Procedury optymalizacji operacji obróbki skrawaniem dla obrabiarek CNC

This paper describes some advanced optimisation procedures for machining operations performed on CNC machine tools. The presented problems are divided into two sections. The first section gives practical solutions concerning tool path optimisation by using different genetic algorithm methods and creation of virtual machines. The second section provides some important commercial solutions, in particular commercially available optimisation systems. The most important optimisation areas of the cutting process signalized by the industrial users are considered.Artykuł przedstawia zaawansowane procedury optymalizacji procesów obróbki skrawaniem dedykowane dla obrabiarek sterowanych numerycznie CNC. Opisano praktyczne rozwiązania dotyczące między innymi problemów optymalizacji toru ruchu narzędzia, ich długości czy doboru racjonalnych parametrów technologicznych. Uwzględniono różne koncepcje sposobów prowadzenia kompleksowej symulacji procesu wytwarzania elementów maszyn na drodze obróbki ubytkowej. Zwrócono uwagę na konieczność globalnego podejścia do problemu optymalizacji procesu wytwarzania. Przejawia się to w konieczności uwzględniania procesu wytwarzania, kontroli jak również aspektu doboru obrabiarki i nie często także montażu wytworzonych części maszyn. Najciekawsze rozwiązania praktyczne wybranych obszarów optymalizacji przedstawiono w oparciu o funkcjonujące, reprezentatywne pakiety programów komercyjnych. Stwierdzono, że mimo wielu możliwych kryteriów optymalizacji procesu obróbki skrawaniem najczęściej wykorzystywanym jest podejście ekonomiczne, przy równoczesnym zachowaniu wysokich wymogów co do jakości funkcjonalnej wyrobu. Oczekiwaniem rynku jest stworzenie komercyjnych systemów ekspertowych ujmujących całościowo problem optymalizacji procesu wytwarzania części maszyn. Dąży się do tego poprzez zintegrowanie obszarów symulacji i optymalizacji procesu technologicznego z optymalizacją obrabiarek (VM), a kończąc na procesie optymalizacji produkcji (VP) na bazie łańcuchów programowania CAD-CAM-CNC

Sensitivity analysis of the constitutive models in FEM-based simulation of the cutting process

The paper considers the problem of the influence of constitutive model parameters on the results of FEM-based simulation of the orthogonal cutting process using C45 (AISI 1045) carbon steel and multilayer-coated carbide tool. The simulations were based on the power constitutive law (PL) with a special consideration of the temperature-related thermal influences. The sensitivity analysis performed concerns the models proposed by Özel and Kalhori and own data in the form of multi-regressive equations for the substrate and coating components that were applied. In particular, the values of n exponent were varied in order to assess the simulation results. The FEM simulations include the average interface temperature, the distribution of temperature on the rake face and within the wedge body, as well as cutting forces. By modifying the PL parameters, the prediction errors lower than 15% were obtained

Modeling the temperature field in the cutting zone with use of the finite difference method

Artykuł niniejszy omawia dystrybucję ciepła w czasie skrawania ortogonalnego stali 1H18N9T ostrzem węglikowym bez powłok ochronnych. W badaniach symulacyjnych bazowano na metodzie różnic skończonych i uproszczonym modelu przepływu ciepła zakładającym liniowe źródła ciepła o zmiennej intensywności wzdłuż swojej długości. Wyniki symulacji porównywano z danymi literaturowymi oraz wynikami eksperymentalnymi otrzymując akceptowalną dokładność średniej oraz maksymalnej temperatury kontaktu, potwierdzając tym samym poprawność modeli symulacyjnych.This paper deals with the effect of heat distribution during orthogonal cutting of 1H18N9T steel using an uncoated carbide insert. In the introduction there is described the methodology of modeling the cutting zone for the purpose of calculations by the finite difference method using a spreadsheet. In particular, the necessity to factor in changes of the heat flux distribution in the primary and secondary deformation zone was taken into considera-tion. In modeling tests the finite difference method was used to determine changes in the temperature distribution as well as the average and maximum contact temperature. Simulation of the temperature distribution in the cutting zone was carried out based on a simplified model of the heat transfer covering various shapes of the heat source. The tests concerned two, basic and most intense, heat sources in the cutting zone tied to the primary and secondary deformation zones (Fig. 1) The simulation results were compared with literature data and experimental results by measuring the contact temperature with use of a natural thermocouple. A considerable change in the isothermal distribution within the insert was obtained (Fig. 7), as were the changes in the temperature distribution profile on the surface of the rake face for various shapes of the heat source analyzed (Fig. 4 and 6). The obtained results enable assessing the method of modeling the cutting zone for various tool materials in terms of heat distribution generated in the cutting zone. The most interesting results, which coincide well with the literature data [10], were obtained during cutting with P20 insert for heat sources of trapezoidal shape in PDZ, and triangular shape for SDZ. It confirms that the heat source shape has a significant effect on the isothermal distribution in the cutting zone

