텅스텐-몰리브덴 합금은 가공 비용이 높고 가공 효율이 낮으며 공구 마모가 심하여 가공하기 어려운 재료입니다. ABAQUS 유한 요소 분석 소프트웨어를 사용하여 텅스텐-몰리브덴 합금의 3차원 밀링 모델을 확립하고 다양한 절삭 매개변수에 대해 텅스텐-몰리브덴 합금의 밀링 공정을 연구했습니다. 시뮬레이션 모델의 유효성을 검증하기 위해 밀링 시험을 통해 절삭력과 절삭 온도의 변화 법칙을 검증합니다. 직교실험을 통해 최적의 절삭변수 조합, 즉 절삭속도 vc=60m/s, 백물림 ap=3mm, 날당 이송 fz=0.16mm/z를 구하였다. .
전문
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텅스텐과 몰리브덴은 매장량이 풍부하고 우리나라에 널리 분포되어 있습니다. 텅스텐과 몰리브덴은 주기율표에서 VIIB족 원소에 속하며 전형적인 고융점 금속입니다. 텅스텐-몰리브덴 합금은 순수 텅스텐보다 융점이 높고 밀도가 낮기 때문에 텅스텐과 몰리브덴의 장점을 결합합니다. 부식 및 내마모성[1]은 항공우주 분야에서 중요한 소재로 자리잡고 있으며, 로켓 엔진 노즐 및 가스터빈의 핵심 부품에 사용될 수 있으며, 미래 산업 분야에서 더 넓은 적용 가능성을 가지고 있습니다.
텅스텐-몰리브덴 합금의 절단 원리를 연구하기 위해 학자들은 많은 연구 작업을 수행해 왔습니다. Luo Zhengchuan[2]이 초경합금 공구를 사용하여 텅스텐 기반 합금을 절단할 때 공구 마모가 매우 빨랐으며 초경합금 공구의 파손을 일으키는 주요 마모 형태는 주 공구의 교차점에 나타나는 삼각형 마모 영역이었습니다. 측면과 보조 측면. 공구 마모의 주요 원인은 경점에 의한 기계적 마모이며, 초경합금에 결합제인 코발트가 확산되어 공구 마모가 가속화됩니다. 텅스텐 기반 합금을 절단할 때 Ye Yi [3]는 표면에 내마모성 코팅이 된 미세 입자 또는 초미립자 WC 기반 초경합금 공구의 수명이 더 짧다는 것을 발견했습니다. 합금을 가공하는 것은 비경제적입니다. 복합 세라믹 공구는 고텅스텐 합금 재료 절단에 적합하지 않으며 PCD 다이아몬드 공구의 수명은 WC 기반 초경합금에 비해 크게 향상되지 않습니다. 텅스텐 및 그 합금 재료는 PCBN 절삭 공구 및 CBN 함량이 더 높은 등급(예: DBC80)을 사용하여 가장 잘 가공되므로 더 나은 경제적 이점을 얻을 수 있습니다.
ABAQUS 유한 요소 해석 소프트웨어는 금속 절단 시뮬레이션에 일반적으로 사용되는 소프트웨어입니다. 강력한 비선형 분석 기능을 갖추고 있으며 열-기계적 결합을 실현할 수 있습니다. 텅스텐-몰리브덴 합금은 가공 비용이 높고 가공 효율이 낮으며 공구 마모가 심한 난삭재입니다. 따라서 본 논문에서는 ABAQUS 유한 요소 분석 소프트웨어를 사용하여 텅스텐-몰리브덴 합금의 3차원 밀링 모델을 구축했습니다. 공정에서 발생하는 절삭력과 절삭온도를 변화시키고, 최종적으로 직교시험을 통해 최적의 밀링변수 조합을 구하게 되는데, 이는 실제 밀링공정에 참고가 된다.
텅스텐-몰리브덴 합금 유한 요소 모델링
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2.1 공구 형상 모델
시뮬레이션은 초경합금 표준 4-블레이드 엔드밀을 사용하며 사양은 표 1과 같습니다. 밀링 커터 모델은 그림 1과 같이 SolidWorks 3D 모델링 소프트웨어를 사용하여 생성됩니다. 본 연구의 목적은 다양한 밀링 매개변수에 따른 절삭력과 절삭 온도의 변화를 분석하는 것이며, 공구의 주 절삭날이 가공물에 비해 훨씬 작다는 점을 고려하여 ABAQUS 유한요소해석에서는 공구를 강체로 가정합니다. Tool 변형 및 마모에 따른 Tool의 물리적 매개변수는 표 2에 표시됩니다.
표 1 공구 사양(단위: mm) 사진
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그림 1 밀링 커터 모델
표 2 도구 물리적 매개변수
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2.2 텅스텐-몰리브덴 합금재료의 구성모델
본 논문의 시뮬레이션 공작물 재료는 텅스텐-몰리브덴 합금이며 주요 물리적, 기계적 성능 매개변수는 표 3[4]에 나와 있습니다.
