˘ˇ ˆ ˆ · 2017-01-24 · of ti–6al–4vali davoudinejad, elio chiappini, stefano tirelli,...

12
2351-9789 © 2015 The Authors. Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/). Peer-review under responsibility of the NAMRI Scientific Committee doi:10.1016/j.promfg.2015.09.037 Procedia Manufacturing Volume 1, 2015, Pages 728–739 43rd Proceedings of the North American Manufacturing Research Institution of SME http://www.sme.org/namrc

Upload: others

Post on 15-Jul-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ˘ˇ ˆ ˆ · 2017-01-24 · of Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano 738. 1 ˙’ˇ˙5 & ˙ˇ˙2 ˚ ˙+ˇ˙3 ˙%ˇ˙8

2351-9789 © 2015 The Authors. Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).Peer-review under responsibility of the NAMRI Scientific Committeedoi: 10.1016/j.promfg.2015.09.037

���������������� ����� ���� �� �������������

��� ����� ������������������������� �������������

��������������������

���������� ���

�����������

�����������

�����������

��������������

������������������� �����������������������������������������������������������������

�� ���������!"�����#������$��$���������%������&�

'��&����(����)��*�����&���

�������

������������ ��������������������������������� �� ������������������� ������������������������������

��������� ���� ��� ���� �������������� ����� ������������ ��������� ���� ���� �������� �� ����� ���� � �� �����

��������������� ���������������������������!�������������������������������"� ��������� ���������#$%��

������ �������� ���������� ��� ��������� ������������������ �������� ���������� �������� ���"��������

�&����� ������'�����������&����� �������'������������������ ��"������""�����"�������������������� ���

����� ��� ������"������� ������� ��� ���������"������������ ������������������������ ������� ���������

&��������������� �������(������ ���������������������������&����� ��������"������������(������ ����

����� � � ���� ����� �� � �� ��� � ���� ������ ���� ����� "��� �������� �� ���� ������ ��� ����� �� ������ ����

���������#$%��������������������������������������"������� �� ���������� ��� �������� �������� ��

� ������������� �������������""��� ����� ��������"����������� ����� �"��)�� ���� �����������! ����� ��

��� �������� ���! ���������

����������������� ������� ���� ���������������������������������������������� ����

�� �����������

*��������������������"����� �������������������+�����,����� ���������������������� ��������������

������� ������ ���������������� ������(����� ���������� �������� ����� ��&����������&��������!����������

������� "��� �� ������ �� ��� �"� ���������� �� � �� ������� �������� � � ������� �� �"������ �� �������� ���

%���� �&�������"�+�����,����� ��������(�����������������������&������� ��������������������������� ����

��� ��� ����� �������������� ���� ��������� � �� ���� �������� �� ����� ���� �"� ����� ���������� ������ ������

�(�������� ����� ������������� ��� ���� ���������� � ���"���� �-�� �� ��� ����� .//0��� %� �� ������������

���"�������(������ �������������������� ����������� �&�������"�+�����,����� ������������������ �����

����������� �"������ ���������"����(������&������� � ������� ������������������ ������� ����1����� �

��������.//0���� ��(������ �������������"�����������������������������"��� �������� ����&�����"�� �������

Procedia Manufacturing

Volume 1, 2015, Pages 728–739

43rd Proceedings of the North American Manufacturing ResearchInstitution of SME http://www.sme.org/namrc

Page 2: ˘ˇ ˆ ˆ · 2017-01-24 · of Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano 738. 1 ˙’ˇ˙5 & ˙ˇ˙2 ˚ ˙+ˇ˙3 ˙%ˇ˙8

�������""��� ������������������������������� �����"���� ����"�� �� � ��� ������'������ ���&��� ���

&�� 2�������� ����� 3�������� � �23�� ��� ���� � �������� �� � �� ���� �""����� �"� �� 3���� 1����� ���

������� �� �31��� � � ���� ������ ����� � ���������� �*��� �� ��� ����� ./40��� � ������ ������ ������� ��

����� �&�������������"������&���������������./44������������������"����������� � �������������������

������ �"� ����� �� ���� �)���� � ������ � ����� ����� ��������� ����� �� �521�� � �� ������ ��� ����� ��� � ��

