Numerical modeling of metal cutting processes using the Particle Finite Element Method

Metal cutting or machining is a process in which a thin layer or metal, the chip, is removed by a wedge-shaped tool from a large body. Cutting is a complex physical phenomena in which friction, adiabatic shear bands, excessive heating, large strains and high rate strains are present. Tool geometry, rake angle and cutting speed play an important role in chip morphology, cutting forces, energy consumption and tool wear. The main objective of this work is precisely to contribute to solve some of the problems described above through the extension of the Particle Finite Element Method (PFEM) to thermo-mechanical problems in solid mechanics which involve large strains and rotations, multiple contacts and generation of new surfaces, with the main focus in the numerical simulation of metal cutting process. The new ingredients of PFEM are focused on the insertion and remotion of particles, the use of constrained Delaunay triangulation and a novel transfer operator of the internal variables. The thermo-mechanical problem, formulated in the framework of continuum mechanics, is integrated using an isothermal split in conjunction with implicit, semi-explicit and IMPLEX schemes. The tool has been discretized using a standard three-node triangle finite element. The workpiece has been discretized using a mixed displacement-pressure finite element to deal with the incompressibility constraint imposed by plasticity. The mixed finite element has been stabilized using the Polynomial Pressure Projection (PPP), initially applied in the literature to the Stokes equation in the field of fluid mechanics. The behavior of the tool is described using a Neo-Hookean Hyperelastic constitutive model. The behavior of the workpiece is described using a rate dependent, isotropic, finite strain j2 elastoplasticity with three different yields functions used to describe the strain hardening, the strain rate hardening and the thermal softening (Simo, Johnson Cook, Baker) of different materials under a wide variety of cutting conditions. The friction at the tool chip interface is modeled using the Norton-Hoff friction law. The heat transfer at the tool chip interface includes heat transfer due to conduction and friction. To validate the proposed mixed displacement-pressure formulation, we present three benchmark problems which validate the approach, namely, plain strain Cook ¿s membrane, the Taylor impact test and a thermo-mechanical traction test. The isothermal-IMPLEX split presented in this work has been validated using a thermo-mechanical traction test. Besides, in order to explore the possibilities of the numerical model as a tool for assisting in the design and analysis of metal cutting processes a set of representative numerical simulations are presented in this work, among them: cutting using a rate independent yield function, cutting using different rake angles, cutting with a deformable tool and a frictionless approach, cutting with a deformable tool including friction and heat transfer, the transition from continuous to serrated chip formation increasing the cutting speed. Our simulations demonstrate the ability of the PFEM to predict chip morphologies consistent with experimental observations. Also, our results show that the suitable selection of the global time integration scheme may involve savings in computation time up to 9 times. Furthermore, this work present a sensibility analysis to cutting conditions by means of a Design of Experiments (DoE). The Design of Experiments carried out with PFEM has been compared with DoE carried out with AdvantaEdge, Deform, Abaqus and Experiments. The results obtained with PFEM and other numerical simulations are very similar, while, a comparison of numerical simulations and experiments show some differences in the output variables that depend on the friction phenomena. The results suggest that is necessary to improve the modelization of the friction at the tool-chip interface.El mecanizado de metal es un proceso en el que una capa delgada de metal se retira por una herramienta en forma de cuña de un cuerpo grande. El corte es un complejo de fenómenos físicos en los que la fricción, bandas de cizalla adiabáticas, calentamiento excesivo, grandes deformaciones y de alta velocidad de las herramientas están presentes. La geometría de la herramienta, ángulo de ataque y la velocidad de corte juegan un papel importante en la morfología de la viruta, las fuerzas, el consumo de energía y desgaste de la herramienta de corte. El objetivo principal del trabajo es contribuir precisamente a resolver algunos de los problemas descritos anteriormente a travésde la extensión del PFEM a los problemas termo-mecánicos en mecánica de sólidos que implican grandes deformaciones y rotaciones, múltiples contactos y generación de nuevas superficies, con el foco principal en la simulación numérica de procesos de corte de metal. El problema termomecánico, formulado en el marco de la mecánica de medios continuos, se integra usando un esquema isotérmico junto con esquemas implícitos, semi-explícito y Implex. La herramienta ha sido discretizado utilizando un elemento finito triangular de tres nodos estándar. La pieza se discretizado utilizando un elemento finito desplazamiento presión mixta para hacer frente a la condición de incompresibilidad impuesto por la plasticidad. El elemento finito mixto se ha estabilizado mediantela proyección polinómica Presión, aplicado inicialmente en la literatura para la ecuación de Stokes. El comportamiento de la herramienta se describe usando un modelo constitutivo hiperelástico Neo Hookean. El comportamiento de la pieza de trabajo se describe usando un modelo isotrópico, con elastoplasticidad j2 y con tres funciones diferentes que se utilizan para describir el endurecimiento por deformación, endurecimiento de la velocidad de deformación y el ablandamiento térmico de diferentes materiales bajo una amplia variedad de condiciones de corte. La fricción en la interfaz de la herramienta-viruta se modela utilizando la fricción ley Norton-Hoff . La transferencia de calor en la interfase herramienta-viruta incluye la transferencia de calor por conducción y por fricción. Para validar la formulación desplazamiento presión mixto propuesto, se presentan tres problemas de referencia (la membrana de la tensión normal de Cook, la prueba de impacto Taylor y una prueba de tracción termomecánica ). La división isotérmica -IMPLEX presentada en este trabajo ha sido validado mediante un ensayo de tracción termomecánica. Además, con el fin de explorar las posibilidades del modelo como una herramienta para ayudar en el análisis de los procesos decorte de metal, un conjunto de simulaciones se presentan en este trabajo, entre ellas : corte de una material con tensión defluencia independiente de la tasa de deformación, cortando utilizando diferentes ángulos de ataque, corte con herramientas decorte deformables incluyendo la fricción y la transferencia de calor, la transición de la continua para la formación de virutadentada aumento de la velocidad de corte. Además, nuestros resultados muestran que la selección adecuada del esquema global de integración de tiempo puede suponer un ahorro en el tiempo de cálculo hasta 9 veces. Por otra parte, este trabajo presenta un análisis de sensibilidad a las condiciones de corte mediante un diseño de experimentos (DOE). El diseño de experimentos con el llevado a cabo PFEM ha sido comparada con la llevada a cabo con el DoEAdvantaEdge, deforme, Abaqus y experimentos. Los resultados obtenidos con PFEM y otras simulaciones numéricas son muy similares, mientras que, en comparación de las simulaciones numéricas y experimentos muestran algunas diferencias en las variables de salida que dependen de los fenómenos de fricción. Los resultados sugieren que es necesario mejorar la modelización de la fricción en la interfaz de la herramienta-viruta