη μοντέλων πρόβλεψης. Μετά την ολοκλήρωση της βιβλιογραφικής έρευνας, η έρευνα χωρίστηκε σε τέσσερα στάδια. Το πρώτο στάδιο σχετίζεται με την ενίσχυση της ακρίβειας στη μοντελοποίηση FE. Το δεύτερο ασχολείται με τη μοντελοποίηση FE των εργασιών διάτρησης και τόρνευσης σε τρεις διαστάσεις, με τη βοήθεια τεχνικών που βασίζονται σε CAD. Το τρίτο στάδιο σχετίζεται με την έρευνα σε βιομηχανικά υλικά υπό κρίσιμες συνθήκες κοπής. Τέλος, το τελευταίο παρουσιάζει την ανάπτυξη μοντέλων πρόβλεψης με τη βοήθεια στατιστικών μεθοδολογιών.1) Οι περισσότεροι ερευνητές χρησιμοποιούν στις μελέτες τους είτε μοντέλα κοπτικών εργαλείων που παρέχονται από τους κατασκευαστές είτε τα σχεδιάζουν μόνοι τους. Ωστόσο, στην πρώτη περίπτωση είναι πιθανό τα αποτελέσματα της προσομοίωσης να είναι χαμηλής ακρίβειας, λόγω του γεγονότος ότι τα μοντέλα που λαμβάνονται από τον ιστότοπο ενός κατασκευαστή είναι συνήθως απλοποιημένα και συχνά τους λείπουν κρίσιμα γεωμετρικά χαρακτηριστικά. Στο τελευταίο, ο ερευνητής μπορεί να αναγκαστεί να αφιερώσει ώρες για επαναλαμβανόμενες εργασίες. Για να αποφευχθούν σφάλματα και να εστιάσει ο Μηχανικός ή ο ερευνητής σε πιο δημιουργικές εργασίες, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε μια εφαρμογή για την αυτοματοποιημένη σχεδίαση κοπτικών εργαλείων με τη βοήθεια της διεπαφής προγραμματισμού εφαρμογής (API) του συστήματος SolidWorks™. Σε αυτό το στάδιο, χρησιμοποιήθηκαν οι πόροι προγραμματισμού του SolidWorks™, σε συνδυασμό με την παραμετρική στρατηγική σχεδίασης.2) Με την ολοκλήρωση της εφαρμογής, προετοιμάστηκε ένας αριθμός μοντέλων 3D FE και δημιουργήθηκαν τα ισοδύναμα εργαλεία κοπής με σκοπό τη δοκιμή. Οι δοκιμές προσομοίωσης ολοκληρώθηκαν με επιτυχία και τα ληφθέντα αποτελέσματα αποκάλυψαν αυξημένη συσχέτιση με τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Αργότερα, παρόμοια μοντέλα FE για διάτρηση και τόρνευση ορίστηκαν, σύμφωνα με ευρήματα και συστάσεις από ήδη δημοσιευμένες εργασίες, με τη χρήση σύγχρονου λογισμικού FEA, συγκεκριμένα του DEFORM™-3D. Οι ιδιότητες του υλικού, η εξέλιξη της δημιουργίας του αποβλίττου, η προσέγγιση της τριβής, καθώς και η θερμική ροή, ορίστηκαν σε σχέση με την πειραματική εργασία που διεξήχθη κατά τη διάρκεια αυτής της έρευνας, επιπλέον των ευρημάτων που δημοσιεύθηκαν από ειδικούς στον τομέα. Επιπλέον, έγινε μια προσπάθεια να απλοποιηθούν τα προβλήματα μηχανικής κατεργασίας, με την εφαρμογή καθιερωμένων στρατηγικών όπως η διαμόρφωση, με τη βοήθεια CAD, της διεπαφής εργαλείου-τεμαχίου εργασίας και η βελτιστοποίηση του πλέγματος.3) Το τρίτο στάδιο της διατριβής συνδέεται άμεσα με το προηγούμενο. Τα ληφθέντα αποτελέσματα προσομοίωσης υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με τη βοήθεια υπολογιστικών περιβαλλόντων όπως το Excel™ και το MATLAB®, έτσι ώστε