Implementation of CAD-based and 3D non-linear finite element methodologies on modelling of machining processes

La eliminación de material es uno de los procesos de conformación más importantes de la industria. Además, mediante el mecanizado se pueden producir una amplia variedad de productos que van desde una herramienta simple hasta una pieza de avión. Estos hechos significativos junto con la constante evolución por la ingeniería se convirtieron en la base de la presente tesis.El objetivo principal durante la investigación y el desarrollo en el área de mecanizado basado en FEM, se centra en:aumentar la precisión de los modelos FE desarrollados,reducir el tiempo de preparación yminimizar el trabajo experimental requerido.Para lograr los estándares altos y garantizar la confiabilidad de los procesos de corte, se deben determinar nuevos métodos de análisis teórico. Además, se requieren nuevos modelos de simulación para cubrir el desarrollo continuo de herramientas de corte. A la luz de estas consideraciones, se llevó a cabo un estudio extenso de la literatura como primer paso hacia una comprensión más profunda de trabajos previosen el campo. A continuación, el procesamiento de los hallazgos reveló ciertos temas que requerían mayor investigación o mejora. Dichos temas incluyen:La mejora de la precisión durante el modelado de FE.La investigación del efecto de las condiciones críticas de mecanizado sobre varios parámetros como las fuerzas de corte desarrolladas, la morfología de la viruta, así como la tensión y la distribución de la temperatura. Y el establecimiento de modelos de predicciones eficientes y fáciles de usar.Una vez finalizada la revisión bibliográfica, la investigación se dividió en cuatro etapas. La primera etapa está asociada con la mejora de la precisión en el modelado de FE. La segunda trata sobre el modelado FE de operaciones de taladrado y torneado en tres dimensiones, asistido con técnicas basadas en CAD. La tercera etapa está relacionada con la investigación del mecanizado de materiales industriales en condiciones críticas de corte. Finalmente, la última presenta el desarrollo de modelos de predicción con la ayuda de metodologías estadísticas.1) La mayoría de los investigadores utilizan en sus estudios modelos de herramientas de corte proporcionados por los fabricantes o los diseñan ellos mismos. Sin embargo, en el primer caso, es posible que los resultados de la simulación producidos sean de baja precisión, debido al hecho de que los modelos descargados de la web de un fabricante suelen estar simplificados y, a menudo, pierden características geométricas críticas. En este último caso, el investigador puede verse obligado a dedicar horas a tareas de diseño repetitivas que pueden resultar frustrantes, especialmente cuando se producen errores de diseño. Para evitar confusiones y centrarse en tareas más creativas, se diseñó y desarrolló una aplicación para el diseño automatizado de herramientas de corte con la ayuda de Application Programming Interface (API) delsistema CAD SolidWorks™. En esta etapa se emplearon los recursos de programación de SolidWorks ™, combinados con la estrategia de diseño paramétrico para que se pudiera lograr la concepción de la aplicación.2) Con la finalización de la aplicación, se prepararon varios modelos 3D FE y se generaron las herramientas de corte equivalentes con fines de prueba. Las pruebas de simulación se completaron con éxito y los resultados adquiridos revelaron una mayor correlación con los resultados experimentales correspondientes. Posteriormente, se establecieron modelos de FE similares para taladrado y torneado, de acuerdo con loshallazgos y recomendaciones de trabajos ya publicados, mediante el uso de un software FEA de última generación, llamado DEFORM ™ -3D. Las propiedades de los materiales, la evolución de los daños, la aproximación de la fricción, así como el flujo térmico, se establecieron con respecto al trabajo experimental realizado durante esta investigación, además de los hallazgos publicados por expertos en la materia.Además, se hizo un esfuerzo por simplificar los problemas de mecanizado, empleando varias estrategias bien establecidas, como la configuración asistida por CAD de la interfaz herramienta-pieza de trabajo y la localización del refinamiento de la malla.3) La tercera etapa de la tesis está directamente vinculada a la anterior. Los resultados de la simulación adquiridos se procesaron con la ayuda de entornos informáticos como Excel™ y MATLAB®, de modo que los resultados se pueden convertir en conjuntos de datos utilizables. Posteriormente, los datos procesados se visualizaron y compararon directamente con hallazgos equivalentes que están disponibles en la literatura. Esta comparación mostró que los modelos de FE desarrollados estaban de acuerdo con los encontrados en studios ya publicados. Además, se llevaron a cabo una serie de pruebas experimentales para validar aún más la precisión de los modelos de FE desarrollados. Para realizar con precisión