Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/13788
Title: Friction-wear modelling in drilling process
Other Titles: Μοντελοποίηση φθοράς-τριβής σε διαδικασία διάτρησης
Authors: Παναγόπουλος, Γεώργιος
Keywords: Drilling
Metal-cutting
H-13
Wear
Keywords (translated): Διάτρηση
Κοπή-μετάλλου
Φθορά
Abstract: Η κατεργασία μετάλλων αποτελεί μία από τις πιο συνηθισμένες διεργασίες κοπής στην μεταποιητική βιομηχανία. Διακρίνεται σε τρείς υποκατηγορίες οι οποίες είναι η τόρνευση, το φρεζάρισμα και η διάτρηση. Εκτεταμένες μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί με στόχο την βελτίωση των διεργασιών αυτών και η ψηφιακή προσομοίωση πλέον αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι της ανάπτυξης προϊόντων. Παρόλα αυτά, η προσομοίωση της κατεργασίας μετάλλων είναι περίπλοκη από φυσικής αλλά και αριθμητικής πλευράς. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της διαδικασίας διάτρησης και το τεχνικό και επιστημονικό υπόβαθρο σχετικά με αυτόν το τομέα κατεργασίας μετάλλων. Αρχικά, πραγματοποιείται μια σύντομη αναφορά στην κατεργασία της διάτρησης. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση ως προς την ανάγκη της δημιουργίας οπών στην κατασκευαστική βιομηχανία. Γίνεται σύντομη αναφορά στα υλικά κατασκευής των τρυπανιών και στα πιο συνήθη προβλήματα που εμφανίζονται κατά την συγκεκριμένη κατεργασία. Επίσης, παρουσιάζονται τα πιο χρήσιμα και συνήθη γεωμετρικά χαρακτηριστικά των τρυπανιών, των οποίων οι τιμές καθορίζουν τον τομέα εφαρμογής τους καθώς και συνθήκες κοπής που θα χρησιμοποιηθούν κατά την χρήση τους. Έχοντας ως γνώμονα την γεωμετρία, παρουσιάζονται οι σύγχρονες τροποποιήσεις που έχουν πραγματοποιηθεί στα τρυπάνια συστροφής με στόχο την βελτιστοποίηση της συνολικής τους απόδοσης, όπως η χρήση επικαλύψεων. Στο παρόν κεφάλαιο πέρα από τα παραπάνω γίνεται αναφορά στα μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των αναπτυσσόμενων δυνάμεων κατά την διαδικασία της διάτρησης. Ακολουθεί περιγραφή ενός συγκεκριμένου προβλήματος επί της κατεργασίας διάτρησης παράλληλα με μια ανάλυση των κυριότερων παραγόντων που οδηγούν στην εμφάνιση του πρώτου. Αναλυτικότερα, προβάλλονται τα πιο συνήθη μοντέλα που εφαρμόζονται στην ξηρή τριβή μεταξύ δύο επιφανειών, και έπειτα αναφέρονται οι τύποι φθοράς που εμφανίζονται στις διεργασίες κοπής. Στο παρόν κεφάλαιο γίνεται συσχέτιση μεταξύ των διαφόρων μοντέλων που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του ρυθμού φθοράς, και επιλέγεται ο ακριβέστερος για την εύρεση της συγκολλητικής φθοράς. Επιπροσθέτως, παρουσιάζονται οι κυριότεροι μηχανισμοί φθοράς που εμφανίζονται κατά την διάτρηση. Το επόμενο κεφάλαιο αποτελείται από μια εκτεταμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση στον τομέα της διάτρησης. Παρουσιάζονται μελέτες που έχουν γίνει αναφορικά με την χρήση τρυπανιών. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται αναφορά σε μελέτες που αφορούν την τροποποίηση των κοπτικών ακμών σε τρυπάνια συστροφής με στόχο την βελτίωση της αποδοτικότητας τους αλλά και την διάρκεια ζωής τους. Πέραν τούτου, παρουσιάζονται πειραματικές μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί με διάφορες γεωμετρίες εργαλείων διάτρησης σε διάφορους τύπους μετάλλων όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας, τα κράματα τιτανίου αλλά και διάφορα άλλα ανθεκτικά μέταλλα που βρίσκουν εφαρμογή σε εξαιρετικά απαιτητικές συνθήκες λειτουργίας, όπως πολύ υψηλές θερμοκρασίες ή καταπονήσεις από μεγάλα φορτία. Κλείνοντας, στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται και μελέτες που σχετίζονται με την μοντελοποίηση της διαδικασίας διάτρησης με την χρήση λογισμικού. Στην συνέχεια, γίνεται σύντομη αναφορά στις υπολογιστικές μεθόδους επίλυσης διεργασιών κοπής που εφαρμόζονται σε λογισμικά προσομοίωσης. Πραγματοποιείται λεπτομερής παρουσίαση του μοντέλου που θα αναπτυχθεί και θα αναλυθεί μέσω λογισμικού, καθώς και τρισδιάστατος σχεδιασμός των κοπτικών εργαλείων αλλά και του προπλάσματος που θα χρησιμοποιηθεί ως κατεργαζόμενο υλικό. Ακολούθως, αναπτύσσονται ψηφιακά μοντέλα και εκπονούνται οι απαραίτητες προσομοιώσεις με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για διάφορες περιπτώσεις, ώστε να εξεταστεί η σχέση μεταξύ της διαφορετικής γεωμετρίας εργαλείων. Επιπροσθέτως, πραγματοποιούνται πειράματα με στόχο την συγκέντρωση πληροφοριών σχετικά με την διεργασία διάτρησης τα οποία συγκρίνονται με τα ψηφιακά πρότυπα. Εν κατακλείδι, η παρούσα εργασία συνοψίζεται, και τα ανωτέρω αποτελέσματα αξιολογούνται όσον αφορά τις διεργασίες διάτρησης. Οι τελευταίες παράγραφοι της παρούσας μελέτης περιγράφουν πως θα μπορούσαν να εφαρμοστούν στην πράξη τα συγκεκριμένα ευρήματα και ποια κατεύθυνση θα μπορούσαν να έχουν μελλοντικές έρευνες.