τα αποτελέσματα να μπορούν να μετατραπούν σε χρησιμοποιήσιμα σύνολα δεδομένων. Αργότερα, τα επεξεργασμένα δεδομένα οπτικοποιήθηκαν και συγκρίθηκαν απευθείας με ισοδύναμα ευρήματα που είναι διαθέσιμα στη βιβλιογραφία. Αυτή η σύγκριση έδειξε ότι τα αναπτυγμένα μοντέλα FE ήταν σε συμφωνία με αυτά που βρέθηκαν σε ήδη δημοσιευμένες μελέτες. Επιπλέον, διεξήχθη ένας αριθμός πειραματικών δοκιμών για την περαιτέρω επικύρωση της ακρίβειας των αναπτυγμένων μοντέλων FE. Για την ακριβή εκτέλεση της πειραματικής εργασίας, χρησιμοποιήθηκε ένα κέντρο κατεργασίας CNC μαζί με τον εξοπλισμό μέτρησης (δηλαδή δυναμόμετρο). Παράλληλα, διεξήχθη έρευνα σχετικά με τις επιπτώσεις της ταχύτητας κοπής, της τροφοδοσίας, του βάθους κοπής και της γεωμετρίας του εργαλείου στις αναπτυσσόμενες δυνάμεις κοπής. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν οι δυνάμεις ώσης που δημιουργούνται κατά τη διάτρηση, καθώς και οι δυνάμεις κοπής (ακτινικές, εφαπτομενικές και δυνάμεις πρόωσης) που προκαλούνται κατά την τόρνευση. Επιπλέον, μελετήθηκαν τόσο η εξέλιξη του αποβλίττου όσο και η μορφολογία σε σχέση με την εφαρμοζόμενη λειτουργία, το υλικό, το εργαλείο και τις συνθήκες κοπής. Τέλος, τα επαληθευμένα προσομοιωμένα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων που μπορούν να προβλέψουν τις παραγόμενες δυνάμεις κοπής εντός συγκεκριμένων ορίων. Τα μοντέλα που αναπαριστώνται με πολυωνυμικές συναρτήσεις, μπορούν να παράγουν αποτελέσματα υψηλής ακρίβειας άμεσα και χωρίς την ανάγκη κάποιου εξειδικευμένου λογισμικού. Η μοντελοποίηση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση της ευρέως χρησιμοποιούμενης RSM, η οποία επιπλέον ενίσχυσε την οπτικοποίηση της έρευνας που ολοκληρώθηκε κατά το τρίτο στάδιο. Για περαιτέρω ενίσχυση της εγκυρότητας των στατιστικών μοντέλων, χρησιμοποιήθηκε η Ανάλυση Διακύμανσης (ANOVA). Τα αποτελέσματα από την ανάλυση αποκάλυψαν ότι τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν είναι ισχυρά και μπορούν να χρησιμοποιηθούν με ασφάλεια για σκοπούς πρόβλεψης. Η δημοσίευση με τίτλο «CAD-based automated design of FEA-ready cutting tools» παρουσιάζει μια εφαρμογή για την αυτοματοποιημένη παραγωγή μοντέλων κοπτικών εργαλείων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν με απευθείας εισαγωγή στα εμπορικά διαθέσιμα λογισμικά FEA. Η εφαρμογή αναπτύχθηκε αξιοποιώντας τους πόρους προγραμματισμού του API του SolidWorks™ και μπορεί να καλύψει μια μεγάλη ποικιλία εργαλείων κοπής που χρησιμοποιούνται στις διαδικασίες τόρνευσης. Η εφαρμογή μπορεί να επεκταθεί για να δημιουργήσει περισσότερα σύνολα εργαλείων με την επεξεργασία του κώδικα. Επιπλέον, η διαδικασία σχεδιασμού ακολουθεί τον προτεινόμενο αλγόριθμο που βασίζεται στην παραμετρική τεχνική σχεδίασης. Η δημοσιευμένη εργασία με τίτλο «FEM based mathematical