el trabajo experimental, se utilizó un centro de mecanizado CNC junto con el equipo de medición (un dinamómetro). Al mismo tiempo, se realizó una investigación sobre los efectos de la velocidad de corte, el avance, la profundidad de corte y la geometría de la herramienta sobre las fuerzas de corte desarrolladas. En concreto, se estudiaron las fuerzas de empuje generadas durante el taladrado, así como los componentes de mecanizado (fuerzas radiales, tangenciales y de avance) inducidas durante el torneado.Doctoral Thesis: Implementation of CAD-based and 3D non-linear finite element methodologies on modelling of machining processes.Además, se estudiaron tanto la evolución de la viruta como la morfología con respecto a la operación aplicada, el material, la herramienta y las condiciones de corte.4) Finalmente, los resultados simulados verificados se utilizaron para el desarrollo de modelos matemáticos que pueden predecir las fuerzas de corte generadas dentro de límites específicos. Los modelos que fueron representados por funciones, pueden generar resultados de alta precisión al instante y sin la necesidad de ningún software especializado. El modelado se realizó utilizando la Metodología de Superficie de Respuesta (RSM) ampliamente utilizada, que además mejoró la visualización de la investigación concluida durante la tercera etapa. Para fortalecer aún más la validez de los modelos estadísticos, se utilizó el Análisis de Varianza (ANOVA). Los resultados del análisis revelaron que los modelos desarrollados son robustos y se pueden utilizar de forma segura con fines de predicción.El documento titulado “CAD-based automated design of FEA-ready cutting tools” presenta el desarrollo de una aplicación de diseñador con la implementación de la API de SolidWorks ™ implementada con VBA. El propósito de la aplicación desarrollada es generar automáticamente modelos CAD de herramientas de corte que se pueden utilizar con el software FEA. Al finalizar la aplicación, se han realizado con éxito una serie de pruebas de simulación para verificar la funcionalidad de los modelos generados. El resultado de simulación de las fuerzas de mecanizado al obtenido de forma experimental, superando el 90% en la mayoría de los casos. El documento titulado "FEM based mathematical modelling of thrust force during drilling of Al7075-T6" presenta el desarrollo de un modelo de predicción para las fuerzas generadas durante la perforación de Al7075-T6, con la ayuda de RSM y la implementación de 3D FEA. Se realizó una serie completa de 27 simulaciones 3D bajo diferentes condiciones de corte (velocidad y avance) además de los tres diámetros deherramienta diferentes que se utilizaron. Los resultados simulados se validaron mediante experimentos y la correlación entre los resultados simulados y experimentales superó el 95% en la mayoría de los casos. Después de analizar a fondo el modelo para determinar su precisión (5,9%) y fidelidad de ajuste, se concluye que el modelo desarrollado puede predecir con seguridad las fuerzas de empuje bajo ciertos límites que se discuten en esta investigación. Además, se introdujo la morfología de las virutas producidas durante la perforación de Al7075-T6.En el trabajo “3D FE modelling of machining forces during AISI 4140 hard turning” se presentó el desarrollo de un modelo 3D FE, así como un modelo de predicción de la principal fuerza de mecanizado inducida durante torneado duro de AISI-4140. Se realizaron una serie de 27 simulaciones 3D bajo diferentes condiciones de velocidad de corte y avance, además de las tres diferentes profundidades de corte. Los resultados numéricos obtenidos fueron validados mediante valores experimentales que se encuentran disponibles en la literatura y se observó que están en alta concordancia superando el 90% en la mayoría de las situaciones. La precisión (8.8%) y la bondad de ajuste del modelo estadístico, determinan que los modelos desarrollados (FE y estadístico) pueden predecir con fiabilidad las fuerzas de mecanizado resultantes cuando se aplican dentro del alcance de este estudio.Finalmente, en la publicación "Influence of the nose radius on the machining forces induced during AISI-4140 hard turning: A CAD-based and 3D FEM approach" un modelo 3D FE para el torneado de AISI-4140 como un modelo de predicción de la fuerza de mecanizado resultante, basado en métodos estadísticos. Se utilizó unconjunto de resultados experimentales que están disponibles en la bibliografía para verificar el modelo FE y, en consecuencia, se preparó un diseño completo de experimentos de acuerdo con tres niveles de velocidad de corte, velocidad de avance y radio de la punta de la herramienta. Se realizó una validación adicional del modelo estadístico para garantizar que el modelo pueda predecir con seguridad la fuerza de corte resultante dentro del rango de condiciones encontradas en el presente estudio. Finalmente, se investigó y presentó gráficamente la influencia del radio de la punta en las fuerzas de corte producidas.<br /

