Modeling of Micro Turning Process with Finite Elements Method and Selection of Suitable Material Model

Abstract

Developing technology in the manufacturing industry and the requirement of high precision parts reveals micro machining. It is possible to produce workpieces both at high speed and with high precision by means of micro-mechanical machining.The finite element method, a numerical modelling technique, provides a significant advantage in obtaining data (stress, strain and temperature) that are difficult to experimentally detect. The most important element in the numerical modeling of the micro machining is; the correctness of the material model used. In this study, micro turning process is modeled numerically in 2D conditions. Deform-2D commercial software was used in the modeling. In the study, cutting forces obtained by experimental and numerical modeling are compared using different material models. As workpiece material, Ti6Al4V alloy, which is widely used in the biomedical applications, has been selected. Constant cutting speed (100m / min.) and different feed rate values ​​are used. At the end of the study, it was observed that the Johnson-Cook (J-C) material model recommended by Kay (2002) is more compatible with the experimental results. It has been determined that the difference between the numerical model and experimental results is between 5-15%. 

Keywords

• Micro Turning,Finite Element Analysis,Cutting Forces

Mikro Tornalama İşleminin Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Modellenmesi ve Uygun Malzeme Modelinin Seçimi

Abstract

İmalat sanayinde gelişen teknoloji ve yüksek hassasiyette parça gereksinimi, mikro işlemeyi ortaya çıkarmıştır. Mikro mekanik işleme yöntemi ile hem yüksek hızda hem de yüksek hassasiyette iş parçaları üretmek mümkündür. Bir nümerik modelleme tekniği olan sonlu elemanlar metodu, deneysel olarak tespit etmenin zor olduğu verilerin (gerilme, şekil değiştirme ve sıcaklık) elde edilmesinde önemli bir avantaj sağlar. Mikro işlemenin nümerik olarak modellenmesinde en önemli unsur, kullanılan malzeme modelinin doğruluğudur. Bu çalışmada mikro tornalama işlemi 2 boyutlu şartlarda nümerik olarak modellenmiştir. Modellemede Deform-2D ticari yazılımı kullanılmıştır. Çalışmada farklı malzeme modelleri kullanılarak, deneysel ve nümerik modelleme sonucunda elde edilen kesme kuvvetleri kıyaslanmıştır. İş parçası malzemesi olarak, biyomedikal sektöründe çokça kullanılan Ti6Al4v alaşımı seçilmiştir. Çalışmada sabit kesme hızı (100m/dk) ve farklı ilerleme değerleri kullanılmıştır. Çalışma sonunda Kay (2002) tarafından önerilen, Johnson-Cook (J-C) malzeme modelinin deneysel sonuçlarla daha uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Nümerik modelleme ile deneysel sonuçlar arasındaki farkın % 5-15 arasında olduğu tespit edilmiştir.

Keywords

• Mikro Tornalama,Sonlu Elemanlar Analizi,Kesme Kuvvetleri

References

1. [1] Karagöz M., “Modelling and robust controller design for a multi-axis micro-milling machine” the degree of master of science in mechanical engineering, Bilkent University, Turkey, September 2016
2. [2] Yücel E., Çiçek A. “İmalat Alanında Yaygın Olarak Kullanılan Mikro İşleme Teknikleri”, SAÜ. Fen Bilimleri Dergisi, 15. Cilt, 1. Sayı, s.46-59, 2011.
3. [3] Elektrik Port Web Sitesi, http://www.elektrikport.com
4. [4] Figes Mühendislik Web Sitesi, http://www.figes.com.tr
5. [5] Aslantaş K., Şahan Ö., “Ti6Al4V alaşımının mikro işleme şartlarında yüksek hızda tornalanması”, 8.Uluslararası Talaşlı İmalat Sempozyumu, s.101-110, 2-4 Kasım 2017.
6. [6] Ucun I., Aslantaş K., “Talaş açısının kesme kuvvetleri ve kesme sıcaklığı üzerindeki etkisinin modellenmesi”, Ulusal Teknik Eğitim Mühendislik ve Eğitim Bilimleri Genç Araştırmacılar Sempozyumu, s.50-53, 17 Nisan 2007.
7. [7] Sima M., Özel T., “Modified material constituve models for serrated chip formation simulations and experimental validation in machining of titanium alloy Ti-6Al-4V”, International Journal of Machine Tools, s.943-960, 2010.
8. [8] G.-R. Johnson, W.-H. Cook, A constitutive model for metals subjected to largestrains, high strain rates and high temperatures, in: Proceedings of theSeventh International Symposium on Ballistics, Hague, Netherlands, vol. 54,1983, pp. 1–7.

9. [9] Styger G., Laubscher R.F., Oosthuizen G.A., “Effect of constituve modeling during finite element analysis of machining-induced residual stresses in Ti6Al4V”, 2nd CIRP Conference on Surface Integrity, s.294-301,2014.
10. [10] M. Calamaz, D. Coupard, F. Girot, A new material model for 2D numerical simulation of serrated chip formation when machining titanium alloy Ti–6Al–4V, International Journal of Machine Tools and Manufacture 48 (2008) 275–288
11. [11] W.-S.Lee, C.-F. Lin, High-temperature deformation behavior of Ti6Al4V alloyed valuated by high strain-rate compression tests, Journal of Materials Processing Technology 75(1998) s.127-136.
12. [12] Ucun İ., Aslantaş K., Apaydın D. “Çok kaplamalı kesici takımla tornalama işleminin sonlu elemanlar yöntemiyle modellenmesi”, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt:7, No:1, s.69-82,2010.