modelling of thrust force during drilling of Al7075-T6παρουσιάζει ένα τρισδιάστατο μοντέλο FE για διάτρηση του Al7075-T6, κάτω από μια σειρά συνθηκών που προτείνονται από τους περισσότερους κατασκευαστές εργαλείων. Επιπλέον, το επιλεγμένο κράμα αλουμινίου επιδεικνύει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και χρησιμοποιείται συχνά στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Εκτός από την παρουσίαση του μοντέλου FE, η εργασία διερευνά τις επιδράσεις των εφαρμοζόμενων συνθηκών και της διαμέτρου του εργαλείου στις παραγόμενες δυνάμεις ώθησης, καθώς και τον παραγόμενο σχηματισμό αποβλίττου με τη βοήθεια του DEFORM™-3D και πολλών υπολογιστικών εργαλείων και μεθοδολογιών. Μάλιστα, τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν γραφικά με τη χρήση του RSM και επιπλέον, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο πρόβλεψης για τις δυνάμεις ώσης, το οποίο επαληθεύτηκε με ANOVA. Τέλος, η εργασία περιγράφει την πειραματική εργασία που διεξήχθη για την επικύρωση του αριθμητικού μοντέλου.Η δημοσίευση με τίτλο «3D FE modeling of machining force during AISI 4140 hard turning» προτείνει ένα τρισδιάστατο μοντέλο FE για την τόρνευση σκληρυμένου χάλυβα AISI-4140. Το επιλεγμένο υλικό είναι ένας χάλυβας που χρησιμοποιείται συνήθως στην κατασκευαστική βιομηχανία. Επιπλέον, οι επιλεγμένες συνθήκες κοπής πληρούν τα πρότυπα του κατασκευαστή. Ταυτόχρονα, αυτή η δημοσίευση παρουσιάζει ένα στατιστικό μοντέλο για σκοπούς πρόβλεψης των παραγόμενων δυνάμεων μηχανικής κατεργασίας χρησιμοποιώντας παρόμοιες μεθοδολογίες με την προαναφερθείσα δημοσίευση «FEM based mathematical modelling of thrust force during drilling of Al7075-T6». Επιπλέον, περιλαμβάνεται μελέτη για την απόδοση του κοπτικού εργαλείου, σύμφωνα με την επιλεγμένη ταχύτητα κοπής, πρόωση και βάθος κοπής. Περαιτέρω έρευνα σχετικά με τη συμπεριφορά του χάλυβα AISI-4140 κατά τη διάρκεια της στροφής διεξήχθη στην εργασία «Influence of the Nose Radius on the Machining Forces Induced during AISI-4140 Hard Turning: A CAD-Based and 3D FEM Approach» για την καλύτερη κατανόηση των συνιστωσών της επαγόμενης δύναμης στροφής, της μορφολογίας και του σχηματισμού του αποβλίττου. Κατά τη διάρκεια αυτής της έρευνας, δόθηκε έμφαση στη μικρογεωμετρία του εργαλείου. Για το λόγο αυτό, αξιοποιήθηκε η βασισμένη σε CAD εφαρμογή που παρουσιάζεται στην εργασία «CAD-based automated design of FEA-ready cutting tools». Επιπλέον, επιλέχθηκε μια μέθοδος υποβοηθούμενη από CAD για τη ρύθμιση της διάταξης της διαδικασίας. Η εργασία περιέχει ευρήματα σχετικά με την επίδραση των συνθηκών κοπής στις αναπτυσσόμενες δυνάμεις τόρνευσης, καθώς και την απόδοση των κοπτικών εργαλείων ως προς τη μικρογεωμετρία τους. Επιπλέον, προτείνεται ένα αριθμητικό και ένα στατιστικό μοντέλο υψηλής ακρίβειας.