Modelação numérica da maquinação da liga de titânio Ti6AI4V

Abstract

O objetivo proposto para este trabalho foi o desenvolvimento de um modelo para a simulação numérica do processo de fresagem da liga de titânio Ti6Al4V, através do programa de elementos finitos Abaqus Explicit. O modelo deve contemplar a análise das forças de corte e da distribuição de tensões, bem como dos parâmetros de processo e geométricos. O modelo elaborado considera que o comportamento mecânico da liga de titânio é modelado com recurso à lei de encruamento de Johnson-Cook, sendo adotada a lei de dano proposta pelos mesmos autores. O comportamento plástico é considerado isotrópico, sendo descrito pelo critério de plasticidade de von Mises. O tempo de computação associado à formulação explícita é fortemente dependente da dimensão mínima dos elementos finitos adotados, uma vez que o método é condicionalmente estável. Assim, numa primeira etapa foi analisada a influência nos resultados da discretização adotada para o bloco. De modo a reduzir o tempo de computação, foi também analisada a hipótese de considerar valores mais elevados para as velocidades de rotação e de avanço, sem que ocorram efeitos de inércia indesejáveis. Numa segunda etapa foi analisada a influência do material que se encontra ao lado da ferramenta no momento do corte, sendo para tal elaborados dois modelos: um para fresagem completa do topo do bloco e o outro para fresagem parcial. Por último, foi analisada a influência do coeficiente de atrito, tendo sido considerados três valores tipicamente utilizados na literatura. Os resultados mostram que o modelo desenvolvido permite uma análise comparativa dos parâmetros de processo. No entanto, a comparação com resultados experimentais exige uma dimensão dos elementos finitos que conduz a tempos de computação muito elevados.

The aim established for this work was to develop a model for the numerical simulation of the milling process of Ti6Al4V titanium alloy, through the finite element software Abaqus Explicit. The model should enable the cutting forces and stresses distribution analysis, as well changing the process and geometric parameters. The developed model considers that the mechanical behaviour of the titanium alloy is modelled using Johnson-Cook hardening law, combined with the damage law suggested by the same authors. The plastic behaviour is considered isotropic, being described by the von Mises yield criterion. The computation time resulting from the explicit formulation adopted is strongly dependent of the minimum finite elements size, since the method is conditionally stable. Thus, in a first phase the influence on the results of the adopted discretization for the milled block was analysed. In order to reduce the computation time, the possibility of using higher values of spindle speed and feed rate was also analysed, while avoiding the occurrence of undesirable inertia effects. In a second step, the influence of the material adjacent to the cutting tool was analysed, using two models: one for the complete milling of the top of the block and the other for its partial milling. Finally, the influence of the friction penalty was studied, using three values typically referenced in the literature. The results show that the developed model allows a comparative analysis of the process parameters. However, the comparison with the experimental results requires a minimum finite element size that leads to very high computation times.