Application of a new anisotropic pressure dependent material constitutive model for predictioning the forces in metal cutting operations by finite element analysis

Chip removal is one of the available machining processes. It is appreciate for its flex- ibility in terms of workpiece material and features geometry and for the high material removal rate. For these reasons, this process is widly used to produce parts for several industrial fields (from mechanics to biotechnology, from fluidics to optics, ...). Besides that the understanding of the process is far away to be complete, in fact it is not suf- ficient to downscale the macromachining models to approximate the process because there are other factors to take into account (e.g. the "minimum chip thickness", the "size effect", the material anisotropy, the material different behavior in micromachin- ing where high strain rate and high pressure are measured, ...). In this study, an attempt is made to consider the anisotropy and the pressure de- pendence behavior for the cutting forces prediction in a Finite Element simulation of an orthogonal cutting machining. For this purpose the commercial software ABAQUS has been used. The results obtained with the new anisotropic and pressure dependent modelarecomparedwiththeonesobtainedwiththemostcommonandwellacquainted Johnson-Cook constitutive model. The inclusion of the pressure in the model should improvethepredictionforthosematerialswhoseplasticbehaviorisinfluecedbyhydro- static pressure, this effect in fact modify the geometry of the yield surface generating a different stress state that can influence the forces during cutting operations. The material chosen for this purpose is the nickel-based alloy INCONEL 718. This is a hard to machine material that seems to show pressure dependant behavior. For this reason, improving the Finite Element simulation can lead to a better understanding of the machining process of this material.

L’asportazione di truciolo è uno dei processi di lavorazione dei metalli disponibili. E’ apprezzato per la sua flessibilità in termini di materiali lavorabili e geometrie realizz- abili, ma soprattutto per l’elevata velocità di rimozione del materiale. Per tutte queste ragioni questo processo è largamente utilizzato per produrre componenti dedicati a nu- merosi campi di impiego industriale (dalla meccanica alle biotecnologie, dall’idraulica all’ottica,...). Nonostante questa larga diffuzione la comprensione del processo è lon- tana dall’essere completa, infatti non è sufficiente ridurre di scala i modelli macro per approssimare il processo perchè ci sono altri fattori da tenere in conto (i.e. il "minor spessor di truciolo", "l’effetto dimensione", l’anisotropia del materiale, il comporta- mentodelmaterialesottolecondizionidellemicrolavorazioniincuisimisuranoelevate velocità di deformazione e alte pressioni,...). In questo studio si vuole fare il tentativo di usare un modello di materiale che con- sideri l’anisotropia e la dipendenza dalla pressione di una lega a base nickel per la previsione delle forze in una prova di taglio ortogonale grazie all’utilizzo del software commerciale agli elementi finiti ABAQUS. I risultati ottenuti con questo modello sono confrontati con quelli ottenuti utilizzando il modello di Johnson-Cook, che allo stato attuale è quello piùutilizzato per questo genere disimulazioni. L’aggiunta delladipen- denza dalla pressione al modello costitutivo dovrebbe comportare un miglioramento delleprevisioniperqueimaterialichesonosoggettiauncomportamentoplasticodipen- dente dalla pressione idrostatica. Durante le lavorazioni meccaniche infatti, i pezzi in lavorazionepossonoesseresoggettiaelevatepressionicheindeterminatimaterialigen- erano uno stato di stress differente da quello che ci si aspetterebbe, questa differenza potrebbe influenzare le forze di taglio. Per questo studio è stato scelto come materi- ale da testare l’INCONEL 718, una lega commerciale a base Nickel. Si tratta di un materiale difficile da lavorare che, secondo letteratura, sembra presentare un compor- tamento dipendente dalla pressione. Il miglioramento delle simulazioni ad elementi finiti per questo materiale potrebbero pertanto portare ad una miglior conoscenza nella lavorazione di questo materiale, che ha acquisito una certa importanza nell’industria contemporanea.