Three dimensional temperature and residual stress predictions in machining

Abstract

Bu tez çalısmasının ilk bölümü, metal isleme sırasında talas, kesme ucu ve parçaüzerindeki sıcaklıkların tahminiyle ilgilidir. Bu islemlerin sonucu olarak parçanındayanıklılıgında önemli rol oynayan kalıntı gerilimleri, ve kesme ucu dayanıklılıgınıetkileyen hızlı ve fazla asınma olusur. Bu tahmin de bu nedenle bu islemlerin sonuçlarıaçısından en önemli bulgulardan biridir. Bu tez çalısmasında önerilen sonlu farklar tabanlımodel, bu tahminlerin yapılabilmesi için çok hızlı ve deneylerle paralel sonuçlar veren birçözüm sunmaktadır. Bu modelin sonuçları, degisik kesme kosulları altında, Al 7075, AISI1050 ve AISI H13 malzemelerinden yapılmıs parçaların islenmesi sırasında yapılmıs olankızılötesi termal ölçümlerle karsılastırılmıs ve iyi sonuçlar elde edilmistir.Çalısmanın ikinci bölümü, metal isleme sonrasında parçadaki kalıntı geriliminin tahminedilmesine adanmıstır. Kesme sırasında olusan kuvvetler, parçanın, kesme ucunun vetalasın ısınmasına sebep olan ısıl kaynaklar olustururlar. Bu kuvvetler kullanılarak ısılkaynaklar bulunduktan sonra parçanın, kesme ucunun ve talasın üzerindeki termal dagılımda bulunur ve bu termal dagılım, termal gerilimlerin bulunmasında kullanılır. Mekanikkuvvetlerden kaynaklanan mekanik gerilimler, termal gerilimler ile toplanarak parçanınüzerinde olusan toplam gerilim bulunur, ve bu çalısmada gelistirilmis analitik bir elastoplastikmodel kullanılarak kesme ucu parçanın üzerinden geçerken gerilme-uzamaegrisinde bulunulan noktaya göre malzemenin ne kadar kalıcı gerilmeye ugradıgıhesaplanır. En son, bir relaksasyon prosedürü kullanılarak kesme ucu geçip gittikten sonraparça üzerinde ne kadar gerilme kaldıgı hesaplanır, ki bud a kalıntı gerilimine esittir.Sonuçlar, Waspaloy malzeme üzerinde yapılmıs olan deneysel sonuçlarla karsılastırılmısve tutarlı sonuçlar elde edilmistir. Model, FEM çalısmalarına göre, hesaplama süresini deciddi miktarda azaltmıstır.

The purpose of the first part of this study is to determine the three dimensionaltemperature fields on the chip, tool and workpiece during machining, which is one of themost important characteristic of machining processes; since the fields can affect otherproperties such as residual stresses and tool wear, and thus tool life and fatigue life offinished parts. The finite difference based model proposed in this paper offers very rapidsolutions that are reasonably accurate with experiments. Finite difference based simulationresults are validated with infrared thermal measurements which are determined from themachining of Al 7075, AISI 1050 and AISI H13 materials under various cutting conditions.The second part of this study deals with the prediction of residual stresses in machiningprocesses. To result in the residual stresses after machining, two-dimensional cuttingtemperatures are predicted on the chip, tool and workpiece, using the cutting forces as thecause for heat generation. An analytic elasto-plastic model is implemented on thesuperposition of thermal and mechanical stresses on the workpiece, and a relaxationprocedure is applied, using kinematic and isotropic hardening together, resulting in theresidual stresses on the workpiece. Results are verified with experimental data on residualstresses on Waspaloy, and accurate results are achieved, while the computational time topredict the residual stresses is immensely decreased, compared to FEM studies withinliterature.