Implementación de metodologías basadas en CAD y de elementos finitos no lineales 3D en el modelado de procesos de mecanizado

Material removal is one of the most important shaping processes in the industry. Moreover, a wide variety of products spanning from a simple hand tool to an aircraft part can be produced via machining. These significant facts along with the constant need for evolution in engineering became the foundation for the present thesis. The primary objective during research and development in the FEM-based machining area, focus on: increasing the accuracy of the developed FE models, reducing the preparation time and minimizing the required experimental work.In order to achieve the high standards and to ensure the reliability of the cutting processes, new methods of theoretical analysis must be determined. Additionally, new simulation models are required to cover the continuous development of cutting tools. In the light of these considerations, an extensive literature survey was carried out as a first step towards the deeper understanding of previous works in the field. Next, the processing of the findings revealed certain topics that required further investigation or improvement. Such topics include: The accuracy improvement during FE modelling. The investigation for the effect of critical machining conditions on several parameters such as the developed cutting forces, the chip morphology, as well as the stress and the temperature distribution. And the establishment of efficient and user-friendly prediction models.Upon finalizing the literature survey, the research was divided into four stages. The first stage is associated with the enhancement of the accuracy in FE modelling. The second one deals with the FE modelling of drilling and turning operations in three dimensions, assisted with CAD-based techniques. The third stage is related to the machining investigation into industrial materials under critical cutting conditions. Finally, the last one presents the development of prediction models with the aid of statistical methodologies.1) Most researchers use in their studies either cutting tool models provided by manufacturers or design them by themselves. However, in the first case it ispossible that the yielded simulation results may be of low accuracy, due to the fact that the models downloaded from a manufacturer’s site are usually simplified and often miss critical geometric characteristics. In the latter, the researcher may be forced to spend hours for repetitive design tasks that could be frustrating, especially when design errors occur. To avoid confusions and to focus on more creative tasks, an application for the automated design of cutting tools was designed and developed with the aid of Application Programming Interface (API) of SolidWorks™ CAD system. In this stage, the programming resources of SolidWorks™ were employed, combined with the parametric design strategy so that the conception of the application could be achieved.2) With the finalization of the application, a number of 3D FE models were prepared and the equivalent cutting tools were generated for testing purposes. The simulation tests completed successfully and the acquired results revealed an increased correlation with the corresponding experimental results. Later, similar FE models for drilling and turning were set, according to findings and recommendations from already published works, by using modern FEA software,namely DEFORM™-3D. The material properties, the damage evolution, the friction approximation, as well as the thermal flow, were all set with respect toexperimental work carried out during this research, in addition to the findings that were published by experts in the field. Furthermore, an effort to simplify the machining problems was made, by employing several well-established