The effect of displacement at failure on the results of FEM numerical simulation

W artykule przedstawiono wpływ parametru przemieszczenia niszczącego Uf na wyniki symulacji numerycznej procesu skrawania w programie Abaqus/CAE. W symulacji wykorzystano model konstytutywny Johnsona-Cooka, opracowany dla stopu tytanu Ti6Al4V. Omówiono warunki brzegowe oraz wpływ zmiękczenia termicznego stopu tytanu przy różnych prędkościach skrawania na wyniki symulacji MES. Wykazano znaczący wpływ przemieszczenia niszczącego Uf na przebieg dekohezji i kształtowanie wióra.In the article the effect of displacement at failure Uf on the simulation results of machining process conducted in Abaqus/CAE program is presented. A Johnson-Cook constitutive model with parameters adequate for Ti6Al4V titanium alloy was used in the simulation. Boundary conditions and the effects of thermal softening at different cutting speeds on the simulation results were described. The results shows a substantial effect of displacement at failure value on decohesion and chip formation

Symulacja numeryczna i badania eksperymentalne procesu frezowania stopu tytanu Ti6Al4V

This paper is focused on the finite element analysis of machining of Ti6Al4V titanium alloy in a nonorthogonal (3D) face milling process. The study was conducted for face milling with the cutting speed of 80 m/min, depth of cut of 1 mm, cutting width of 10 mm and different feed rates. The FEM simulations include the cutting force components and average maximum cutting temperatures. The simulation results were compared with experimental data obtained for similar milling process configuration. It was found that the kind of FEM constitutive model influences the force and temperature values. In this case the cutting force has a better match with experimental data when using the JC model. On the other hand, a good fitting for both feed and passive forces was achieved for the PL model. Additionally, a very good fitting for the cutting temperature using PL FEM model was obtained. It was also found that the feed rate has a significant effect on the average interface temperature and can be modelled by using FEM material models presented in the article.W pracy prowadzono analizę wyników symulacji procesu frezowania walcowo-czołowego stopu tytanu Ti6Al4V, w układzie nieortogonalnym (3D) z zastosowaniem metody elementów skończonych. W procesie frezowania płaskiego stosowano prędkość skrawania 80 m/min, głębokość skrawania 1 mm, szerokość skrawania 10 mm, dla różnych wartości posuwów. Przy użyciu MES określono wartości składowych sił skrawania oraz maksymalną wartość temperatury skrawania. Walidację wyników symulacyjnych i badań eksperymentalnych prowadzono dla takich samych wartości warunków obróbki. Stwierdzono, że rodzaj konstytutywnego modelu MES ma wpływ na wartości siły i temperatury skrawania. W tym ujęciu dobrą zgodność danych symulacji normalnych i eksperymentalnych, dla przypadku składowej głównej siły skrawania, uzyskano przy zastosowaniu modelu JC. Natomiast lepsze dopasowanie dla składowej posuwowej i odporowej (pasywnej) uzyskano dla modelu PL. Dodatkowo dobre dopasowanie wyniku symulacji i eksperymentu, dla temperatury skrawania, uzyskano także dla modelu MES typu PL. Stwierdzono, że posuw ma znaczny wpływ na wartość średniej temperatury skrawania. Modelowanie tych oddziaływań można realizować, stosując modele materiałowe MES przedstawione w pracy