표 3 텅스텐-몰리브덴 합금 재료의 물리적 매개변수
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금속 절단 과정에서 대부분의 경우 재료는 고온, 높은 변형률 및 높은 변형률에서 탄성-소성 변형을 겪으므로 합리적인 재료 모델을 설정하는 것도 성공적인 시뮬레이션을 위한 핵심 단계입니다. 본 논문의 재료모델은 재료의 변형경화효과, 변형경화효과, 열연화효과를 반영할 수 있는 Johnson-Cook 구성모델을 채택하였으며 그 형태는 다음과 같다.
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공식에서 σ는 유동 응력(MPa)입니다. ε은 소성 변형률입니다. ε0는 기준 변형율입니다. T는 온도(도)입니다. Tr은 실내 온도(도)입니다. Tm은 재료의 녹는점(도)입니다. A, B, C, m, n은 재료변수로서 그 값은 Table 4[5]와 같다.
표 4 텅스텐-몰리브덴 합금 재료의 Johnson-Cook 구성 모델 매개변수
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2.3 접촉 및 경계조건
접촉 속성을 생성하고 시뮬레이션 중에 도구가 강체로 간주되므로 또 다른 강체 제약 조건을 생성해야 합니다. 가공물 측면의 모든 자유도를 구속하기 위해 초기 해석 단계에서 경계 조건을 생성합니다. 공구는 4개의 자유도를 제한하고 Z축을 중심으로 회전 및 이동을 설정해야 합니다. 여기서 회전 속도는 스핀들 속도이고 이동 속도는 이송 속도입니다. 사전 정의된 온도 필드를 생성하고 공작물의 온도를 298K로 정의합니다.
2.4 메쉬 분할
메쉬 분할의 품질은 유한 요소 시뮬레이션 결과에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 모델을 메쉬 생성할 때 적절한 메쉬 단위 유형을 먼저 선택해야 하며, 메쉬 밀도를 합리적으로 제어하려면 정확성과 비용을 종합적으로 고려해야 합니다. 그리드의 밀도가 높을수록 시뮬레이션 결과의 정확도는 높아지지만 계산 비용이 증가합니다. 공구 그리드와 공작물 그리드의 최소 크기는 0.02mm이며 공구와 공작물은 각각 균일한 그리드로 분할됩니다. 공구 구조는 사면체 비독립 구조 그리드를 사용하여 복잡하며 유형은 C3D10MT이고 공구 그리드는 74400 단위입니다. 공작물은 육면체 구조의 그리드를 채택하고 공작물 그리드는 26250 단위이며 공작물 그리드 유형은 C3D8RT입니다. 맞물림 후의 공구와 공작물은 각각 그림 2와 그림 3에 나와 있습니다.
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그림 2 도구 그리드
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그림 3 공작물 그리드
2.5 모델 솔루션
모델 계산에는 ABAQUS/Explicit가 사용되며, 해석 단계의 종류는 동적 명시적 열-기계 결합 해석 단계입니다. 계산이 완료된 후 ABAQUS 후처리 모듈을 통해 결과를 확인하고 분석할 수 있습니다. 밀링 시뮬레이션 결과는 그림 4에 나와 있습니다.
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그림 4 밀링 시뮬레이션 결과
시뮬레이션된 직교 테스트
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3.1 실험 설계
본 실험에서는 주로 텅스텐-몰리브덴 합금을 밀링 가공하는 과정에서 절삭 속도 vc, 역결합 ap, 날당 이송 fz가 절삭력과 절삭 온도에 미치는 영향을 연구하므로 3가지 요소와 4단계의 직교 테이블을 설정합니다. 표 5) 즉, vc, ap, fz를 독립변수로 한다. 절삭 폭 ae=1mm, 최소 절삭력 F 및 최소 절삭 온도 T를 응답으로 둡니다 [6]. 직교 테스트 테이블의 선택 원리에 따라 L16 직교 테이블이 채택되었으며 테스트 배열 및 결과는 표 6에 나와 있습니다.
표 5 직교 요인 및 수준
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표 6 직교 테스트 결과
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3.2 유한요소 시뮬레이션 결과 분석
직교 검정 결과를 분석하기 위해 범위 R(range R) 방법을 사용하며, 범위란 각 수준 지수에 해당하는 최대값과 최소값의 차이를 의미한다. R법이라 불리는 범위분석법은 직교 실험의 결과를 분석하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 방법이다. 이 방법에는 계산과 판단의 두 가지 모듈이 포함되어 있으며 테스트에서 1차 및 2차, 최적 수준 및 요인의 최적 조합을 찾을 수 있습니다[7]. R 방식의 원리는 범위를 계산하여 각 열의 값 범위를 비교하는 것입니다. 범위가 클수록 주요 요인인 요인이 결과에 미치는 영향이 커지므로 직관적인 분석 방법을 통해 결과를 분석합니다. 최소 절삭력 F를 지표로 삼아 시험 결과 분석은 표 7을 참조한다. 표에서 K1, K2, K3, K4는 각 영향요인의 각 수준별 검정 결과의 합이고, k1, k2, k3, k4는 해당 평균값이다. 값.