Three-Dimensional Finite Element Analysis of Conventional and Ultrasonic Vibration Assisted Micro-Drilling on PCB

Recent advancement in society’s demands has forced industries to produce more and more precise micro parts. With an advancement in engineering sciences, current manufacturers in various fields such as aerospace, medical, electronics, automobile, biotechnology, etc. have achieved the potential to fabricate miniaturized products, but with numerous technical challenges. Dimensional accuracy and surface integrity of the machined components are the key challenges and at the same time, cost minimization is strongly desired. To meet these challenges and demands, improvements in machining regarding new procedures, tooling, tool materials and modern machine tools are highly essential. Micromachining has shown potential to achieve the fast-growing needs of the present micro manufacturing sector. Additionally, new machining techniques like ultrasonic machining, laser drilling, etc. have been developed as an alternative source to reduce obstructions caused during macro/micro machining. The present research aims to perform three-dimensional (3D) finite element dynamic analysis for micro-drilling of multi-layer printed circuit boards (PCBs). Both conventional and ultrasonic vibration assisted micro-drilling (UVAMD) FE simulations have been compared to predict and evaluate the effect of process parameters on the output responses like stress generation and reaction forces and burr formation on the workpiece surfaces. The Lagrangian based approach is followed for the FE simulation including the mass and inertial properties of the proposed FE model. The predicted FE results are compared with the past experimental work for thrust force evaluation and burr formation on workpiece surfaces. The present work is supported with modal and harmonic analysis of stepped and conical horns along with micro drill bit. Here, horns made up of Aluminum 6061-T6, Titanium and Mild steel are chosen with micro drill bit of 0.3 mm diameter with varying tool materials (Tungsten carbide and High speed steel). The effects of natural frequencies with different mode shapes within the range of 15-30 kHz are shown. The frequency responses of micro drill with displacement conditions have been presented for longitudinal modes. The present simulation results will be helpful to conduct proper experimentation in order to achieve efficient machining and surface finish. The results enumerate that the drilling parameters have a strong influence on thrust forces and stresses occurring in micro-drilling. Ultrasonic assisted micro-drilling has a good potential in reduction of forces generated by vii selecting proper machining parameters. The FE simulation of UVA micro machining can further be enhanced and extended to various materials like plastics, sheet metal, other PCBs, etc. to predict the performance with varying machining and geometrical parameters

Precision Machining

The work included in this book focuses on precision machining and grinding processes, including milling, laser machining and polishing on various materials for high-end applications. These processes are in the forefront of contemporary technology, with significant industrial applications. Their importance is also made clear by the important works that are included in the research that is presented in the book. Some important aspects of these processes are investigated, and process parameters are optimized. This is performed in the presented works with significant experimental and modelling work, incorporating modern tools of analysis and measurements

Data selection and optimisation of cutting conditions for progressive production technologies of drilling with a step drill

