Численное моделирование стружкообразования при лезвийном резании волоконно-армированной композитной заготовки объемного плетения. Часть 1: обзор и модели материалов

Численное моделирование стружкообразования при лезвийном резании волоконно-армированной композитной заготовки объемного плетения. Часть 1: обзор и модели материалов

Автор: Щуров И.А., Щурова Е.И., Вольф Г.В., Морозов А.В.

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение @vestnik-susu-engineering

Рубрика: Численные методы моделирования

Статья в выпуске: 2 т.24, 2024 года.

Бесплатный доступ

Для получения точных деталей из волоконно-армированных композитных материалов (ВКМ) объемного плетения ортогональной структуры все чаще применяется лезвийная обработка. Недостатком этого процесса обработки является появление на обработанной поверхности повышенной ворсистости, отрывов волокон от матрицы, отслаиваний и сколов. Для минимизации этого недостатка одним из решений является применение рациональных параметров инструментов и рационального движения лезвия инструмента по отношению к осям волокон. Данное движение может быть выявлено на основе численного компьютерного микромоделирования процесса стружкообразования. Однако для такого моделирования необходимо иметь как геометрическую модель самого композита, так и модели материалов, из которых он составлен, включая модель граничного слоя между волокнами и матрицей. Наиболее перспективным видом микромоделирования резания представляется моделирование на основе метода гидродинамики сглаженных частиц - Smooth Particle Hydrodynamics (SPH). Пока не удалось обнаружить в опубликованной литературе SPH-микромодели композитов объемного плетения с граничными слоями. Не удалось найти и модели материалов для граничных слоев матрица - волокно. С целью решения задачи рационального резания лезвийными инструментами заготовок из ВКМ выполнен анализ опубликованных моделей материалов и параметров таких моделей для последующего их использования в SPH-моделировании процесса резания. Анализ позволил выбрать требуемые модели материалов и их параметры для материалов волокон и матрицы применительно к металлическому композиту. На основе анализа полученных по таким моделям графиков были выбраны параметры для модели граничного слоя волокно - матрица. В основе данного выбора лежит гипотеза, что такой граничный слой должен быть описан той же моделью, что будет применяться для самой матрицы, но с параметрами, определяющими меньшие напряжения разрушения. Полученные решения планируется применить для моделирования лезвийного резания заготовки из ВКМ объемного плетения во второй части статьи.

Еще

Волоконно-армированный композит, обработка резанием, стружкообразование, численное моделирование, метод гидродинамики сглаженных частиц, модель материала джонсона-кука, модель материала граничного слоя волокно-матрица

Короткий адрес: https://sciup.org/147243977

IDR: 147243977   |   DOI: 10.14529/engin240206

Список литературы Численное моделирование стружкообразования при лезвийном резании волоконно-армированной композитной заготовки объемного плетения. Часть 1: обзор и модели материалов

