Finite Element Modeling of The Residual Stresses In Orthogonal Machining Process

Abstract

Bu çalışmada, düzlemsel gerinim koşulları altında iş parçasında oluşan kalıcı gerilmeleri tahmin etmek için dik kesme sürecinin ısıl-mekanik sayısal analizi gerçeklestirilmiştir. Kalıcı gerilmeleri belirlemek için uyarlamalı ağ ve açık dinamik çözüm teknikleri kullanılarak Arbitrary Lagrangian Eulerin (ALE) formülasyonlu sonlu eleman (SE) modeli kurulmuştur. 20NiCrMo5 çeliğinin dik kesme süreci için SE benzetimleri tamamlandığında, kesici takım geri çekilmiş ve gerilmeler yatıştırılmıştır. Benzetim sonuçları, işlenen yüzeyin çekme gerilmelerine sahip olduğunu ortaya çıkarmıştır. Tahmin edilen kalıcı gerilmeler literatürde mevcut deneysel olarak ölçülen verilerle de karşılaştırılmıştır. SE benzetimlerinden elde edilen işlenen yüzeyin kalıcı gerilmeleri oldukça makul bir doğruluğa sahiptir. SE analizlerinden belirlenen teğetsel kalıcı gerilme değerleri kesme parametrelerini eniyilemek ve mekanik bileşenlerin ömrünü artırmak için kullanılabilir.

In this work, a thermo-mechanical numerical analysis of orthogonal machining process is performed to estimate the residual stresses induced in workpiece under plane-strain conditions. To determine the residual stresses, a finite element (FE) model with Arbitrary Lagrangian Eulerin (ALE) formulation is established by employing adaptive meshing and explicit dynamics solution techniques. When FE simulations are completed for the orthogonal cutting process of 20NiCrMo5 steel, the cutting tool is withdrawn and the stresses are relieved. The results reveal that the machined surface is tensile stresses. The estimated residual stresses are also compared with experimentally measured data available in the literature. The residual stresses of the machined surface obtained from the FE simulations have a quite reasonable accuracy. The values of the tangential residual stresses determined from the FE analyses can be utilized to optimize cutting parameters and improve the life of mechanical components.