Publication: Modelización de la evolución del desgaste en herramientas de corte
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Publication date
2015-10-08
Defense date
2015-10-08
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Abstract
In this Doctoral Thesis the time-space modeling of tool wear is studied. This work begins with a brief review of fundamentals on machining and wear. In this way it was achieved a general knowing about tool wear evolution and local variables behavior (normal stress σn,
slide velocity Vs and interface temperature Tint).
It was made a chronological review of the most important tool wear models proposed trough the last 60 years. The most of the studied models depends only on local variables as interface temperature Tint. It also was observed that the Arrhenius' Equation is used into the most of characteristic wear equations.
An analysis of sensitivity was made to study the Arrhenius' response to interface temperature Tint perturbations and to prove the effectiveness of this equation to model tool wear. Also an Arrhenius based wear model was used to simulate wear trends. The simulated results were compared to experimental ones. The sensitivity analysis showed that the Arrhenius' Equation presents a conditioned sensitivity to simulate correctly the changes observed in experimental tool wear rates. The results obtained by using the Arrhenius based model confirm the analytical conclusion and describe a constant tool wear rate.
All of this suggests that tool wear models depending exclusively on local variables (i.e. Tint) are not able to simulate tool wear evolution. As a result of this analytical process it is proposed the fundamental hypothesis to model wear in this Doctoral Thesis: The wear rate is function of time and local variables.
In order to apply the fundamental modeling hypothesis it has been developed a new methodology based on dimensional analisys (Vaschy-Buckingham Theorem), and the discretization of worn surface. As a result is obtained a differential equation wich describe the wear rate as a function of dimensionless variables πᵢ, which combine the time and wear variables on
contact interface (σn, Vs and Tint).
To model tool wear by using the methodology proposed in this work it is necessary to know the local variables distribution on contact interface. This information has been obtained from numerical models for orthogonal cutting. To develop the numerical models it has been used the comercial code DEFORMTM- 2D/3D Ver 11.0. This models has been validated by using experimental values of cutting formces, contact length and tool temperatures. The experimental
information has been taken from specialized literature. With the numerical information for local variables σn, Vs and Tint it has been developed
a new wear model for uncoated plain carbide tool (WC) and AISI 1018 steel as workpiece material. The wear model developed was validated for experimental trends of maximum crater KT and wear profiles for different cutting speed and feed. The results are satisfactories.
En esta Tesis Doctoral se estudia la modelización de la evolución temporal y la distribución espacial del desgaste de herramientas de corte. Este estudio se inicia con una revisión de los fundamentos del mecanizado y del desgaste. De esta manera se obtuvo una visión acerca de la evolución experimental del desgaste de herramientas, y del comportamiento de las variables locales en la interfase de contacto entre pieza y herramienta: tensión normal σn, velocidad relativa de deslizamiento Vs y temperatura Tint. Se hace una revisión cronológica de los modelos de desgaste más importantes propuestos en los últimos 60 años. La mayoría de los modelos estudiados dependen exclusivamente de variables locales de interfase tales como la temperatura Tint. También se observó que la Ecuación de Arrhenius se usa de forma directa o indirecta, en la mayoría de las ecuaciones para predecir el desgaste. Se realizó un análisis de sensibilidad de la Ecuación de Arrhenius ante cambios en Tint para comprobar su efectividad en la modelización del desgaste. También se llevó a cabo la aplicación práctica de uno de los modelos basados en la Ecuación de Arrhenius, y se compararon las tendencias de desgaste simuladas con las tendencias observadas experimentalmente. Los resultados del análisis de sensibilidad muestran que la Ecuación de Arrhenius tiene una sensibilidad condicionada para reproducir las variaciones observadas experimentalmente en la tasa de desgaste. Los resultados de la aplicación del modelo clásico, basado en la Ecuación de Arrhenius, confirman la conclusión del análisis de sensibilidad y muestran una tasa de desgaste simulada, constante en el tiempo. Todo lo anterior sugiere que los modelos en donde la tasa de desgaste depende exclusivamente de variables de interfase tales como la temperatura Tint, no son capaces de reproducir satisfactoriamente las tendencias de desgaste observadas experimentalmente. Finalizado este análisis se plantea la hipótesis fundamental para la modelización del desgaste en esta Tesis Doctoral: La tasa de desgaste es función del tiempo y de las variables locales en la interfase de contacto. Para la aplicación de la hipótesis fundamental en la modelización del desgaste de herramientas se desarrolla una nueva metodología de modelización, basada en el análisis dimensional (Teorema de Vaschy-Buckingham) y en el análisis por discretización de la zona desgastada. Como resultado se obtiene una ecuación diferencial general que describe la tasa de desgaste en función de variables adimensionales πᵢ, en cuya estructura se encuentran el tiempo t y las variables locales o de desgaste en interfase de contacto: tensión normal σn, velocidad relativa de deslizamiento Vs y temperatura Tint. En la modelización de la distribución del desgaste según la metodología propuesta en este trabajo, se requieren las distribuciones de las variables: σn, Vs y Tint en la interfase de contacto. Esta información se obtuvo de modelos numéricos de corte ortogonal realizados mediante el código comercial DEFORMTM-2D/3D Ver 11.0 y validados con datos experimentales de fuerzas de corte, longitudes de contacto y temperaturas de herramienta. Estos datos experimentales fueron tomados de la literatura especializada. Una vez obtenidas las distribuciones de σn, Vs y Tint de los modelos numéricos de corte, se genera un nuevo modelo de desgaste de cráter para herramienta de carburo WC plana (sin rompevirutas) y sin recubrimiento, y pieza de acero AISI 1018. El modelo desarrollado fue validado con tendencias experimentales de evolución de cráter máximo KT y perfiles de desgaste para distintas velocidades de corte y avances. Los resultados alcanzados son satisfactorios.
