Development of Material Models and Acquisition of Model Parameters for Metal Cutting Simulations

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-12-18
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
49 + app. 67
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 190/2015
Abstract
Metal cutting is a complex physical problem with many interdependent operational parameters. To illustrate this, a graph analysis is performed for the network of relationships between the parameters. In order to systematically develop metal cutting operations, a tool such as finite element simulations, capable of simultaneously calculating the combined effect of the parameters, is required. Metal cutting simulations are a useful tool for optimizing machining parameters and tool design with respect to quality and costs. Wide range of different cutting parameters or tool geometries can be simulated to find conditions to minimize tool wear or residuals stresses on the workpiece and finding appropriate level of cutting temperature, cutting forces, chip geometry or the thermal and mechanical loading of the tool. Simulations are faster and cheaper to perform than cutting experiments especially since simulations do not disrupt the production. Especially with recent interest in digital manufacturing, expert systems and design tools, finite element modeling of cutting is in research focus. The use of the finite element method for metal cutting simulations has been researched for several decades and the method is progressively reaching maturity. The first machining simulations date back to 1970's observed from Mackerle's bibliography from 1998. There are a few commercial software packages available for cutting simulations and the industry has slowly started to take advantage of the method. The major difficulty is that even though the software includes extensive work material libraries, many engineering materials are not included in them. When the material is not included in the library, the process of testing and characterizing the new material for the simulations is expensive, time consuming and requires a high level of expertise. In this dissertation, the state-of-the-art method of traditional materials testing for determining the material model parameters is investigated through practical implementation. A method for using cutting experiments for material characterization instead of tensile testing or other traditional methods is investigated. The approach is to use an analytical cutting model to map the measurable out-puts of cutting experiments to material deformation characteristics. The method is validated with simulations. Additionally, a new material model is investigated for modeling work material thermal softening damping behavior that was observed during the state-of-the-art method. The research is done with cutting experiments, analytical modeling, materials testing, and simulations. The results show that using the cutting experiments as a materials testing method has practical potential. It is also observed that the testing conditions in traditional methods of tensile testing and SHPB testing are not completely compatible with metal cutting conditions.

Lastuava työstö on kompleksinen fysikaalinen prosessi jossa prosessiparametrien vaikutukset ovat kytköksissä toisiinsa. Tämän havainnollistamiseksi on tehty graafi-analyysi, jossa kunkin prosessiparametrin kytkökset toisiinsa on esitetty vuorovaikutusverkkona. Lastuavan työstön systemaattisen kehittämäisen avuksi on olemassa työkaluja, kuten elementtimenetelmä, jolla pystyy laskemaan usean prosessiparametrin vaikutukset yhtäaikaisesti. Lastuavan työstön simuloinnilla voidaan saavuttaa merkittävää hyötyä optimoimalla kustannuksia ja laatua. Erityisesti viimeaikainen kiinnostus teollisuudessa digitaaliseen valmistukseen, suunnitteluautomaatteihin, älykkäisiin järjestelmiin ja teolliseen internetiin on tuonut lastuavan työstön mallintamisen tutkimuksen ajankohtaiseksi. Lastuavan työstön elementtimallintamista on tutkittu muutama vuosikymmen, ja menetelmä alkaa olla riittävän kehittynyt, jotta sitä voidaan soveltaa