strategies such as the CAD-assisted configuration of the tool-workpiece interface and the mesh refinement localization.3) The third stage of the thesis is directly linked to the previous one. The acquired simulation results were processed with the aid of computing environments such as Excel™ and MATLAB®, so that the results can be converted into usable data sets. Later, the processed data were visualized and compared directly toequivalent findings that are available in the literature. This comparison showed that the developed FE models were in agreement with the ones found in already published studies. Furthermore, a number of experimental tests were carried out to further validate the accuracy of the developed FE models. In order to accurately perform the experimental work, a CNC machining center was utilized along with the measuring equipment (i.e. dynamometer). At the same time, an investigation regarding the effects of cutting speed, feed, depth of cut and tool geometry on the developed cutting forces was conducted. Specifically, the thrust forces generated during drilling were studied, as well as the machining components (radial, tangential and feed forces) induced during turning. In addition, both the chip evolution and morphology were studied with respect to the applied operation, material, tool and cutting conditions.Finally, the verified simulated results were used for the development of mathematical models that can predict the generated cutting forces within specific limits. The models that were represented by polynomial functions, can generate results of high accuracy instantly and without the need of any specialized software. The modelling was performed by utilizing the broadly used Response Surface Methodology (RSM), which in addition enhanced the visualization of the investigation concluded during stage three. To further strengthen the validity of the statistical models, the Analysis of Variance (ANOVA) was employed. Results from the analysis revealed that the developed models are robust and can be safely used for prediction purposes.The publication entitled “CAD-based automated design of FEA-ready cutting tools” presents an application for the automated generation of cutting tool models that can be directly imported to most commercially available FEA software. The application was developed by exploiting the programming resources of the API of SolidWorks™ and can cover a wide variety of cutting tools used in the turning processes. Additionally, it can be extended to generate more sets of tools by editing a fraction of the code. Moreover, the design procedure follows the proposed algorithm that is based on the parametric design technique.The published paper with title “FEM based mathematical modelling of thrust force during drilling of Al7075-T6” presents a 3D FE model for drilling of Al7075-T6, under a range of conditions that are recommended by most tool manufacturers. In addition, the selected aluminium alloy demonstrates excellent mechanical properties and is often used in the aerospace industry. Except the presentation of the FE model, the paper investigates the effects of the applied conditions and tool diameter on the generated thrust forces, as well as the produced chip formation with the aid of DEFORM™-3D and several computing tools and methodologies. In fact, the effects were graphically presented by using the RSM and additionally, a prediction model for the thrust forces was developed, which was verified with ANOVA. Finally, the paper describes the experimental work that was conducted to validate the numerical model.The publication entitled “3D FE modelling of machining forces during AISI 4140 hard turning” proposes a schematic in three dimensions for hard turning of AISI-4140 steel. The chosen material is another commonly used metal in the manufacturing industry. Moreover, the selected cutting conditions meet the manufacturer’s standards and recommendations. At the same time, this publication presents a statistical model for prediction purposes of the generated machining forces by using similar methodologies to the previously mentioned publication “FEM based mathematical modelling of thrust force during drilling of Al7075-T6”. Furthermore, a study on the performance of the cutting tool is included, according to the selected cutting speed, feed and depth of cut.Further investigation into the behavior of AISI-4140 steel during turning was conducted in the paper “Influence of the nose radius on the machining forces induced during AISI-4140 hard turning: A CAD-based and 3D FEM approach” to provide a better understanding of the induced turning force components, the chip morphology and formation. During this research, emphasis was given on the microgeometry of the tool models. For this reason, the CAD-based application presented in the paper “CAD-based automated design of FEA-ready cutting tools” was utilized. In addition, a CAD-assisted method was selected for the process layout setup. The paper contains findings regarding the influence of the cutting conditions on the induced turning forces, as well as theperformance of the cutting tools in terms of their microgeometry. Moreover, both a numerical and a statistical model of high accuracy are proposed.Η αφαίρεση υλικού είναι μια από τις πιο σημαντικές διαδικασίες διαμόρφωσης στη βιομηχανία. Επιπλέον, μια μεγάλη ποικιλία προϊόντων που εκτείνονται από ένα απλό εργαλείο χειρός έως ένα εξάρτημα αεροσκάφους μπορεί να παραχθεί μέσω μηχανικής κατεργασίας. Αυτά τα σημαντικά γεγονότα μαζί με τη συνεχή ανάγκη για εξέλιξη στη μηχανική αποτέλεσαν το θεμέλιο για την παρούσα διατριβή. Ο πρωταρχικός στόχος κατά τη διάρκεια της έρευνας και της ανάπτυξης στον τομέα μηχανικής κατεργασίας που βασίζεται σε FEM, εστιάζεται σε: αύξηση της ακρίβειας των αναπτυγμένων μοντέλων FE, μείωση του χρόνου προετοιμασίας και ελαχιστοποίηση της απαιτούμενης πειραματικής εργασίας. Για να επιτευχθούν τα υψηλά πρότυπα και να εξασφαλιστεί η αξιοπιστία των διαδικασιών κοπής, πρέπει να καθοριστούν νέες μέθοδοι θεωρητικής ανάλυσης. Επιπλέον, απαιτούνται νέα μοντέλα προσομοίωσης για την κάλυψη της συνεχούς ανάπτυξης των κοπτικών εργαλείων. Υπό το φως αυτών των εκτιμήσεων, πραγματοποιήθηκε μια εκτενής βιβλιογραφική έρευνα ως ένα πρώτο βήμα προς τη βαθύτερη κατανόηση προηγούμενων εργασιών στο πεδίο. Στη συνέχεια, η επεξεργασία των ευρημάτων αποκάλυψε ορισμένα θέματα που απαιτούσαν περαιτέρω διερεύνηση ή βελτίωση. Τέτοια θέματα είναι: Η βελτίωση της ακρίβειας κατά τη μοντελοποίηση FE. Η διερεύνηση της επίδρασης των κρίσιμων συνθηκών μηχανικής κατεργασίας σε διάφορες παραμέτρους όπως οι αναπτυγμένες δυνάμεις κοπής, η μορφολογία του αποβλίττου, καθώς και η τάση και η κατανομή θερμοκρασίας. Η δημιουργία αποτελεσματικών και φιλικών προς τον χρήστη μοντέλων πρόβλεψης. Μετά την ολοκλήρωση της βιβλιογραφικής έρευνας, η έρευνα χωρίστηκε σε τέσσερα στάδια. Το πρώτο στάδιο σχετίζεται με την ενίσχυση της ακρίβειας στη μοντελοποίηση FE. Το δεύτερο ασχολείται με τη μοντελοποίηση FE των εργασιών διάτρησης και τόρνευσης σε τρεις διαστάσεις, με τη βοήθεια τεχνικών που βασίζονται σε CAD. Το τρίτο στάδιο σχετίζεται με την έρευνα σε βιομηχανικά υλικά υπό κρίσιμες συνθήκες κοπής. Τέλος, το τελευταίο παρουσιάζει την ανάπτυξη μοντέλων πρόβλεψης με τη βοήθεια στατιστικών μεθοδολογιών.1) Οι περισσότεροι ερευνητές χρησιμοποιούν στις μελέτες τους είτε μοντέλα κοπτικών εργαλείων που παρέχονται από τους κατασκευαστές είτε τα σχεδιάζουν μόνοι τους. Ωστόσο, στην πρώτη περίπτωση είναι πιθανό τα αποτελέσματα της προσομοίωσης να είναι χαμηλής ακρίβειας, λόγω του γεγονότος ότι τα μοντέλα που λαμβάνονται από τον ιστότοπο ενός κατασκευαστή είναι