Скінченно-елементне моделювання процесу мікрофрезерування нітинолу

Олег Олегович Томашевський; Наталія Олександрівна Балицька; Олександр Іванович Прилипко

doi:10.26642/ten-2024-1(93)-81-88

Автор(и)

Олег Олегович Томашевський Державний університет «Житомирська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0003-2639-1866
Наталія Олександрівна Балицька Державний університет «Житомирська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0003-1363-8110
Олександр Іванович Прилипко Державний університет «Житомирська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0003-0783-1942

DOI:

https://doi.org/10.26642/ten-2024-1(93)-81-88

Ключові слова:

NiTi, паз, сила різання, мікрофреза, DEFORM-3D

Анотація

У багатьох галузях промисловості стрімко зростає попит на мініатюрні високоточні вироби, що стимулює потребу в ефективних технологіях їх виготовлення. Мікрофрезерування є найбільш універсальним процесом мікрорізання металів і сплавів. Мікрофрезерування характеризується складними умовами стружкоутворення та високими питомими силами різання. Під час обробки таких важкооброблюваних матеріалів, як нітиноли, ці негативні ефекти значно підсилюються через їх особливі фізико-механічні властивості. Тому дослідження процесів мікрофрезерування нітинолів з метою забезпечення високої ефективності їх обробки є актуальним питанням для сучасного рівня металообробних технологій. Робота присвячена розробці скінченно-елементної моделі обробки паза на плоскій поверхні заготовки з нітинолу (Ni_56,5Ti_43,5за вагою) двозубою твердосплавною мікрофрезою у програмному комплексі DEFORM-3D. Покроково описано етапи розробки моделі. Розглянуто особливості підготовки CAD-моделей заготовки та фрези, налаштування властивостей інструменту, визначення моделі поведінки оброблюваного матеріалу, генерації скінченно-елементної сітки, налаштування умов контакту. В результаті скінченно-елементного моделювання процесу сухого мікрофрезерування нітинолу фрезою діаметром 1 мм було визначено сили різання для такого режиму обробки: швидкість різання – 20 м/хв, глибина різання – 0,2 мм, подача на зуб – 0,003 мм. Адекватність розробленої моделі підтверджено порівнянням з результатами власних експериментальних вимірювань сил різання для аналогічних умов обробки. Розроблена скінченно-елементна модель мікрофрезерування буде використана для подальшої оптимізації технологічних параметрів різання нітинолу з метою підвищення ефективності процесу мікрообробки цього матеріалу.

Посилання

Tomashevskyi, O.O. and Balytska, N.O. (2023), «Protses mikrofrezeruvannia metaliv i splaviv: analitychnyi ohliad», Tekhnichna inzheneriia, No. 2 (92), pp. 74–88, doi: 10.26642/ten-2023-2(92)-74-88.

Balytska, N.O. (2022), «Osoblyvosti tortsevoho frezeruvannia splaviv Ni-Ti z efektom pamiati formy», Tekhnichna inzheneriia, No. 2 (90), pp. 3–12, doi: 10.26642/ten-2022-2(90)-3-12.

Koziar, Ya.A., Balytska, N.O. and Polonskyi, L.H. (2023), «Analitychnyi ohliad osoblyvostei frezeruvannia zharomitsnykh splaviv», Visnyk Khmelnytskoho natsionalnoho universytetu. Tekhnichni nauky, No. 6 (329), pp. 166–171.

Balytska, N.O. (2024), «Perspektyvy zastosuvannia mikrofrezeruvannia dlia modyfikatsii zmochuvalnykh vlastyvostei poverkhon nitynoliv», Suchasni tekhnolohii u promyslovomu vyrobnytstvi, materialy XI Vseukrainskoi naukovo-tekhnichnoi konferentsii, 23–26 kvitnia, Sumskyi derzhavnyi universytet, Sumy, pp. 78–79.

Vyhovskyi, H. et al. (2022), «Numerical Simulation of Cutting Forces in Face Milling», Lecture Notes in Mechanical Engineering, pp. 222–231, doi: 10.1007/978-3-031-16651-8_21.

