Vývoj výkonných vrtacích nástrojů s využitím CAD/CAM a analýzy mechanismu tvorby třísky

Abstract

Dokument pojednává o návrhu vrtacích nástrojů za pomocí CAD a CAE technologií. Nejprve jsou stručně nastíněny různé postupy tvorby 3D modelů vrtacích nástrojů, zmíněny možnosti měření jejich silového zatížení při vrtání, je uveden popis mechanismu tvorby třísky a následně je prezentován přehled nejpoužívanějších explicitních (síťových) metod konečných prvků využívaných pro simulace obrábění. Pro tuto práci byla vybrána bezsíťová metoda SPH, která i přes to, že je schopna velmi dobře zvládat velké deformace a přetvoření materiálu, není pro simulace obrábění téměř využívána a v dostupných publikacích lze nalézt pouze informace týkající se simulací ortogonálního obrábění. Demonstrována je na příkladu simulace ortogonálního obrábění hliníkové slitiny A2024-T351, která zároveň slouží jako výchozí bod pro simulace vrtání pomocí metody SPH. Následuje popis návrhu, simulací a testování prototypů nových vrtacích nástrojů - tříbřitých a dvoubřitých vrtáků s vnitřním odvodem třísky, přičemž podrobněji se dokument zaměřuje na dvoubřitou variantu s monolitní vrtací hlavicí. Pro tento typ nástroje byla provedena i SPH simulace vrtání, která odhalila některé nevýhody dané metody spojené s požadavkem na přesnější simulaci tvaru třísky, a to sice prudký nárůst počtu SPH elementů a následné, v některých případech zásadní prodloužení výpočtového času. Podklady týkající se dvoubřitých vrtacích nástrojů byly poté využity pro tvorbu přihlášky vynálezu.

This document deals with the development of drilling tools by means of CAD and CAE technologies. At first, a brief overview of various design procedures of 3D drill models is presented, possibilities of measurement of force and moment loading during drilling are mentioned, a chip formation mechanism is briefly described and then a list of commonly used explicit (mesh) finite element methods used for cutting simulations is presented. A meshless SPH method have been selected for this work. Although it is able to handle the large deformations easily, it has been used for cutting simulations very rarely and only an orthogonal cutting simulations related information can be found in scientific databases. It has been demonstrated on the orthogonal cutting simulation of A2024-T351 alloy that was also the starting point for SPH simulation of drilling. The following is a decription of the design, simulation and prototyping of new drilling tools - drills with three and two cutting edges and an internal chip channel. This document is focused in detail on the variant with two cutting edges for which SPH drilling simulation has also been performed. Some drawbacks related to more precise chip simulation demands have been revealed, especially a rapid increase in number of SPH elements followed with prolongation of a computational time. Information related to the design of the drilling head with two cutting edges were then used to create the patent application.