  • Jaspers S.P.F.C. Metal Cutting Mechanics and Material Behaviour. Research Report for CIVE 498. Eindhoven: Technicshe Universiteit Eindhoven, USA, 1999. 156 p.
  • Banerjee B. Taylor impact tests: detailed report. Report No. C-SAFE-CDIR-05-001, Salt Lake City , USA, 2005. 95 p.
  • Степанов А.А. Обработка резанием высокопрочных композиционных полимерных материалов, Л.: Машиностроение, 1987. 176 с.
  • Ходырев В.И., Филиппов М.Н. О процессе образования ворса при резании волокнистых полимерных композитов // Машиностроение: республиканский межведомственный сборник научных трудов. Минск: Вышэйшая школа, 1988, Вып. 13. С. 65–69.
  • Wang D.H., Ramulu M., Arola D.D. Orthogonal cutting mechanisms of graphite/epoxy composite. Part I: Uni-directional laminate// International Journal of Machine Tools & Manufacture, 1995, vol. 35(12), pp. 1623–1638. DOI: 10.1016/0890-6955(95)00014-O
  • Puw H.Y., Hocheng H. Milling of polymer composites In: Jahanmir S, Ramulu M (ed) Machin-ing of ceramics and composites. Marcel Dekker Book, 1999, p. 267–294.
  • Саленко А.Ф., Ченчевая О.А., Лашко Е.Е., Щетинин В.Т. Формирование дефектного по-верхностного слоя при разрезке деталей из карбон-карбоновых и карбон-полимерных компози-тов// Восточно-Европейский журнал передовых технологий, 2018, № 1 (94), с. 62–73. DOI: 10.15587/1729-4061.2018.139556
  • Davim J.P. Machining: fundamentals and recent advances. Springer-Verlag London Limited, 2008. 361 p. DOI: 10.1007/978-1-84800-213-5
  • Rao G.V., Mahajan P., Bhatnagar N. Machining of UD-CFRP composites: experiments and finite element modeling // In: Proceedings of the 13th European Conference on Composite Materials (ECCM13), 2008, pp. 1–10.
  • Wang X.M., Zhang L. An experimental investigation into the orthogonal cutting of unidirec-tional fibre reinforced plastics // International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2003, vol. 43, pp. 1015–1022. DOI: 10.1016/S0890-6955(03)00090-7
  • Ahmad J., Ahmad J. Machining of Polymer Composites. Springer, 2008, 315 p. DOI: 10.1007/978-0-387-68619-6
  • Pramanik A., Zhang L., Arsecularatne J.A. An FEM investigation into the behavior of metal matrix composites: tool-particle interaction during orthogonal cutting // International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2007, vol. 47(10), pp. 1497–1506. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2006.12.004
  • Santiuste C., Soldani X., Miguélez M.H. Machining FEM model of long fiber composites for aeronautical components // Composite Structures, 2010, vol. 92, pp. 691–698. DOI: 10.1016/ j.compstruct.2009.09.021
  • Nayak D.K., Bhatnagar N., Mahajan P. Machining studies of UD-FRP composites. Part 2: Finite element analysis // Machining Science and Technology, 2005, vol. 9, pp. 503–528. DOI: 10.1080/ 10910340500398183
  • Dandekar C.R., Shin Y.C. Multi-Phase Finite Element Modeling of Machining Unidirectional Fiber Reinforced Composites // Proceedings of the 2007 International Manufacturing Science And En-gineering Conference, 2007, pp. 1–10. DOI: 10.1115/MSEC2007-31111
  • Dandekar C.R., Shin Y.C. Modeling of machining of composite materials: A review // Interna-tional Journal of Machine Tools & Manufacture, 2012, vol. 57, pp. 102–121. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2012.01.006
  • Umer U., Ashfaq M., Qudeiri J.E., Hussein M., Al-Ahmari A., Arabia S. Finite element model-ing of the orthogonal machining of particle reinforced aluminum based metal matrix composites // MM Science Journal, 2014, vol. 12, pp. 511–515. DOI: 10.17973/MMSJ.2014_12_201416
  • Abena A., Essa K. 3D micro-mechanical modelling of orthogonal cutting of UD-CFRP using smoothed particle hydrodynamics and finite element methods // Composite Structures. 2019, vol. 218(15), pp. 174–192. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.03.037
  • Ghandehariun A., Nazzal M.A., Kishawy H.A., Umer U. On modeling the deformations and tool-workpiece interactions during machining metal matrix composites // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, vol. 91, pp. 1507–1516. DOI: 10.1007/s00170-016-9776-9
  • Chegdani F., Mansori M.E. Numerical Modeling of the Machining Behavior of Natural Fiber Composites. In Encyclopedia of Materials: Composites, 3, Elsevier, 2021, pp. 197–208. DOI: 10.1016/b978-0-12-819724-0.00016-1