Anand, R.S. and Patra, K. (2014), «Modeling and Simulation of Mechanical Micro-Machining – A Review», Machining Science and Technology, Vol. 18, No. 3, pp. 323–347, doi: 10.1080/10910344.2014.925377.

Afazov, S.M., Ratchev, S.M. and Segal, J. (2010), «Modelling and simulation of micro-milling cutting forces», Journal of Materials Processing Technology, Vol. 210, No. 15, pp. 2154–2162, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2010.07.033.

Jin, X. and Altintas, Y. (2012), «Prediction of micro-milling forces with finite element method», Journal of Materials Processing Technology, Vol. 212, No. 3, pp. 542–552, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2011.05.020.

Pratap, T., Patra, K. and Dyakonov, A.A. (2015), «Modeling Cutting Force in Micro-Milling of Ti-6Al-4V Titanium Alloy», Procedia Engineering, Vol. 129, pp. 134–139, doi: 10.1016/j.proeng.2015.12.021.

Davoudinejad, A., Parenti, P. and Annoni, M. (2017), «3D finite element prediction of chip flow, burr formation, and cutting forces in micro end-milling of aluminum 6061-T6», Frontiers of Mechanical Engineering, Vol. 12, No. 2, pp. 203–214, doi: 10.1007/s11465-017-0421-6.

Thepsonthi, T. and Özel, T. (2013), «Experimental and finite element simulation based investigations on micro-milling Ti-6Al-4V titanium alloy: Effects of cBN coating on tool wear», Journal of Materials Processing Technology, Vol. 213, No. 4, pp. 532–542, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2012.11.003.

Dhanorker, A. and Özel, T. (2006), «An Experimental and Modeling Study on Meso/Micro End Milling Process», ASME 2006 International Manufacturing Science and Engineering Conference, Ypsilanti, Michigan, USA, 8–11 October, doi: 10.1115/msec2006-21127.

Ucun, I., Aslantas, K. and Bedir, F. (2016), «Finite element modeling of micro-milling: Numerical simulation and experimental validation», Machining Science and Technology, Vol. 20, No. 1, pp. 148–172, doi: 10.1080/10910344.2016.1147650.

Thepsonthi, T. and Özel, T. (2015), «3-D finite element process simulation of micro-end milling Ti-6Al-4V titanium alloy: Experimental validations on chip flow and tool wear», Journal of Materials Processing Technology, Vol. 221, pp. 128–145, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2015.02.019.

Yang, K. et al. (2010), «Tool edge radius effect on cutting temperature in micro-end-milling process», The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 52, No. 9–12, pp. 905–912, doi: 10.1007/s00170-010-2795-z.

Deform 3d v61, [Online], available at: https://vdocuments.mx/deform-3d-v61-manual.html

Tomashevskyi, O.O. and Balytska, N.O. (2024), «Utvorennia zadyrok pry mikrofrezeruvanni nitynolu», Tezy dop. Vseukr. nauk.-prakt. on-line konf. zdobuvachiv vyshchoi osvity i molodykh uchenykh, prysviachenoi Dniu nauky, Zhytomyr, pp. 125–126.

Hoffmann Group, [Online], available at: https://www.hoffmann-group.com/FI/en/ravemaf/Machining/Milling/Shoulder-mills/Mono-shoulder-mills/GARANT-Master-Titan-solid-carbide-mini-milling-cutter-HPC-TiAlN/p/202287-1?tId=951

Список використаної літератури:

Томашевський О.О. Процес мікрофрезерування металів і сплавів: аналітичний огляд / О.О. Томашевський, Н.О. Балицька // Технічна інженерія. – 2023. – № 2 (92). – С. 74–88. DOI: 10.26642/ten-2023-2(92)-74-88.

Балицька Н.О. Особливості торцевого фрезерування сплавів Ni-Ti з ефектом пам’яті форми / Н.О. Балицька // Технічна інженерія. – 2022. – № 2 (90). – С. 3–12. DOI: 10.26642/ten-2022-2(90)-3-12.

Козяр Я.А. Аналітичний огляд особливостей фрезерування жароміцних сплавів / Я.А. Козяр, Н.О. Балицька, Л.Г. Полонський // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. – 2023. – № 6 (329). – С. 166–71.

