Thermomechanical analysis of machining and - ETH E

DISS. ETH NO. 23205
Thermomechanical
analysis of machining and
brazing
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
Mansur Akbari
M.Sc. University of Tehran, faculty of engineering
born on 11th September 1978
citizen of Iran
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Konrad Wegener, examiner
Prof. Dr. Pavel Hora, co-examiner
2016
Abstract
Abstract
A deep understanding of the physics of machining processes helps driving the
further development of new processes and cutting tools. The present work comprises
the development and provision of simulation tools for an understanding and
methodological improvement of machining processes. This is conducted under
consideration of pre-damaging of tools due to their manufacturing, which until today
has not been sufficiently addressed in research and development. Furthermore, this
work provides an insight into the process-induced loads on the tool and their
dependency on its geometry, through a thermomechanical simulation of the
machining process with defined and non-defined cutting edges. For all simulation
approaches, the material and system data must be identified and estimated. This is
particularly challenging for the simulation of machining processes, as no standardized
experimental procedures exist for parameter identification. Therefore, inverse material
modelling was applied for determining material and system data. The required
simulation tools are derived in the present work.
Grinding for instance is one of the most complex machining processes, whose
modelling is limited by the stochastic nature of the single grain interaction.
Thermomechanical analysis of the interaction between grain and workpiece material
leads to a better understanding of the complex grinding process. The cutting edge
radii of tools significantly influence the machining process and tool wear, which also
applies to individual grains. Hence, the analysis of the cutting edge radii of diamond
grains is an essential prerequisite for modelling. Therefore, this work presents and
compares a number of methods to measure cutting edge radii on diamonds. .
Important aspects in the simulation of machining processes are the thermal
influences on the tool and workpiece. A realistic simulation of the process has to
consider also the thermomechanical coupling. Additionally, the large plastic
deformations require consideration of material damage within the constitutive laws
of the workpiece material. Another challenge in the simulation of the chip formation
in the grinding process is the large negative rake angle of the single grain and small
depth of cut, necessitating an extremely fine discretization in the numerical method.
The combination of numerical methods with experimental evaluations
provides a more detailed insight into the grinding process than experiments or
numerical methods alone. To tackle the challenges in three-dimensional analysis of
XIV
Abstract
machining processes, the finite element method with updated Lagrangian algorithms,
implicit time integration, methods for local remeshing and a damage model
according to Johnson-Cook (JC) are used. It is found that in cutting with large
negative rake angle, the cutting and passive forces are reduced with decreasing
cutting edge radii. A Johnson-Cook damage limit value of 0.7 leads to the best
correlation between the three components of the cutting forces obtained from single
diamond scratch testing and simulation. Through variation of cutting edge radii, the
influence of wear can be approximated.
However, the experimental measurement of cutting edges presents a
challenge in itself, due to the transparency, reflectivity and abrasiveness of the
diamond grains, which hinder optical as well as contact measurement methods. The
method of Wyen can be applied to use radii from the obtained raw data for the
characterization of the cutting edge. In this work, a number of measurement methods
are tested and compared, such as tactile profilometry, confocal and focus variation
light microscopy, imprinting, scanning electron microscope (SEM) stereoscopy, and
atomic force microscopy (AFM). Based on these measurements, a framework for the
selection of appropriate metrology for transparent cutting edges is suggested.
Further, the required measurement parameters, suitable settings, and appropriate
sample preparation for the measurement of cutting edge radii of diamond grains
with the above-mentioned methods are discussed.
Residual stresses in the cutting tool originating from the manufacturing
process affect its performance and lead to a reduced service life. In this thesis,
brazed-diamond metal bonds, as found in high-performance grinding tools, are
investigated through measurement techniques and simulation. During the cooling
process after brazing, residual stresses arise from the mismatch of thermal expansion
coefficients between the materials.
In order to determine the eigenstresses in brazed diamond tools due to their
manufacturing process, a thermomechanically coupled finite element method (FEM)
calculation for the brazing process is conducted. The complete stress tensor for
verification of the simulation cannot be obtained experimentally through Ramanspectroscopy. Therefore, the expected peak shifts of the Raman-spectra are
calculated from the simulated stress tensors and compared with the experiments.
XV
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Ein vertieftes Verständnis der Physik von Bearbeitungsprozessen hilft, die
Entwicklung neuer Prozesse und neuer Schneidwerkzeuge voranzutreiben. Die
vorliegende
Arbeit
beinhaltet
die
Entwicklung
und
Bereitstellung
von
Simulationswerkzeugen für das Verständnis und die methodische Verbesserung von
Schneidprozessen. Dies geschieht unter der Berücksichtigung von vorgängigen
Schäden am Werkzeug aufgrund von dessen Herstellung, welche bis heute nicht
ausreichend in der Forschung und Entwicklung behandelt werden. Weiter gibt diese
Arbeit Einblick in die prozessinduzierten Lasten auf das Werkzeug und deren
Abhängigkeit von der Werkzeuggeometrie durch thermomechanische Simulation der
Zerspanung
mit
definierten
und
nicht
definierten
Geometrien.