  • Wang F., Gu T., Wang X., Jin X.Z., Zhang B. Analysis of Burr and Tear in Milling of Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) Using Finite Element Method // Applied Composite Materials, 2021, vol. 28, pp. 991–1018. DOI: 10.1007/s10443-021-09896-w
  • Макаров В.Ф., Койнов И.И., Кумар Д. Особенности деформационных явлений в процессе стружкообразования при ортогональном резании композиционных материалов // Наукоемкие технологии в машиностроении, 2018, № 6(84), С. 38–43. DOI: 10.30987/article_5b0e4112e75727. 70350616
  • Usui S., Wadell J., Marusich T.D. Finite Element Modeling of Carbon Fiber Composite Orthog-onal Cutting and Drilling. In International Conference on High Performance Cutting, 2014, pp. 211–216. DOI: 10.1016/j.procir.2014.03.081
  • Shetty N., Shahabaz S., Sharma S., Shetty S. A review on finite element method for machining of composite materials // Composite Structures, 2017, vol. 176, pp. 790–802. DOI: 10.1016/ j.compstruct.2017.06.012
  • Vyavahare S.S., Pathare Y.S., Shelke S.V. Finite element analysis of CFRP composite material machining: A Review // International Research Journal of Engineering and Technology, 2018, vol. 5(01), pp. 854–860.
  • Dehmer A., Prinz S., Breuer P., Barth S., Bergs T. Simulation of machining behaviour of two-phase brittle materials during grinding by modelling single-grain scratching using a combination of FE and SPH methods // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2023, vol. 128, pp. 1709–1723. DOI: 10.1007/s00170-023-12006-8
  • Shchurov, I.A., Nikonov, A.V., Boldyrev, I.S. SPH-Simulation of the Fiber-Reinforced Compo-site Workpiece Cutting for the Surface Quality Improvement // Procedia Engineering, 2016, vol. 150, pp. 860–865. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.029
  • Shchurov I.A., Boldyrev I.S., Nikonov A.V., Shchurova, E.I. Chip Formation in the Cutting of Composites // Russian Engineering Research, 2020, vol. 40 (4), pp. 336–339. DOI: 10.3103/S1068798X2004019X
  • Diaz O.G., Luna G.G., Liao Z., Axinte D.A. The new challenges of machining Ceramic Matrix Composites (CMCs): Review of surface integrity // International Journal of Machine Tools and Manu-facture. 2019, vol. 139, pp. 24–36. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2019.01.003
  • Liu J., Li J., Xu C. Interaction of the cutting tools and the ceramic-reinforced metal matrix com-posites during micro-machining: A review // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2014, vol. 7, pp. 55–70. DOI: 10.1016/j.cirpj.2014.01.003
  • Раскутин А.Е., Хрульков А.В., Гирш А.В. Технологические особенности механообработки композиционных материалов при изготовлении деталей конструкций (обзор) // Труды ВИАМ, 2016, № 9(45), С. 12. DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-9-12-12
  • Зубарев Ю.М., Приемышев А.В., Заостровский А.С. Особенности лезвийной обработки резанием заготовок из полимерных композиционных материалов // Наукоемкие технологии в машиностроении, 2018, № 2(80), С. 40–48.
  • Зубарев Ю.М., Приемышев А.В., Особенности стружкообразования при обработке полимерных композиционных материалов // Наукоемкие технологии в машиностроении, 2019, № 8(98), С. 36–40. DOI: 10.30987/article_5d2635cb77dfd6.90010587
  • Зубарев Ю. М., Приемышев А.В., Заостровский А.С. Особенности технологии механической обработки углепластиков // Наукоемкие технологии в машиностроении, 2016, № 5(59), С. 30–33.
  • Криворучко Д.В., Залога В.А., Колесник В.А. Механическая обработка композиционных материалов: монография. Сумы: Университетская книга, 2013. 272 с.
  • Макаров В.Ф., Мешкас А.Е., Ширинкин В.В. Исследование проблем механической обработки современных высокопрочных композиционных материалов, используемых для производства деталей авиационной и ракетно-космической техники // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение, 2015, Т. 17, № 2, С. 30–41.
  • Caprino G., Langella A. Analysing cutting forces in machining processes for polymer-based composites // Machining Technology for Composite Materials: Principles and Practice, 2012, pp. 75–115. DOI: 10.1533/9780857095145.1.75
  • Song C., Jin X. Nonlinearity and periodicity in machining carbon fiber reinforced polymer // Manufacturing Letters, 2023, vol. 35, pp. 423–429.