teollisuudessa. Muutamia kaupallisia mallinnusohjelmistoja on jo markkinoilla ja jotkut, erityisesti sota ja ilmailuteollisuuden yritykset ovat alkaneet soveltaa menetelmää. Menetelmän haasteena ovat materiaalimallit. Vaikka ohjelmistoissa on laajat materiaalikirjastot, ne eivät sisällä läheskään kaikkia teollisuudessa käytettyjä materiaaleja. Kun materiaalia ei löydy kirjastosta, materiaalimallin laatiminen vaatii aikaa, erikoisosaamista ja kustannukset ovat korkeat. Tässä väitöskirjassa tutkitaan perinteisen materiaalimallinnuksen haasteita ja haetaan vaihtoehtoista tapaa materiaalikarakterisoinnille. Vaihtoehtoiseksi tavaksi esitetään lastuamiskokeiden käyttämistä materiaaliparametrien määrittämiseksi. Tätä varten käytetään analyyttistä lastuamismallia, jonka avulla lastuamiskokeista mitattavat suureet voidaan kytkeä materiaalimallissa esiintyvien suureiden kanssa. Menetelmällä saadut malliparametrit todennetaan simulaatioilla ja lastuamiskokeilla. Tämän lisäksi esitetään uutta materiaalimallia, joka pystyy mallintamaan lämpöpehmenemisen vaimentumisen. Lämpöpehmenemisen vaimentuminen huomattiin koearvoista, joita käytettiin perinteisen menetelmän arviointiin. Tutkimusmenetelmät tässä väitöskirjassa ovat lastuamiskokeet, materiaalikokeet, analyyttinen mallinnus ja simulaatiot. Tulokset osoittavat että lastuamiskokeiden käyttäminen materiaalimallinnukseen on mahdollista ja menetelmässä on käytännön kannalta potentiaalia. Lisähuomiona työssä todetaan materiaalikokeiden koeympäristön poikkeavan lastuamisen ympäristöstä siinä määrin, että pelkkien materiaalikokeiden arvojen käyttäminen lastuamisen mallintamiseen johtaa merkittävään virheeseen.
Description
Supervising professor
Niemi, Esko, Prof., Aalto University, Department of Engineering Design and Production, Finland
Keywords
finite element method, metal cutting, Johnson-Cook model, inverse analysis, graph analysis, SHPB, turning, cutting force, Oxley's model, parallel sided shear zone model, elementtimenetelmä, lastuava työstö, Johnson-Cook malli, inversio-analyysi, graafi-analyysi, suuren muodonmuutosnopeuden materiaalikokeet, sorvaaminen, lastuamisvoima, Oxleyn malli, tasasivuisen muodonmuutosvyöhykkeen malli
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Laakso, Sampsa, V.A.; Peltokorpi, Jaakko; Ratava, Juho; Lohtander, Mika; Varis, Juha. 2013. Graph-based Analysis of Metal Cutting Parameters. In: Azevedo A (ed.) Advances in sustainable and competitive manufacturing systems: 23rd International Conference on Flexible Automation & Intelligent Manufacturing. Porto, Portugal, 2628 June, 2013. Springer. Lecture Notes in Mechanical Engineering, Pages 627–636. ISBN 9783319005560.
  • [Publication 2]: Laakso, Sampsa. V.A., Hokka, Mikko; Niemi, Esko; Kuokkala, Veli-Tapani. 2013. Investigation of the effect of different cutting parameters on chip formation of low-lead brass with experiments and simulations. Sage Journals. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, vol. 227 no. 11 pages 16201634.
    DOI: 10.1177/0954405413492732 View at publisher
  • [Publication 3]: Laakso, Sampsa V.A.; Niemi, Esko. 2015. Determination of material model parameters from orthogonal cutting experiments. Sage Journals. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, January 8, 2015,
    DOI: 10.1177/0954405414560620 View at publisher
  • [Publication 4]: Laakso, Sampsa, V.A.; Niemi, Esko. 2015. Using FEM Simulations of Cutting for Evaluating the Performance of Different Johnson-Cook Parameter Sets Acquired with Inverse Methods. In: Chike F. Oduoza. Proceedings of the 25th International Conference on Flexible Automation and Intelligent Manufacturing, Designing for Advanced, High Value Manufacturing and Intelligent Systems for the 21st Century, Wolverhampton, United Kingdom, June 23-26, 2015. The Choir Press. Volume 2, Pages 172-180. ISBN: 9781910864012.
  • [Publication 5]: Laakso, Sampsa V.A.; Niemi, Esko. 2015. Modified Johnson-Cook Flow Stress Model with Thermal Softening Damping for Finite Element Modeling of Cutting. Sage Journals. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, Accepted for publication.
Citation