Προσομοίωση της κατεργασίας της διάτρησης με πεπερασμένα στοιχεία λαμβάνοντας υπόψη τα δυναμικά φαινόμενα και βελτιστοποίηση των συνθηκών κοπής

Abstract

Hole defects can lead to expensive production waste, as drilling operations are usually among the final stages in a manufacturing plan. A significant percentage of these problems refer to the wrong selection of cutting conditions. Common problems include unnecessary forces that lead to stress concentrations and thus reduced drill life and self-exciting vibrations. These problems affect the surface finish and final dimensional accuracy. To overcome these problems an extensive tool force analysis has to be conducted in order to investigate the distribution and magnitude of the forces arising, for different tool geometries and cutting conditions.The present thesis introduces a novel simulation code called DIATRISIS that simulates the process of drilling, considering dynamic phenomena and their effects on the cutting tool and workpiece. The first step of the proposed method involves the accurate tool modeling. For this purpose a custom standalone application based on the API (Application Programming Interface) of a commercial CAD system has been developed. The application is able to create 3D solid models of conical, hyperboloidal and ellipsoidal twist drills. Furthermore the software is able to model the drill shank and margin, which is very useful in the cutting tool’s static and dynamic analysis.The method proposed, considers the drill’s main cutting edge as a series of ten oblique sub models whereas the half of chisel edge is divided in two orthogonal sub models. This approach provides user with faster calculation times and more accurate results. For each sub model, the elementary cutting tool and workpiece geometry are determined, as well as their positioning and assembly. The geometry of each section is derived from analysis of the 3D solid model. The third step involves the customized discretization of each model as well as defining the contacts, the material model, the boundary conditions and the simulation parameters. DIATRISIS is then used for developing the appropriate input file for the solver. Finally the software post processes the results in order to extract the thrust force and torque distribution, both in the main cutting edge and the chisel. The simulation results were extensively verified by a number of experiments, approving the reliability of DIATRISIS. A graphical user interface has been developed in order to automate the above procedure. Moreover, a finite element program was used to simulate the displacements and the stresses distribution on all the cutting edges under static or dynamic loading. The algorithm developed combines the resulting cutting forces distribution with DRILL3D chip thickness results in order to calculate the model boundary conditions. In the first step the contact length of the chip-tool interface was accurately calculated using the chip compression ratio (CCR). The CCR was accurately measured by a special experimental setup that has been introduced, utilizing a high-speed camera. The second step involves the interpolation of the time dependent tool displacements into the tool trajectory, forming a 3D deformed hole. In the last step the software calculates the hole quality characteristics such as roundness, cylindricity, concentricity and coaxiality according to the ISO standards.

Η κατασκευή μηχανολογικών τεμαχίων απαιτεί μια σειρά από διαμορφώσεις. Από τις διαμορφώσεις αυτές οι οπές είναι οι πιο διαδεδομένες, καθώς είναι απαραίτητες στη συναρμολόγηση τεμαχίων και ειδικότερα στις κοχλιώσεις, στις ηλώσεις, στις συναρμογές εδράνων κύλισης και ολίσθησης, αλλά και στη ροή ρευστών για λίπανση ή ψύξη. Είναι λοιπόν σαφές πως η παραμικρή βελτίωση της κατεργασίας, των εργαλείων και της ποιότητας των τελικών προϊόντων, είναι ικανή να δώσει το ανταγωνιστικό πλεονέκτημα στην εκάστοτε βιομηχανία. Έτσι, τα τελευταία χρόνια, η έρευνα στο επιστημονικό πεδίο της διάτρησης έχει ενταθεί.Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου μοντέλου προσομοίωσης της διάτρησης καθώς και της επίδρασης των δυναμικών χαρακτηριστικών, τόσο στο εργαλείο όσο και στην τελική ποιότητα της οπής. Η προσέγγιση που ακολουθήθηκε για την προσομοίωση της κατεργασίας αφορά την εστίαση στις περιοχές κοπής και τον χωρισμό του μακροσκοπικού μοντέλου της διάτρησης σε μια σειρά ισοδύναμων λοξών και ορθογωνικών μοντέλων κοπής. Τα πλεονεκτήματα αυτής της προσέγγισης εντοπίζονται στον ακριβή προσδιορισμό της κατανομής της δύναμης κοπής και της ροπής στις κόψεις του εργαλείου, αλλά και στη δραστική μείωση του χρόνου επίλυσης.Για την αυτοματοποίηση των διαδικασιών αναπτύχθηκε λογισμικό το οποίο ενσωματώνει όλα τα στάδια της προεπεξεργασίας και της μεταεπεξεργασίας του μοντέλου. Πιο συγκεκριμένα, το λογισμικό σχεδιάζει αυτόματα τη 3D γεωμετρία του εργαλείου διάτρησης και αναλαμβάνει την προεπεξεργασία των μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων μέχρι την εξαγωγή του τελικού αρχείου επίλυσης. Η διακριτοποίηση των δισδιάστατων τεμαχίων της ορθογωνικής κοπής και των τρισδιάστατων τεμαχίων της λοξής, έγινε μέσω ειδικού αλγορίθμου που αναπτύχθηκε, με αυτόματη πύκνωση του πλέγματος στο επίπεδο κοπής ή πάνω από αυτό. Για τη διακριτοποίηση του κοπτικού εργαλείου με πύκνωση του πλέγματος στην κοπτική ακμή, χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος τριγωνοποίησης Delaunay. Τα αποτελέσματα του μοντέλου περιλαμβάνουν τη ροπή και τις συνολικές δυνάμεις κοπής, την κατανομή τους στις κόψεις του εργαλείου και τις τάσεις που αναπτύσσονται στο τεμάχιο. Τα αποτελέσματα των δυνάμεων επαληθεύτηκαν μέσω εκτενούς σειράς πειραμάτων δυναμομέτρησης.Για τη μελέτη των τάσεων και των μετατοπίσεων του εργαλείου, υπό στατικό ή δυναμικό φορτίο, αναπτύχθηκε ειδικός αλγόριθμος κατανομής των δυνάμεων κοπής. Τα πλεονεκτήματα του αλγορίθμου εντοπίζονται στην ενσωμάτωσή του σε λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων αυτοματοποιώντας τη διαδικασία μοντελοποίησης, όπως επίσης και η διασύνδεσή του με άλλα μοντέλα υπολογισμού δυνάμεων. Ένα βασικό δεδομένο εισόδου για την ανάλυση των κοπτικών εργαλείων αποτελεί ο λόγος συμπίεσης αποβλίττου. Για τον ακριβέστερο υπολογισμό αυτής της ποσότητας αναπτύχθηκε πειραματική διάταξη με χρήση κάμερας υψηλής ταχύτητας λήψης φωτογραφιών. Τα αποτελέσματα του μοντέλου ανάλυσης των εργαλείων διάτρησης περιλαμβάνουν την κατανομή των τάσεων και των μετατοπίσεων. Επιπλέον, η δυναμική απόκριση του εργαλείου χρησιμοποιήθηκε για να προσδιοριστεί η τρισδιάστατη οπή και εν συνεχεία να υπολογιστούν τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της. Τα χαρακτηριστικά αυτά επαληθεύτηκαν με αντίστοιχες πειραματικές μετρήσεις.