  • Patel P., Chaudhary V., Patel K., Gohil P. Milling of Polymer Matrix Composites: A Review // International Journal of Applied Engineering Research, 2018, vol. 13(10), pp. 7455–7465.
  • Morandeau A.E., Bohlmark J., Leroy R., Bonhoure D., Chibane H., Bouchou A. Carbon fiber reinforced plastics machining: surfacing strategy for reducing cutting forces // In Comptes Rendus des JNC 17, 2011, pp. 1–10.
  • Hagino M., Inoue T. Effect of Carbon Fiber Orientation and Helix Angle on CFRP Cutting Characteristics by End-Milling // Int. J. Autom. Technol., 2013, vol. 7, pp. 292–299.
  • Azmi A.I. Chip formation studies in machining fibre reinforced polymer composites // Interna-tional Journal of Materials & Product Technology, 2013, vol. 46(1), pp. 32–46.
  • Bílek O. Cutting-tool performance in the end milling of carbon-fiber-reinforced plastics // Mate-rials and technology, 2016, vol. 50(5), pp. 819–822. DOI: 10.17222/mit.2015.153
  • Hintze W., Brügmann F. Influence of Curved Workpiece Contours on Delamination During end Milling of FRP // Procedia CIRP, 2017, vol. 62, pp. 62–67. DOI: 10.1016/j.procir.2016.06.115
  • Ghafarizadeh S., Chatelain J., Lebrun G. Multi axis machining of high performance CFRP for aerospace industry. In The 19th international conference on composite materials, 2013, pp. 4027–4034.
  • Kasim M.S., Mohamad W.N., Izamshah R., Mohamad N., Rosnan H., Sundi S.A., Hassan M.H., Ito T., Kasa Z.C. Analysis of Carbon Fiber-Reinforced Polymer Composites Delamination during Vibra-tion Assisted Trimming using Historical Data Design // Malaysian Journal on Composites Science and Manufacturing, 2021, vol. 6(1), pp. 1–13. DOI: 10.37934/mjcsm.6.1.113
  • ANSYS, LS-DYNA. User's Guide. Release 16.1. USA. April, 2015, 202 p.
  • Rasheed M.F., Wu C., Raza A. Effect of Explosive Reactive Armour Cover Plate on Interaction of ERA and Explosively Formed Projectile // Shock and Vibration, 2019, Article ID 6093621, 10 р. DOI: 10.1155/2019/6093621
  • Jutras M. Improvement of the characterisation method of the Johnson-Cook model. Quebec, Canada: 2008, 73 p.
  • Zouhar J., Píška M. Modelling the orthogonal machining process using cutting tools with differ-ent geometry. In MM Science Journal, 2008, vol. 10, pp. 49–52. DOI: 10.17973/MMSJ.2008_10_ 20081006
  • Carbajal L.A., Jovicic J., Kuhlmann H. Assault Riffle Bullet-Experimental Characterization and Computer (FE) Modeling. In Experimental and Applied Mechanics, 2011, vol. 6, pp. 1–18. DOI: 10.1007/978-1-4614-0222-0_77
  • Murugesan M., Jung D.W.Johnson Cook Material and Failure Model Parameters Estimation of AISI-1045 Medium Carbon Steel for Metal Forming Applications // Materials, 2019, vol. 12, pp. 1–18. DOI: 10.3390/ma12040609
  • Sedi M., Faderl N., Becker M. Wang, W. Modelling back face deformation of woven layered composite targets under oblique impact. In 12th European LS-DYNA Conference, Koblenz, DE, 2019, pp. 1–10.
  • Wang K. Calibration of the Johnson-Cook failure parameters as the chip separation criterion in the modelling of the orthogonal metal cutting process, Report, Hamilton, Ontario, Canada 2016, 103 p. URL: http://hdl.handle.net/11375/19091
  • Jamal-Omidi M., Suki M. R. M. A Numerical Study on Aluminum Plate Response under Low Velocity Impact // International Journal of Engineering – Transactions C: Aspects, 2017, vol. 30, pp. 439–447. DOI: 10.5829/idosi.ije.2017.30.03c.14
  • Leclerc P. Constitutive models investigation to simulate damage-failure of Aluminium (Al) 6061-T6. Scientific Report DRDC-RDDC-R198, Canada, 2018, 58 p.
  • Borja E.E. Flow and Fracture Behavior of High Performance Alloys. Report. Madrid, 2012, 216 p. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/Flow-and-fracture-behaviour-of-high-performance-Ech %C3 %A1varri/1e947e19f615b2946a5e1671d318345c574c6f89
  • Corbett B.M. Numerical simulations of target hole diameters for hypervelocity impacts into ele-vated and room temperature bumpers // International Journal of Impact Engineering, 2006, vol. 33, pp. 431–440. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2006.09.086
  • Jaspers S.P.F.C., Dautzenberg J.H. Material behavior in conditions similar to metal cutting: flow stress in the primary shear zone // J Mat Proc Technol, 2002, vol. 122 (2-3), pp. 322–330. DOI: 10.1016/S0924-0136(01)01228-6
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp