タングステン - モリブデン合金は、加工コストが高く、加工効率が低く、工具の摩耗が激しい、加工が難しい材料です。 ABAQUS有限要素解析ソフトウェアを使用して、タングステン-モリブデン合金の三次元フライス加工モデルを確立し、さまざまな切削パラメータに対するタングステン-モリブデン合金のフライス加工プロセスを研究しました。 フライス加工試験により切削抵抗と切削温度の変動則を検証し、シミュレーションモデルの有効性を検証します。 切削パラメータの最適な組み合わせは、直交する実験を通じて得られました。つまり、切削速度 vc=60m/s、バックエンゲージメント ap=3mm、刃あたりの送り fz=0.16mm/z 。
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タングステンとモリブデンは埋蔵量が豊富で、私の国では広く分布しています。 タングステンとモリブデンは元素周期表の VIIB 族元素に属し、代表的な高融点金属です。 タングステン - モリブデン合金は、純タングステンよりも融点が高く、密度が低いため、タングステンとモリブデンの利点を兼ね備えています。 耐食性や耐摩耗性 [1] に優れているため、航空宇宙分野で重要な材料となっており、ロケットエンジンのノズルやガスタービンの主要部品に使用されるなど、将来の産業分野での応用が期待されています。
タングステン - モリブデン合金の切断原理を研究するために、学者たちは多くの研究活動を行ってきました。 Luo Zhengchuan [2] が超硬工具を使用してタングステンベースの合金を切断したとき、工具の摩耗は非常に速く、超硬工具の破損を引き起こす主な摩耗形態は、主軸の交差部分に現れる三角形の摩耗領域でした。側面と補助側面。 工具摩耗の主な原因はハードポイントによる機械的摩耗であり、超硬合金中のバインダーとしてのコバルトの拡散により工具の摩耗が促進されます。 Ye Yi 氏 [3] は、タングステン ベースの合金を切断する場合、表面に耐摩耗性コーティングが施された微粒または超微粒 WC ベースの超硬合金工具の耐用年数が短いことを発見しました。 その合金を機械加工するのは不経済です。 複合セラミック工具は高タングステン合金材料の切削には適しておらず、PCD ダイヤモンド工具の寿命は WC 基超硬合金と比べて大幅には向上しません。 タングステンとその合金材料は、PCBN 切削工具と CBN 含有量の多いグレード (DBC80 など) を使用して加工するのが最適であり、より優れた経済的メリットが得られます。
ABAQUS 有限要素解析ソフトウェアは、金属切削シミュレーションによく使用されるソフトウェアです。 強力な非線形解析機能を備えており、熱機械結合を実現できます。 タングステン モリブデン合金は、加工コストが高く、加工効率が低く、工具の摩耗が激しいため、加工が困難な材料です。 したがって、この論文では、ABAQUS 有限要素解析ソフトウェアを使用して、タングステン - モリブデン合金の 3 次元フライス加工モデルを確立します。 加工中に発生する切削抵抗や切削温度を変化させ、最終的には直交試験を通じて最適な加工パラメータの組み合わせを求め、実際の加工プロセスの参考とします。
タングステン-モリブデン合金の有限要素モデリング
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2.1 工具形状モデル
シミュレーションでは標準超硬合金4-ブレード エンドミルを使用し、その仕様を表 1 に示します。フライス モデルは、図 1 に示すように、SolidWorks 3D モデリング ソフトウェアを使用して生成されます。さまざまなフライス加工パラメータの下での切削抵抗と切削温度の変化を解析することです。工具の主切れ刃がワークピースよりもはるかに小さいことを考慮すると、ABAQUS 有限要素解析では工具は剛体であると仮定されます。工具の変形と摩耗の物理パラメータを表 2 に示します。
表1 工具仕様（単位：mm）写真
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図1 フライスモデル
表 2 ツールの物理パラメータ
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2.2 タングステン・モリブデン合金材料の構成モデル
この論文でのシミュレーション ワークピースの材料はタングステン - モリブデン合金であり、主な物理的および機械的性能パラメータを表 3[4]に示します。
表 3 タングステン - モリブデン合金材料の物理パラメータ
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金属切断のプロセスでは、ほとんどの場合、材料は高温、高ひずみ、高ひずみ速度の下で弾塑性変形を受けるため、合理的な材料モデルを確立することもシミュレーションを成功させるための重要なステップです。 この論文の材料モデルは、材料のひずみ硬化効果、ひずみ硬化効果、および熱軟化効果を反映できるジョンソン・クック構成モデルを採用しており、その形状は次のとおりです。