συνήθως απλοποιημένα και συχνά τους λείπουν κρίσιμα γεωμετρικά χαρακτηριστικά. Στο τελευταίο, ο ερευνητής μπορεί να αναγκαστεί να αφιερώσει ώρες για επαναλαμβανόμενες εργασίες. Για να αποφευχθούν σφάλματα και να εστιάσει ο Μηχανικός ή ο ερευνητής σε πιο δημιουργικές εργασίες, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε μια εφαρμογή για την αυτοματοποιημένη σχεδίαση κοπτικών εργαλείων με τη βοήθεια της διεπαφής προγραμματισμού εφαρμογής (API) του συστήματος SolidWorks™. Σε αυτό το στάδιο, χρησιμοποιήθηκαν οι πόροι προγραμματισμού του SolidWorks™, σε συνδυασμό με την παραμετρική στρατηγική σχεδίασης.2) Με την ολοκλήρωση της εφαρμογής, προετοιμάστηκε ένας αριθμός μοντέλων 3D FE και δημιουργήθηκαν τα ισοδύναμα εργαλεία κοπής με σκοπό τη δοκιμή. Οι δοκιμές προσομοίωσης ολοκληρώθηκαν με επιτυχία και τα ληφθέντα αποτελέσματα αποκάλυψαν αυξημένη συσχέτιση με τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Αργότερα, παρόμοια μοντέλα FE για διάτρηση και τόρνευση ορίστηκαν, σύμφωνα με ευρήματα και συστάσεις από ήδη δημοσιευμένες εργασίες, με τη χρήση σύγχρονου λογισμικού FEA, συγκεκριμένα του DEFORM™-3D. Οι ιδιότητες του υλικού, η εξέλιξη της δημιουργίας του αποβλίττου, η προσέγγιση της τριβής, καθώς και η θερμική ροή, ορίστηκαν σε σχέση με την πειραματική εργασία που διεξήχθη κατά τη διάρκεια αυτής της έρευνας, επιπλέον των ευρημάτων που δημοσιεύθηκαν από ειδικούς στον τομέα. Επιπλέον, έγινε μια προσπάθεια να απλοποιηθούν τα προβλήματα μηχανικής κατεργασίας, με την εφαρμογή καθιερωμένων στρατηγικών όπως η διαμόρφωση, με τη βοήθεια CAD, της διεπαφής εργαλείου-τεμαχίου εργασίας και η βελτιστοποίηση του πλέγματος.3) Το τρίτο στάδιο της διατριβής συνδέεται άμεσα με το προηγούμενο. Τα ληφθέντα αποτελέσματα προσομοίωσης υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με τη βοήθεια υπολογιστικών περιβαλλόντων όπως το Excel™ και το MATLAB®, έτσι ώστε τα αποτελέσματα να μπορούν να μετατραπούν σε χρησιμοποιήσιμα σύνολα δεδομένων. Αργότερα, τα επεξεργασμένα δεδομένα οπτικοποιήθηκαν και συγκρίθηκαν απευθείας με ισοδύναμα ευρήματα που είναι διαθέσιμα στη βιβλιογραφία. Αυτή η σύγκριση έδειξε ότι τα αναπτυγμένα μοντέλα FE ήταν σε συμφωνία με αυτά που βρέθηκαν σε ήδη δημοσιευμένες μελέτες. Επιπλέον, διεξήχθη ένας αριθμός πειραματικών δοκιμών για την περαιτέρω επικύρωση της ακρίβειας των αναπτυγμένων μοντέλων FE. Για την ακριβή εκτέλεση της πειραματικής εργασίας, χρησιμοποιήθηκε ένα κέντρο κατεργασίας CNC μαζί με τον εξοπλισμό μέτρησης (δηλαδή δυναμόμετρο). Παράλληλα, διεξήχθη έρευνα σχετικά με τις επιπτώσεις της ταχύτητας κοπής, της τροφοδοσίας, του βάθους κοπής και της γεωμετρίας του εργαλείου στις αναπτυσσόμενες δυνάμεις κοπής. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν οι δυνάμεις ώσης που δημιουργούνται κατά τη διάτρηση, καθώς και οι δυνάμεις κοπής (ακτινικές, εφαπτομενικές και δυνάμεις πρόωσης) που προκαλούνται κατά την τόρνευση. Επιπλέον, μελετήθηκαν τόσο η εξέλιξη του αποβλίττου όσο και η μορφολογία σε σχέση με την εφαρμοζόμενη λειτουργία, το υλικό, το εργαλείο και τις συνθήκες κοπής. Τέλος, τα επαληθευμένα προσομοιωμένα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων που μπορούν να προβλέψουν τις παραγόμενες δυνάμεις κοπής εντός συγκεκριμένων ορίων. Τα μοντέλα που αναπαριστώνται με πολυωνυμικές συναρτήσεις, μπορούν να παράγουν αποτελέσματα υψηλής ακρίβειας άμεσα και χωρίς την ανάγκη κάποιου εξειδικευμένου λογισμικού. Η μοντελοποίηση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση της ευρέως χρησιμοποιούμενης RSM, η οποία επιπλέον ενίσχυσε την οπτικοποίηση της έρευνας που ολοκληρώθηκε κατά το τρίτο στάδιο. Για περαιτέρω ενίσχυση της εγκυρότητας των στατιστικών μοντέλων, χρησιμοποιήθηκε η Ανάλυση Διακύμανσης (ANOVA). Τα αποτελέσματα από την ανάλυση αποκάλυψαν ότι τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν είναι ισχυρά και μπορούν να