Optimization of CNC face milling process of Al-6061-T6 aluminum alloy

In modern machining industry, the use of computer software is an integral element in the design of technological processes. This work aims to present possibilities for optimization of milling operations with the use of commercial software designed especially for that use. A face milling operation of an aluminium flange was chosen for this study. Several different optimization strategies were described and their results shown, analysed and discussed. The effect of variable radial depth of cut on cutting force values in milling processes was reflected upon. Additionally, further research involving comparison of experiment results with simulation was proposed. It was proven that correct optimization strategy can reduce machining time for the analysed face milling operation about 37% without exceeding imposed process parameter constraints

Investigation of friction and wear mechanisms of PVD-TiAlN coated carbide against Ti6Al4V titanium alloy using a pin-on-disc tribometer

W artykule przedstawiono wyniki badań tribologicznych stopu tytanu Ti6Al4V w skojarzeniu z węglikiem spiekanym z powłoką PVD-TiAlN w warunkach tarcia suchego. Badania doświadczalne przeprowadzono na tribometrze pin-on-disc, który umożliwia ciągłą rejestrację współczynnika tarcia oraz zużycia. Celem identyfikacji występujących mechanizmów zużycia zastosowano mikroskopię elektronową skaningową (SEM) wraz z analizą EDS.In this paper, the tribological behaviour of the TiAlN coated carbide inserts in dry sliding against Ti6Al4V titanium alloy was investigated. A pin-on-disc device was used to record both the friction coefficient and the linear wear of the tribo-pair vs. the sliding distance. Scanning electron microscopy (SEM) and X-ray microanalyses by EDX were applied for observations of wear scars and wear products, and the identification of the predominant wear mechanisms that occurred

Badanie mechanizmów tarcia i zużycia węglika spiekanego z powłoką TiAlN w parze ze stopem tytanu Ti6Al4V za pomocą tribometru pin-on-disc

The tribological behavior of the PVD-TiAlN coated carbide inserts in dry sliding against two-phase (α-β) titanium alloy,Ti6Al4V grade, was investigated. A modified pin-on-disc device was used to conduct experiments under variable normal load and sliding speed. Scanning electron microscopy (SEM) and X-ray micro-analyses by EDS were applied for observations of wear scars and wear products. It was revealed that the increase of sliding speed contributes to decreasing the friction coefficient under a low normal force, whereas the increase of the normal loading causes the friction coefficient is less sensitive to changes in the sliding speed and its values are equal to μ = 0.26-0.34. The adhesive nature of wear along with severe abrasive action of the Ti alloy were documented.W artykule przestawiono wyniki badań dotyczące tribologicznego zachowania się płytek skrawających z węglika spiekanego pokrytego powłoką TiAlN w skojarzeniu z dwufazowym (α-β) stopem tytanu Ti6Al4V w warunkach tarcia suchego. W badaniach użyto zmodyfikowane urządzenie typu pin-on-disc, które umożliwia przeprowadzenie badań eksperymentalnych ze zmiennym obciążeniem normalnym i zmienną prędkością poślizgu. Do obserwacji śladów i produktów zużycia zastosowano mikroskopię skaningową (SEM) i mikroanalizę rentgenowską (EDS). Wykazano, że wzrost prędkości poślizgu przyczynia się do zmniejszenia współczynnika tarcia, jeśli stosuje się małe siły normalne, natomiast wzrost obciążenia normalnego powoduje, że współczynnik tarcia jest mniej wrażliwy na zmiany prędkości poślizgu i jego wartości wynoszą μ = 0,26-0,34. Udokumentowano adhezyjny mechanizm zużycia łącznie z silnym oddziaływaniem ściernym stopu tytanu