En esta Tesis Doctoral se estudia la modelización de la evolución temporal y la distribución espacial del desgaste de herramientas de corte. Este estudio se inicia con una revisión de los fundamentos del mecanizado y del desgaste. De esta manera se obtuvo una visión acerca de la evolución experimental del desgaste de herramientas, y del comportamiento de las variables locales en la interfase de contacto entre pieza y herramienta: tensión normal σn, velocidad relativa de deslizamiento Vs y temperatura Tint. Se hace una revisión cronológica de los modelos de desgaste más importantes propuestos en los últimos 60 años. La mayoría de los modelos estudiados dependen exclusivamente de variables locales de interfase tales como la temperatura Tint. También se observó que la Ecuación de Arrhenius se usa de forma directa o indirecta, en la mayoría de las ecuaciones para predecir el desgaste. Se realizó un análisis de sensibilidad de la Ecuación de Arrhenius ante cambios en Tint para comprobar su efectividad en la modelización del desgaste. También se llevó a cabo la aplicación práctica de uno de los modelos basados en la Ecuación de Arrhenius, y se compararon las tendencias de desgaste simuladas con las tendencias observadas experimentalmente. Los resultados del análisis de sensibilidad muestran que la Ecuación de Arrhenius tiene una sensibilidad condicionada para reproducir las variaciones observadas experimentalmente en la tasa de desgaste. Los resultados de la aplicación del modelo clásico, basado en la Ecuación de Arrhenius, confirman la conclusión del análisis de sensibilidad y muestran una tasa de desgaste simulada, constante en el tiempo. Todo lo anterior sugiere que los modelos en donde la tasa de desgaste depende exclusivamente de variables de interfase tales como la temperatura Tint, no son capaces de reproducir satisfactoriamente las tendencias de desgaste observadas experimentalmente. Finalizado este análisis se plantea la hipótesis fundamental para la modelización del desgaste en esta Tesis Doctoral: La tasa de desgaste es función del tiempo y de las variables locales en la interfase de contacto. Para la aplicación de la hipótesis fundamental en la modelización del desgaste de herramientas se desarrolla una nueva metodología de modelización, basada en el análisis dimensional (Teorema de Vaschy-Buckingham) y en el análisis por discretización de la zona desgastada. Como resultado se obtiene una ecuación diferencial general que describe la tasa de desgaste en función de variables adimensionales πᵢ, en cuya estructura se encuentran el tiempo t y las variables locales o de desgaste en interfase de contacto: tensión normal σn, velocidad relativa de deslizamiento Vs y temperatura Tint. En la modelización de la distribución del desgaste según la metodología propuesta en este trabajo, se requieren las distribuciones de las variables: σn, Vs y Tint en la interfase de contacto. Esta información se obtuvo de modelos numéricos de corte ortogonal realizados mediante el código comercial DEFORMTM-2D/3D Ver 11.0 y validados con datos experimentales de fuerzas de corte, longitudes de contacto y temperaturas de herramienta. Estos datos experimentales fueron tomados de la literatura especializada. Una vez obtenidas las distribuciones de σn, Vs y Tint de los modelos numéricos de corte, se genera un nuevo modelo de desgaste de cráter para herramienta de carburo WC plana (sin rompevirutas) y sin recubrimiento, y pieza de acero AISI 1018. El modelo desarrollado fue validado con tendencias experimentales de evolución de cráter máximo KT y perfiles de desgaste para distintas velocidades de corte y avances. Los resultados alcanzados son satisfactorios.
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Keywords
Herramientas de corte, Desgaste de las herramientas, Modelización