χρησιμοποιηθούν με ασφάλεια για σκοπούς πρόβλεψης. Η δημοσίευση με τίτλο «CAD-based automated design of FEA-ready cutting tools» παρουσιάζει μια εφαρμογή για την αυτοματοποιημένη παραγωγή μοντέλων κοπτικών εργαλείων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν με απευθείας εισαγωγή στα εμπορικά διαθέσιμα λογισμικά FEA. Η εφαρμογή αναπτύχθηκε αξιοποιώντας τους πόρους προγραμματισμού του API του SolidWorks™ και μπορεί να καλύψει μια μεγάλη ποικιλία εργαλείων κοπής που χρησιμοποιούνται στις διαδικασίες τόρνευσης. Η εφαρμογή μπορεί να επεκταθεί για να δημιουργήσει περισσότερα σύνολα εργαλείων με την επεξεργασία του κώδικα. Επιπλέον, η διαδικασία σχεδιασμού ακολουθεί τον προτεινόμενο αλγόριθμο που βασίζεται στην παραμετρική τεχνική σχεδίασης. Η δημοσιευμένη εργασία με τίτλο «FEM based mathematical modelling of thrust force during drilling of Al7075-T6παρουσιάζει ένα τρισδιάστατο μοντέλο FE για διάτρηση του Al7075-T6, κάτω από μια σειρά συνθηκών που προτείνονται από τους περισσότερους κατασκευαστές εργαλείων. Επιπλέον, το επιλεγμένο κράμα αλουμινίου επιδεικνύει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και χρησιμοποιείται συχνά στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Εκτός από την παρουσίαση του μοντέλου FE, η εργασία διερευνά τις επιδράσεις των εφαρμοζόμενων συνθηκών και της διαμέτρου του εργαλείου στις παραγόμενες δυνάμεις ώθησης, καθώς και τον παραγόμενο σχηματισμό αποβλίττου με τη βοήθεια του DEFORM™-3D και πολλών υπολογιστικών εργαλείων και μεθοδολογιών. Μάλιστα, τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν γραφικά με τη χρήση του RSM και επιπλέον, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο πρόβλεψης για τις δυνάμεις ώσης, το οποίο επαληθεύτηκε με ANOVA. Τέλος, η εργασία περιγράφει την πειραματική εργασία που διεξήχθη για την επικύρωση του αριθμητικού μοντέλου.Η δημοσίευση με τίτλο «3D FE modeling of machining force during AISI 4140 hard turning» προτείνει ένα τρισδιάστατο μοντέλο FE για την τόρνευση σκληρυμένου χάλυβα AISI-4140. Το επιλεγμένο υλικό είναι ένας χάλυβας που χρησιμοποιείται συνήθως στην κατασκευαστική βιομηχανία. Επιπλέον, οι επιλεγμένες συνθήκες κοπής πληρούν τα πρότυπα του κατασκευαστή. Ταυτόχρονα, αυτή η δημοσίευση παρουσιάζει ένα στατιστικό μοντέλο για σκοπούς πρόβλεψης των παραγόμενων δυνάμεων μηχανικής κατεργασίας χρησιμοποιώντας παρόμοιες μεθοδολογίες με την προαναφερθείσα δημοσίευση «FEM based mathematical modelling of thrust force during drilling of Al7075-T6». Επιπλέον, περιλαμβάνεται μελέτη για την απόδοση του κοπτικού εργαλείου, σύμφωνα με την επιλεγμένη ταχύτητα κοπής, πρόωση και βάθος κοπής. Περαιτέρω έρευνα σχετικά με τη συμπεριφορά του χάλυβα AISI-4140 κατά τη διάρκεια της στροφής διεξήχθη στην εργασία «Influence of the Nose Radius on the Machining Forces Induced during AISI-4140 Hard Turning: A CAD-Based and 3D FEM Approach» για την καλύτερη κατανόηση των συνιστωσών της επαγόμενης δύναμης στροφής, της μορφολογίας και του σχηματισμού του αποβλίττου. Κατά τη διάρκεια αυτής της έρευνας, δόθηκε έμφαση στη μικρογεωμετρία του εργαλείου. Για το λόγο αυτό, αξιοποιήθηκε η βασισμένη σε CAD εφαρμογή που παρουσιάζεται στην εργασία «CAD-based automated design of FEA-ready cutting tools». Επιπλέον, επιλέχθηκε μια μέθοδος υποβοηθούμενη από CAD για τη ρύθμιση της διάταξης της διαδικασίας. Η εργασία περιέχει ευρήματα σχετικά με την επίδραση των συνθηκών κοπής στις αναπτυσσόμενες δυνάμεις τόρνευσης, καθώς και την απόδοση των κοπτικών εργαλείων ως προς τη μικρογεωμετρία τους. Επιπλέον, προτείνεται ένα αριθμητικό και ένα στατιστικό μοντέλο υψηλής ακρίβειας.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 y minimizar 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 previos en 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) del sistema 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 equivalent