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式中の σ は流動応力 (MPa) です。 ε は塑性ひずみです。 ε0 は基準ひずみ速度です。 T は温度 (度) です。 Tr は室温 (度) です。 Tm は材料の融点 (度) です。 A、B、C、m、n は材料パラメータであり、その値を表 4[5]に示します。
表 4 タングステン - モリブデン合金材料の Johnson-Cook 構成モデルパラメータ
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2.3 接触条件と境界条件
接触アトリビュートを作成すると、シミュレーション中にツールが剛体とみなされるため、別の剛体コンストレイントを作成する必要があります。 最初の解析ステップで境界条件を作成し、ワークピースの側面のすべての自由度を拘束します。 工具は 4 つの自由度を拘束し、Z 軸を中心とした回転と移動を設定する必要があります。ここで、回転速度は主軸速度、移動速度は送り速度です。 事前定義された温度フィールドを作成し、ワークピースの温度を 298K として定義します。
2.4 メッシュ分割
メッシュ分割の品質は、有限要素シミュレーションの結果に大きな影響を与えます。 したがって、モデルをメッシュ化するときは、まず適切なメッシュ ユニット タイプを選択し、精度とコストを総合的に考慮してメッシュ密度を合理的に制御する必要があります。 グリッドの密度が高いほど、シミュレーション結果の精度は高くなりますが、計算コストが増加します。 ツールグリッドとワークグリッドの最小サイズは0.02mmで、ツールとワークはそれぞれ均一なグリッドに分割されます。 ツール構造は複雑で、四面体の非独立構造グリッドを使用しています。タイプは C3D10MT、ツール グリッドは 74400 ユニットです。 ワークピースは六面体構造グリッドを採用し、ワークピースグリッドは26250ユニットで、ワークピースグリッドタイプはC3D8RTです。 噛合後のツールとワークをそれぞれ図2と図3に示します。
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図 2 ツールグリッド
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図3 ワークグリッド
2.5 モデルソリューション
ABAQUS/Explicit はモデル計算に使用され、解析ステップの種類は動的陽的熱機械連成解析ステップです。 計算が完了したら、ABAQUS 後処理モジュールを通じて結果を表示および分析できます。 フライス加工シミュレーション結果を図 4 に示します。
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図4 フライス加工シミュレーション結果
模擬直交テスト
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3.1 実験計画
この実験は主に、タングステン - モリブデン合金のフライス加工プロセスにおける切削抵抗と切削温度に対する切削速度 vc、バックエンゲージメント ap、および刃当たりの送り fz の影響を研究するため、3 つの因子と 4 つの水準を持つ直交表が設定されます (参照)。表 5)、つまり、vc、ap、fz を独立変数とします。 切削幅 ae=1mm、最小切削抵抗 F、最低切削温度 T を応答 [6] とします。 直交テストテーブルの選択原則に従って、L16直交テーブルが採用され、テストの配置と結果が表6に示されています。
表 5 直交因子とレベル
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表 6 直交テストの結果
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3.2 有限要素シミュレーション結果の解析
レンジ R 法は直交検定の結果を分析するために使用され、レンジとは各レベル指標に対応する最大値と最小値の差を指します。 R 法と呼ばれる範囲分析法は、直交実験の結果を分析するために最も一般的に使用される方法です。 この手法には計算と判定の 2 つのモジュールが含まれており、テストで一次と二次、最適なレベルと最適な因子の組み合わせを見つけることができます [7]。 R メソッドの原理は、範囲を計算することによって各列の値の範囲を比較することです。 範囲が大きいほど、結果に対する要因の影響が大きくなります。これが主な要因であるため、直感的な分析方法で結果を分析します。 最小切削抵抗 F を指標として、試験結果の分析については表 7 を参照してください。 表中の K1、K2、K3、K4 は各影響因子の各レベルでのテスト結果の合計であり、k1、k2、k3、k4 は対応する平均値です。 価値。