Práce obsahuje teoretický rozbor vrtání šroubovitým vrtákem se zaměřením na sdružený nástroj. Součástí rešerše je popis geometrie vrtáku, výpočet základních parametrů vrtání, včetně sil a optimalizace procesu. Dále je uveden postup výroby a analýza navrženého sdruženého monolitního nástroje pro požadované parametry otvoru. Pro správnou funkci nástroje je nutné nalézt optimální řezné podmínky. Hodnoty zatížení nástroje jsou přesně vyhodnoceny pomocí piezoelektrického dynamometru, a tím se získá celkový průběh jednotlivých zatížení. Struktura povrchu obrobku je vyhodnocena optickým měřicím přístrojem.The thesis contains theoretical analysis of drilling by twist drill focused on the step drill. The review includes description of the drill geometry, calculation of the basic parameters of drilling, including forces and process optimization. Following is manufacturing process and analysis of the monolithic step drill designed for the required hole parameters. The optimal cutting conditions are necessary to find for the correct function of the tool. The load values of the tool are accurately assessed using a piezoelectric dynamometer, thereby obtaining the overall progress of individual loads. The roughness of the workpiece is evaluated by the optical measuring device.

Proceedings of the 2018 Canadian Society for Mechanical Engineering (CSME) International Congress

Published proceedings of the 2018 Canadian Society for Mechanical Engineering (CSME) International Congress, hosted by York University, 27-30 May 2018

Numerical analysis of fatigue crack growth in welded joints with multiple defects

In the case of welded steel structures (such as pressure equipment), welded joints are often critical location for stress concentrations, due to different mechanical properties and chemical composition compared to the parent material, and due to changes in geometry. In addition, the presence of imperfections (defects) in welded joints can contribute to the increase in local stress, resulting in crack initiation. Recently, standards that are related to acceptable dimensions of various types of defects in welded joints started taking fatigue loading into account as well. For the purpose of this research, a 3D numerical model was made, of a welded joint with different types of defects (linear misalignment and a crack in the weld metal), based on the previous work, which involved static loading of the same specimen. In this case, fatigue was taken into account, and the simulation was performed using ABAQUS software, as well as Morfeo, an add-on used for determining the fatigue behaviour of structures via XFEM (extended finite element method). The welded joint was made using steel P460NL1 as the parent material, and EPP2NiMo2 wire was used for the weld metal. An additional model was made, whose defects included a crack and an overhang. Fatigue crack growth analysis was performed for this model as well, and the results for stress intensity factors and stress/strain distribution were compared in order to obtain information about how different defects can affect the integrity of a welded joint

Using the fracture mechanics parameters in assessment of integrity of rotary equipment

In this paper is presented the principle of application of fracture mechanics parameters in determining the integrity of rotary equipment. The behavior of rotary equipment depends on presence of cracks and basically determines the integrity and life of such equipment. The locations of stress concentration (i.e. radius changes) represent a particular problem in rotary equipment, and they are the most suitable places for the occurrence of microcracks i.e. cracks due to fatigue load. This problem is most common in the shaft of relatively large dimensions, for example, turbine shafts in hydropower plants made of high-strength carbon steel with relatively low fracture toughness, and relatively low resistance to crack formation and growth. Having in mind that rotary equipment represents the great risk in the exploitation, whose occasional failures often had severe consequences, it is necessary detail study of their integrity. For this purpose, it is necessary application of parameters of linear-elastic fracture mechanics, such as stress intensity factor, which range defines the rate of crack growth (Parisian law), and its critical value (fracture toughness) determines the critical crack length. The procedures for determining the critical crack length will be described using the fracture mechanics parameters

The influence of oxide deposits on the remaining life and integrity of pressure vessels equipment

In this paper is presented the principle of application of fracture mechanics parameters in determining the integrity of rotary equipment. The behavior of rotary equipment depends on presence of cracks and basically determines the integrity and life of such equipment. The locations of stress concentration (i.e. radius changes) represent a particular problem in rotary equipment, and they are the most suitable places for the occurrence of microcracks i.e. cracks due to fatigue load. This problem is most common in the shaft of relatively large dimensions, for example, turbine shafts in hydropower plants made of high-strength carbon steel with relatively low fracture toughness, and relatively low resistance to crack formation and growth. Having in mind that rotary equipment represents the great risk in the exploitation, whose occasional failures often had severe consequences, it is necessary detail study of their integrity. For this purpose, it is necessary application of parameters of linear-elastic fracture mechanics, such as stress intensity factor, which range defines the rate of crack growth (Parisian law), and its critical value (fracture toughness) determines the critical crack length. The procedures for determining the critical crack length will be described using the fracture mechanics parameters