Балицька Н.О. Перспективи застосування мікрофрезерування для модифікації змочувальних властивостей поверхонь нітинолів / Н.О. Балицька // Сучасні технології у промисловому виробництві : матеріали XI Всеукраїнської науково-технічної конференції, 23–26 квітня. – Суми : Сумський державний університет, 2024. – С. 78–79.

Numerical Simulation of Cutting Forces in Face Milling / H.Vyhovskyi and other // Lecture Notes in Mechanical Engineering. – 2022. – P. 222–231. DOI: 10.1007/978-3-031-16651-8_21.

Anand R.S. Modeling and Simulation of Mechanical Micro-Machining – A Review / R.S. Anand, K.Patra // Machining Science and Technology. – 2014. – Vol. 18, № 3. – P. 323–347. DOI: 10.1080/10910344.2014.925377.

Afazov S.M. Modelling and simulation of micro-milling cutting forces / S.M. Afazov, S.M. Ratchev, J.Segal // Journal of Materials Processing Technology. – 2010. – Vol. 210, № 15. – P. 2154–2162. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2010.07.033.

Jin X. Prediction of micro-milling forces with finite element method / X.Jin, Y.Altintas // Journal of Materials Processing Technology. – 2012. – Vol. 212, № 3. – P. 542–552. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2011.05.020.

Pratap T. Modeling Cutting Force in Micro-Milling of Ti-6Al-4V Titanium Alloy / T.Pratap, K.Patra, A.A. Dyakonov // Procedia Engineering. – 2015. – Vol. 129. – P. 134–139. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.12.021.

Davoudinejad A. 3D finite element prediction of chip flow, burr formation, and cutting forces in micro end-milling of aluminum 6061-T6 / A.Davoudinejad, P.Parenti, M.Annoni // Frontiers of Mechanical Engineering. – 2017. – Vol. 12, № 2. – P. 203–214. DOI: 10.1007/s11465-017-0421-6.

Thepsonthi T. Experimental and finite element simulation based investigations on micro-milling Ti-6Al-4V titanium alloy: Effects of cBN coating on tool wear / T.Thepsonthi, T.Özel // Journal of Materials Processing Technology. – 2013. – Vol. 213, № 4. – P. 532–542. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2012.11.003.

Dhanorker A. An Experimental and Modeling Study on Meso/Micro End Milling Process / A.Dhanorker, T.Özel // ASME 2006 International Manufacturing Science and Engineering Conference, 8–11 October. – Ypsilanti, Michigan, USA, 2006. DOI: 10.1115/msec2006-21127.

Ucun I., Finite element modeling of micro-milling: Numerical simulation and experimental validation / I.Ucun, K.Aslantas, F.Bedir // Machining Science and Technology. – 2016. – Vol. 20, № 1. – P. 148–172. DOI: 10.1080/10910344.2016.1147650.

Thepsonthi T. 3-D finite element process simulation of micro-end milling Ti-6Al-4V titanium alloy: Experimental validations on chip flow and tool wear / T.Thepsonthi, T.Özel // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 221. – P. 128–145. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2015.02.019.

Tool edge radius effect on cutting temperature in micro-end-milling process / K.Yang and other // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2010. – Vol. 52, № 9–12. – P. 905–912. DOI: 10.1007/s00170-010-2795-z.

Deform 3d v61 [Electronic resource]. – Access mode : https://vdocuments.mx/deform-3d-v61-manual.html.

Томашевський О.О. Утворення задирок при мікрофрезеруванні нітинолу / О.О. Томашевський, Н.О. Балицька // Тези доп. Всеукр. наук.-практ. on-line конф. здобувачів вищої освіти і молодих учених, присвяченої Дню науки. – Житомир, 2024. – С. 125–126.

Hoffmann Group [Electronic resource]. – Access mode : https://www.hoffmann-group.com/FI/en/ravemaf/Machining/Milling/Shoulder-mills/Mono-shoulder-mills/GARANT-Master-Titan-solid-carbide-mini-milling-cutter-HPC-TiAlN/p/202287-1?tId=951.