표 7 Index F 시험 결과 분석 (단위: N) 그림
From Table 7, it can be concluded that the amount of back cutting and feed per tooth have a great influence on the cutting force, and the primary and secondary influences are B>C>A이므로 인덱스 F의 최적 구성은 B1C2A2입니다. 즉 절삭 속도 vc는 60m/s, 날당 이송량 fz는 0.16mm/z, 백 절삭 ap량은 2mm이다. 최소절삭온도 T를 지표로 하여 실험결과를 분석하면 Table 8과 같다.
표 8 Index T 테스트 결과 분석 (단위: K)
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From Table 8, it can be concluded that the cutting speed and the amount of back cutting have a great influence on the cutting temperature, and the primary and secondary effects are A>C>B이므로 선호되는 솔루션은 A1B12C4입니다. 즉, 절삭 속도 vc는 50m/s이고, 날당 이송 속도 fz 양은 0.16mm/z, ap 양은 4mm입니다.
텅스텐-몰리브덴 합금 밀링 테스트 및 모델 검증
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4.1 실험 설계
텅스텐-몰리브덴 합금 밀링 시험의 유한 요소 모델의 타당성을 검증하기 위해 CNC 머시닝 센터 JOHNFORD-VMC-850를 밀링에 사용했으며 표준 4-에지 초경 엔드밀을 사용했습니다. 도구로 선택되었습니다(그림 5 참조).
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그림 5 밀링 커터
공작물 시트의 크기는 150mm×130mm×45mm입니다. 공작물을 동력계에 고정하기 위해 밀링 전에 공작물에 장착 구멍을 가공하고 Ø8.6mm 텅스텐 강철 드릴 비트로 구멍을 뚫은 다음 원통형 육각 소켓 헤드 볼트 M8을 통해 고정합니다. 실험에서는 절삭력 측정을 위해 KISTLER9257b 3방향 동력계를 사용하였으며, 동력계는 압력판으로 공작기계 테이블에 고정하였고, 절삭온도는 적외선 온도계로 측정하였다. 동력계와 공작물의 고정은 그림 6에 나타내었고 힘 측정 및 온도 측정 과정은 그림 7에 나와 있습니다.
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a) 장착 구멍 가공
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b) 힘 게이지가 고정되어 있습니다.
그림 6 힘 게이지와 측정물 고정
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a) 절삭력 측정
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b) 절삭 온도 측정
그림 7 힘 측정 및 온도 측정 과정
4.2 모델 검증
테스트를 위해 세 그룹의 절단 매개변수가 선택되었습니다. Table 9와 Table 10에서 시뮬레이션된 값, 측정된 값, 절삭력과 절삭 온도의 오차를 나타내었다. Table 9와 Table 10에서 시뮬레이션 결과의 최대 오차는 15.6%로 20% 이내임을 알 수 있다. , 따라서 테스트 결과는 엔지니어링 응용 프로그램의 요구 사항을 충족합니다.
표 9 시뮬레이션 값, 측정값 및 절삭력 오차
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표 10 시뮬레이션 값, 측정값 및 절삭온도 오차
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결론
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본 논문에서는 ABAQUS 유한 요소 분석 소프트웨어를 사용하여 텅스텐-몰리브덴 합금의 3차원 밀링 모델을 구축했습니다. 다양한 절삭 매개변수에 따라 텅스텐-몰리브덴 합금을 밀링하는 과정에서 발생하는 절삭력과 절삭 온도의 변화 법칙을 연구하고 직교 실험을 통해 최적의 밀링 매개변수를 얻습니다. 조합, 실제 밀링에 대한 참조를 제공합니다. 얻은 결론은 다음과 같습니다.
1) The back engagement ap and the feed per tooth fz have a great influence on the cutting force F, and the primary and secondary influences are B>C>A. 따라서 절삭력 F의 최적해는 B1C2A2, 즉 vc=60m/s, fz= 0.16mm/z, ap=2mm입니다.
2) The cutting speed vc and the back cutting amount ap have a great influence on the cutting temperature T, and the primary and secondary influences are A>C>B. 따라서 절삭온도 T의 최적해는 A1B1C4, 즉 vc=50m/s, fz=0.16mm/ z,ap=4mm이다.
3) 실제 가공 시 절단 효율과 이점을 종합적으로 고려하여 최적의 공정 변수 조합인 vc=60m/s, fz=0.16mm/z, ap{{4를 구합니다. }}mm.
