Orthogonal Turning Simulations for Casted Steel Alloy Using Mesh Free Methods

Abstract

Automobile components have to fulfil comprehensive requirements in terms of functional performance, reliability and production cost which are at the leading edge of technology. For that, they often undergo machining operations. Robust, high-precision machining processes are critical to the reduction of scrap rates which severely affect the cost per part. Owing to this reason, computational modelling of machining by means of the Finite Element Method (FEM) has gained increased emphasis in recent years in order to enhance process design and optimization. A major drawback of FEM in modelling of machining, however, is the handling of mesh distortions which are inherent to cutting processes. In contrast, mesh-free methods such as Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) or Smooth Particle Galerkin (SPG) methods eliminate this drawback. Hence, this paper focuses on the mesh-free simulation of orthogonal turning of a recent cast steel alloy using the SPH and SPG methods. Simulations of variable particle diameters do indicate low do to be favorable for both methods. Forces and chips from mesh-free simulations were compared against FEM simulation and experimental results. Simulations in LS-DYNA and experiments both using Design of Experiments (DoE) were carried out in order to investigate the effects of cutting velocity, feed and rake angle on force components, which demonstrate good agreement of results from mesh-free simulations and tests. With the mesh-free methods the effort to model the machining process was significantly decreased compared to the FEM, however at the expense of higher computation time. In future, mesh-free methods, especially SPG, can significantly improve the efficiency of the machining process layout reducing today’s mostly experimental expense, which arises in particular for recent materials, thereby contributing to the production at the leading edge of technology.

Abstract

Automobilkomponenten müssen umfassende Anforderungen in Bezug auf die zuverlässige Funktionserfüllung bei niedrigen Produktionskosten erfüllen, die sich im Grenzbereich des technisch Machbaren bewegen. Dafür werden sie häufig spanend bearbeitet. Robuste, hochpräzise Zerspanprozesse sind entscheidend für niedrige Ausschussraten, die die Kosten pro Bauteil erheblich beeinflussen. Zur Auslegung und Optimierung von Zerspanprozessen gewinnt die Modellierung mit der Finite-Elemente-Methode in den letzten Jahren an Bedeutung. Ein Hauptnachteil der FEM bei der Zerspanprozessmodellierung ist die Handhabung von Netzverzerrungen, die dem Schneidprozess eigen sind. Im Gegensatz dazu vermeiden netzfreie Methoden, wie die Smooth Particle Hydrodynamics und Smooth Particle Galerkin diesen Nachteil. Daher wurden die SPHund SPG-Methode am Beispiel des Orthogonalschnitts einer schwer zerspanbaren Stahlgusslegierung untersucht. Simulationen mit variablem Partikeldurchmesser zeigten, dass dieser möglichst gering sein sollte. Anhand simulierter Schnittkräfte und Späne wurden die netzfreien Methoden mit der etablierten FEM verglichen. Simulationen in LS-DYNA ebenso wie entsprechende Experimente unter Nutzung der Design-of-Experiments (DoE) lieferten für simulierte und gemessene Kräfte übereinstimmende Effekte von Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Spanwinkel. Die netzfreien Methoden reduzieren den Aufwand zur Modellierung des Zerspanprozesses im Vergleich zur FEM signifikant, allerdings erhöhen sich die Rechenzeiten. In Zukunft können netzfreie Methoden, speziell die SPG-Methode, die Effizienz der Zerspanprozessgestaltung bei neuen Werkstoffen erheblich verbessern und die Kosten gegenüber dem heute meist experimentellen Vorgehen senken. So tragen sie zur erfolgreichen Produktion im Grenzbereich bei.