表 7 指数 F 試験結果の分析 (単位: N) 画像
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、したがって、指数 F の最適スキームは B1C2A2 です。つまり、切削速度 vc は 60m/s、刃あたりの送り量 fz は 0.16mm/z、背面切削量 ap です。は2mmです。 最低切削温度 T を指標として、試験結果を分析した結果を表 8 に示します。
表8 指標Tテスト結果の分析（単位：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、したがって、好ましい解決策はA1B12C4です。つまり、切削速度vcは50m/s、刃当たりの送り速度fz量は0.16mm/z、ap量は4mmです。
タングステン-モリブデン合金のフライス加工テストとモデルの検証
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4.1 実験計画
タングステン - モリブデン合金フライス加工試験の有限要素モデルの妥当性を検証するために、CNC マシニング センター JOHNFORD-VMC-850 をフライス加工に使用し、標準の 4- 刃付き超硬エンドミルを使用しました。がツールとして選択されています (図 5 を参照)。
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図5 フライスカッター
ワークシートのサイズは150mm×130mm×45mmです。 ワークをダイナモに固定するには、フライス加工前のワークに取り付け穴を加工し、φ8.6mmタングステン鋼ドリルビットで穴を開け、円筒頭六角穴付きボルトM8を通して固定します。 実験では、切削抵抗の測定には KISTRER9257b 3 方向ダイナモメータを使用し、ダイナモメータはプレッシャー プレートによって工作機械テーブルに固定され、切削温度は赤外線温度計によって測定されました。 ダイナモメータとワークの固定を図6に、力測定と温度測定の過程を図7に示します。
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a) 取付穴加工
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b) フォースゲージは固定されています
図6 フォースゲージとワークの固定
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a) 切削抵抗測定
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b) 切断温度測定
図7 力測定と温度測定のプロセス
4.2 モデルの検証
テストのために 3 つのグループの切断パラメータが選択されました。 切削力と切削温度のシミュレーション値、測定値、誤差を表 9 および表 10 に示します。表 9 および表 10 から、シミュレーション結果の最大誤差は 15.6% であり、20% 以内であることがわかります。したがって、テスト結果はエンジニアリングアプリケーションの要件を満たしています。
表9 切削抵抗のシミュレーション値、実測値と誤差
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表10 切削温度のシミュレーション値、実測値と誤差
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結論
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この論文では、ABAQUS 有限要素解析ソフトウェアを使用して、タングステン モリブデン合金の 3 次元フライス加工モデルを確立します。 さまざまな切削パラメータに従って,タングステン‐モリブデン合金のフライス加工過程で発生する切削力と切削温度の変動則を研究し,直交実験を通じて最適なフライス加工パラメータを取得した。 組み合わせ、実際の加工の参考にしてください。 得られた結論は以下の通りである。
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. したがって、切削抵抗 F の最適解は B1C2A2、つまり vc=60m/s、fz= 0.16mm/z、ap=2mm となります。
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. したがって、切削温度 T の最適解は A1B1C4、つまり vc=50m/s, fz=0.16mm/ z,ap=4mm となります。
3) 実際の加工における切削効率と利点を総合的に考慮し、最適な加工パラメータの組み合わせ、つまり vc=60m/s、fz=0.16mm/z、ap{{4 }}んん。