Für
alle
Prozesssimulationsansätze müssen Material- und Systemdaten identifiziert oder
geschätzt werden. Insbesondere bei der Simulation von Schneidprozessen ist dies
eine Herausforderung, da kein standardisiertes experimentelles Verfahren zur
Parameteridentifikation existiert. Deshalb wird eine inverse Materialmodellierung zur
Bestimmung der Material- und Systemdaten eingesetzt. Die dafür benötigten
Simulationswerkzeuge werden in der vorliegenden Arbeit hergeleitet.
Schleifen zum Beispiel ist einer der komplexesten Bearbeitungsprozesse,
dessen Modellierbarkeit durch die stochastische Natur des Einzelkorneingriffs
begrenzt wird. Thermomechanische Analysen der Interaktion zwischen Schleifkorn
und Werkstückmaterial tragen dazu bei, den komplexen Schleifprozess besser zu
verstehen.
Schneidkantenradien
der
Schneidwerkzeuge,
beeinflussen
den
Zerspanungsprozess sowie auch das Werkzeugverschleissverhalten grundlegend, was
auch für die einzelnen Schleifkörner gilt. Analysen der Schneidkantenradien auf den
Diamantkörnern sind daher eine unabdingbare Voraussetzung für die Modellierung.
Daher zeigt diese Arbeit auf, mit welchen Methoden Schneidkantenradien auf
Diamanten vermessen werden können und vergleicht diese miteinander.
Wichtige Themen in der Simulation des Schneidprozesses sind die thermischen
Einflüsse auf das Werkzeug und das Werkstück. Zur realitätsnahen Simulation des
Zerspanungsprozesses
muss
die
thermomechanische
Kopplung
immer
mitberücksichtigt werden. Daneben ist es infolge der grossen plastischen
Verformungen des Werkstückmaterials notwendig, Materialschädigungen innerhalb
der konstitutiven Gleichungen für das Werkstückmaterial zu berücksichtigen. Weitere
Herausforderungen in der Simulation der Zerspanung beim Schleifen ist der stark
XVI
Zusammenfassung
negative Spanwinkel am Einzelkorn und die kleine Schnitttiefe, welche eine extrem
feine Diskretisierung im numerischen Verfahren bedingt.
Die Kombination numerischer Verfahren mit experimentellen Überprüfungen
erzeugt einen viel detaillierteren Einblick in den Prozess des Schleifens als
Experimente
allein
oder
Numerik
allein.
Um
den
Herausforderungen
der
dreidimensionalen Analyse des Schneidprozesses gerecht zu werden, werden die
Methode der Finiten Elemente mit updated Lagrange-Algorithmus, implizite
Zeitintegration, Methoden zur lokalen Neuvernetzung, sowie ein Schädigungsmodell
nach Johnson-Cook eingesetzt. Es wird festgestellt, dass sich beim Schneiden mit
hohem negativen Spanwinkel, die Schnitt- und Passivkraft mit kleiner werdenden
Schneidkantenradien reduzieren. Ein Johnson-Cook-Schädigungsgrenzwert von 0.7
erreicht
die
beste
Überstimmung
zwischen
experimentell
durch
Einzelkornritzversuche und simulativ bestimmten Komponenten der Schnittkraft.
Durch Variation der Schneidkantenradien kann der Einfluss von Verschleiss genähert
untersucht werden.
Allerdings ist die experimentelle Erfassung der Schneidkanten selbst eine
Herausforderung zumal die Transparenz, das Reflektionsvermögen sowie die
Abrasivität von Diamantschleifkörnern sowohl für optische als auch berührende
Messverfahren ein Hindernis darstellen. Die Methode von Wyen kann für die
Charakterisierung der Schneidkante mittels eines Radius aus den dann gemessenen
Rohdaten angewendet werden. In dieser Arbeit werden verschiedene Messverfahren
angewendet und miteinander verglichen, nämlich taktile Messung auf einem
Profilometer, konfokale und Fokus-Variations-Lichtmikroskopie, Abdrucktechnik mit
optischer
Vermessung,
Stereo-Rasterelektronenmikroskopie
(SEM),
und
Rasterkraftmikroskopie (AFM). Aufgrund dieser Messungen wird ein Vorgehen zur
Auswahl der geeigneten Messtechnik bei transparenten Schneiden vorgeschlagen.
Weiter werden die notwendigen Messparameter, geeigneten Einstellungen und
korrekte Probenvorbereitung für die Messung von Schneidkantenradien von
Diamantkörnern mittels der genannten Messmittel diskutiert.
Restspannungen im Schleifwerkzeug aus der Herstellung sind im Einsatz
nachteilig und reduzieren die Lebensdauer. In dieser Arbeit werden gelötete
Diamant-Metall-Verbindungen, wie sie in Hochleistungsschleifwerkzeugen verwendet
werden, messtechnisch und simulativ untersucht. Beim Abkühlen nach dem Löten
ergeben sich Restspannungen als Folge der unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien.
XVII
Zusammenfassung
Um die Eigenspannungen in den gelöteten Diamantwerkzeugen aufgrund
ihrer Herstellungsverfahren zu berechnen, wird eine thermomechanisch gekoppelte
FEM-Rechnung des Lötprozesses durchgeführt. Der vollständige Spannungstensor
lässt sich aus den Daten der Raman Spektroskopie nicht berechnen, wie es für die
experimentelle Verifikation der Simulation nötig wäre. Daher werden aus den
simulierten Spannungstensoren die zu erwartenden Peak-Verschiebungen der
Raman-Spektra berechnet und mit den Experimenten verglichen
XVIII

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