Abstract (translated): Metal cutting is one of the most frequently used forming processes in the manufacturing industry. It is divided in three main sub-sectors. These are milling, turning and drilling. Extensive studies have been conducted in order to improve the process; and simulation has become an integrated part of product development. However, simulation of metal cutting is complex both from numerical and physical perspective. The scope of this work is to elaborate on the process of drilling and the physics of this sector of metal cutting. At first, there is a brief introduction to the process of drilling. More specifically, a literature review has been performed, regarding the need of hole making in the manufacturing industry. There are references to the materials used to produce twist drills and some of the most common problems and elements that exist in drilling. Also, the most important geometric features of the drills are presented, which determine the sector of their use and the cutting conditions that will be applied. After that, there is a brief report on the current optimizations that have been made in twist drills in order to improve their overall performance, such as the use of coatings. In addition, in this chapter there are references on equations describing the loads applied during the process of drilling. Thereinafter is the description of a more specific problem related to the drilling operation, accompanied by an analysis of the most important factors that lead to the appearance of the above. More specifically, there is a presentation of the most common friction models used in dry friction between two bodies, as well as the wear mechanisms that occur in metal machining. In the present chapter, there is a comparison between the different models used to calculate wear, and the most accurate is chosen in order to calculate adhesive wear. Moreover, main wear mechanisms during drilling are reported. The next chapter consists of an extended literature review in the sector of drilling. There is a presentation of the studies conducted with use of twist drills. More specifically, there are references on studies aiming in modifications of twist drills in order to improve their efficiency and their tool life. Besides, experimental studies are shown that examine different drill geometries on various types of metals, like stainless steel, titanium alloys and other high strength metals used in very demanding applications like very high temperature or high mechanical strain. Closing this chapter, researches regarding modeling and simulation of metal cutting are presented. Next, a brief report of the formulations applied for metal cutting in simulation software modules is apposed. There is a detailed presentation of the models developed and examined via simulation software, as well as the 3D modeling of the cutting tools and the specimen that will be used. Subsequently, simulation models are developed and the required finite element analysis in different setups are conducted in order to examine the connection between the different generated models. In addition, real experiments are performed in order to gather more information about the process of drilling, which are also compared with the simulation models. Finally, this work is summarized and the above findings are evaluated as to their necessity in the process of drilling. The last paragraphs of the present study describe how these findings could be used in practice and in what directions future research could continue towards.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
MASTER_THESIS_GEORGE_PANAGOPOULOS_FINAL.pdfΔιπλωματική εργασία2.22 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.