����� �� ��������� � ��� � ��������� �� ���� ����� � ������� � � ����� � �� �������� ���� ����� � � ��� ��

����� �� ��������� 6 ��������� �� � � ������ ����� � �� ���� ��������� ����� ��� ���������� ���������

����� � ��� �� �� &�� � �� ������� ��� � ������� ����� �&������ �*� � ��� ����� ./4/��� �*� � ��� ����� .//7��

���"������ ������ ��������� ����� � �� �8�%�� � �� ��&���� ����� � �� ��� ����� �� ���� ����� ��"�� � �� ����

��������� ���� ��� ���������� ����� ����� ����������������� �� ��� �"��� �� ������ ������ � ���������� �� ���

� ������������ ��"�9������� �������� ������&�� �������� ������� ���"� ���������������� ����������"���

����������������������� �� ��������������������������� ����� �������� ������:����;�� ��'��&� ���.//7���

�� ��&����"����������� �� � �������������������"���)���� ������ ��������� �� "������� ������� � ��� ��

��������� �� ����� ����� ����� ���� � �� ������ ����� ���� ��� �� �� ���� ��� �"��� �� ����� ��� ���

�� ���������������.//<���-���� �������������./44���=�� �� ���������.//7���1� ������ �� ���������

������ ��������� ������� ��"������(�� �� ������������(������ ����� �� ���������������;����������� ��

�� ����� �� � �� ��� ������� ���� ����� �����&��� ����� ��������� � �� ���������� ������ �� � �� ��������� �

���� �)�����"������ � ���� ��� ���;���(�� �� ������� ��� ��������� ��� ����������� � ��������������

����� ���������� ����� ��� �� �����������)������������;������������./40�������"� ��������� ���������

�������� ���� �������� � "��� ���� &�� ���� ��������� � ���� ������� "��� �(��������������� �� ������� �� ���� ���

"������ ���������������&��������������������������"��������������������� ������� ��&��� �����"�����������

� ���� ����� ����� �� ����� � ����� � �� ������������ ��� ��������� � � ����� � �� ��������� �� �� ��&���� �"�

��""��� �������������������� ��&�� ����������� ����������������������������>�� �� �1��!��>�1��������

�>�� �� � � ��1��!�� 4?70�������"���� >1�������� �1�����;� ��� ����� .//7���@(���A�� �� ������� ��������

�@(����� 4?���� � �� 2����� ���� ������ �%� � ��� ����� ./4.��� � � ������ ��� ����� ����������� �������� ����

���������&��� �����%���� ��������"������ ����� ����� ��&����� ����������� ���������!��������������������

���� ���������� � ���"���� ���� ��� ������� �� ��� ���� "���� ������� ����������;���� � �"� ���� ���!� ����������

6 ��������� ����������"������� � ������������ ����� "������ � ��������������� ��� ����������� ��� ����

#� ���� $���� ��%������ �����;���� � ��B;���� ./4/��� #������ � ���""���� �� ��� �� ��� �"��� ���� � "��� �����

����������� � ����������������9��B;����.//���� ���������������""�����"���������������� ���"������"������ �

������ � � #$%� �������� � �� ��������� ���������� ���������� �������� �� � &�� ��� ����� &�� ��� �� �� ����&���

"������ ��������

*� ����������������"������ ������������������ ����� ��������������""������"������ � ��������������

���������������� ������� ����$""������"������ ���������"����� ���������"����������� ����������� ���� ���

����� �� � � ���� ����� ��!�� "���� ������������ "��� ������;� �� ����� �� �� ����� �� �%�� ��� ����� ./4��� ����

�""���� �"� �� ���� � �����������������6'� � ��1-'� ����� ������� �(������ ���� � �� ���� "� ���� ����� ��

��������� � ���� ����� ��� � ��������� ����� ������������� � �� ����� �� ������ �� �B;��� ��� ����� ./4/���

�2��� ��� ��� ����� ./4�� ����� ���� � � �(������ ���� � ��������� � �"� 6 �� ��� <47� ������ ����� ��� &��

���&���� ��������� ����� ��� ����""��� ����������"� ������ ������� �� ��)�������� � ����������� ������ �

�������� �������������� ����������"����"� ��������� ���������"������� �������� � �������������������

�&��� ����������� � ����������&��� ���������������""��� ������� ����������@������ ��������� �������

"������� � � ���� ����� "������� � ����� ���� �"� �������� � � ��� � �� ����� �� �������� ��� ���� ������

������� �� ���� ��� ������������� � �������#$����������!�� �������� ����������������������"�����

� ����� � �� ���� ����� �� �1������ �� ��� ����� ./4��� @����� ������������ �(������ ������ � �������� ����

����� �&�������"���������� ������������������������"� ��������� ����������� ���2�� ��;���������./4��

�8��� ��*�����.//,���������������./40�������"������������ ��&�� �"�� ��� ��������� ��"��������������������

����������������������� ��"������� �������� � ���2��� �����������./4���5� ��� ��3� ���.//4���$ � �

�������&������� ���2����������./4�������������������� ���(���� ����������"����������� �� ���� ������!� ��

�"���������� ��

FE Simulation and Validation of Chip Formation and Cutting Forces in Dry and Cryogenic Cuttingof Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano

729

Page 3: ˘ˇ ˆ ˆ · 2017-01-24 · of Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano 738. 1 ˙’ˇ˙5 & ˙ˇ˙2 ˚ ˙+ˇ˙3 ˙%ˇ˙8

C������������� �������������������� ���&��� ��� �������� ���"����������������&� ���������������� ��

� ������"������ ���� �&��������� ����� ������������� �"����� �#$%��������� �������� �� ���������

"����������� �������� � ���� ���������������������&������������������ �������� � �����.3�"� ��������� ��

���������"������������ ���������� ���� � �$����#$���"�������� ���(������ ������ ���������&����� ��

����� � � ����� �� "������ � �� ����� ���������� @ ��� ���� �������� ��� ������ ���� &�� � ���"����� ���� �����

����������� ������� ����������&�� ������� �������������� ��"�������� ��������� ������ � ������������ ���

������ ���� &�� � ��� �"������ &�� ��� �� �� ��""��� �� �� ��������� ���""���� �� �"� "������ � � �� ��""��� ��

��������&�� ������� ����� ������� ���������������"����������� ���#$%��� ��&�� � ���"����&����� ���"�

�(������ ������������ ��������"������ ��"������� ������������������������ �� ���������������� ���

���� ���������"� ��������� �������� ���#$%������������ "� �������������� � ������� ������������� ����

��""��� ���� � � ���� ����� ���� �"� ����� "������� �� � � ������ �"� ������ �"� �������� ������ � ���� � �� �����

������������

� �����������������������������

@������ ������ � ���"������������� ���������� ��&�������������.���������� ����! ����4�������

����&�� ����"��������� ��*� � �!�����'�����������&����� �����������6*@������ ���� �1'%+�4.//7�

*%D� 444,�� ��� �� �� *� � �!� 218'8� .,.,%� ����� �������� ���� �(������ ���� ������ ��� ������������ � �

#���4������������&� ���� ��"��������������� ������� ���������������� ������������E���!��� ����� ����,��E�

������ ���� ������������������ � �� �����������������������&����� ����1'1�*���&�F ���&�//�������

���������(�������� �����������"�.,�/��� G�� �� ������(������������"�44!C����������� ��"������

������(������ ����������������������=�������?.�,��� ����������������� �������� ������(������ ����

� ��������� ��� ����� ����������������� ���������"����������������� ����������������������(������"�

�/��G�� ��$;������ ��C� ���4??<���6 ���������������������� ����������/��G�� �� ��,/��G�� ��� ��

����"�����������/�.���G�� �� ��/�0���G�� ��������� ���������#������������� �������� � ���������)����

������ �H���������������������������������� ����������������!��"������������"�� !�� ������������� �����

����� �������������� �� �#����4�&���

��������� ���������� ������������������� �������������������������������������

���� ��)���� ������ � H������������������� ��� ��������� ��;� ������������&��� "���� ������ ������������

������ �������������������"������ "��� ����� ����� �� �� ����� � ��� ����� ���� ������������ �� ����� ��������

� ������ "����� �������� ���� ����� ���� � � ��&��� 4�� 6������ �"� ���� ����� ��������� ����� ��������� � ��

��������������� �����������������������������

FE Simulation and Validation of Chip Formation and Cutting Forces in Dry and Cryogenic Cuttingof Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano

730

Page 4: ˘ˇ ˆ ˆ · 2017-01-24 · of Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano 738. 1 ˙’ˇ˙5 & ˙ˇ˙2 ˚ ˙+ˇ˙3 ˙%ˇ˙8

1���� ���������

���G�� ��

#�����

"���G�� ��#��'�� #��'�� I��3���� I��1����

/� /�.� ,,� .�,� /�,7� /��7�

,/� /�.� ,,,� .�7� /�,?� /��<�

/� /�0� <?/� 0.?� /�,4� /�,7�

,/� /�0� <4� 0/7� /�,4� /�,��

�� ����������� ����������������������

�� ���������������������

���� ������� ��������������

�������������������������� ���������� ���������� ����"���������� ����)�������������"�������"������

��� ��� �"��� �� ��� �&��� � �����&��� �������� �-��� ��� ����� .//��� ���� �������� �������� �� � �$����� #$%�

��"������ �&�� ������C� �� *�������� �����"������� "��� ������ �� ����� � �� ����������� ���� ������ ����

������ �������� �� 8���� ��� � �(������� "� ���� ����� �� "��������� � ����� �� � ���"���� �������� �������

����� �������� ��� ��� ��������#����.������������������ �������� ���������������"�����#$%���������� �

� �������� �������� ����������!������&������&�� ����� ���������"�(���� �+��������� �� ������������ �

&����,�� ��+��������� ������������������ ��������������������� ��0/</�&���!������ ����

������������� ����������� ��������������������������������

���� ���!������ ���� ������� ����� ��(� ���� )��������� ���� ������ ����� ��� "��� �� ������ ��&��� �"�

.7///� ������������(������ ���� ���������� ����;���"��� �������!������������������/�4����� ��

/�/.������������ �����������(���������� ����;���"�����������������������/�.����� �������� ��������

/�/.������������������� �����������"� ���� � �������!������ ����� � ���� ��������� ��;� �� �#�������

������ ��������� ����������� ����������� ��������� ����������������������� ������������� ��� ���� �����

����8������� �"��������� �����������)������������ ��� ������ ����������� ��������������� ��� ����� �

���� ����� �� ��������� � �������� �� ������ � ������ ���� ������ �� ������� �� ��� ����������� 6 � ������� � ���

������� �����"� ��� ��� �������� � ������������������������� � ��������������"�����������%� ���������

./4.�� �1������ �� ��� ����� ./4��� ���� ����� ��"� ��� �� "������ ���� ���� ��� ���� "� ���� ����� �"� 7� � ��

������ � ��"�����������������4������� ��������������������������;���� ���&���.��

FE Simulation and Validation of Chip Formation and Cutting Forces in Dry and Cryogenic Cuttingof Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano

731

Page 5: ˘ˇ ˆ ˆ · 2017-01-24 · of Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano 738. 1 ˙’ˇ˙5 & ˙ˇ˙2 ˚ ˙+ˇ˙3 ˙%ˇ˙8

C��!������ � ����� � 2�������� �

8� ���� 4.���� D�!��� ���� ���E� 1���� �������� /��,/� ��

5������ 4�,��� 1����� ���� ���� ,��E� #���� /�.�/�0��� ��!�

%�������� �������� 1���� �������������� /�/,��� 3������"����� 4������

� � %�������� C1� 8� �����"����� .����

� � 1���� �� ���6'� 1���� �� 1����� ��G3���

�� �����"���# �������� � �������

���� �� ������� �������� ����� "��� "���� ������� ������ �� ��� ! �� � � ��� � � ��&����� "����� 6�� �(��&����

����� � ����� ����� � ��� ������������ ��"�� � ��� ����� � ����� � �� � � ���� ���� ����� � ����� � � �� ����� �

��"�� � ��� ��������������� ������ ����"������������������������ �� �#����0��������� ����������� �� ���

�������������������� �������������&�����"����������������������

������������#���������� ���

����"������ ���� ��� � ������������������� ���"������������������� ������1�����&������������� �

� �$)���4�������"������ ��������������� ������������!��"�������������������&����������� ���������� ������

����������������������""���� ���"�"������ �I������;����� ��B;����./4/����

� � ��� � � � � � � � �

�4��

������� ����""���� ���"� "������ �&����� � ���������� �� ��������� � �������� �������� �� ����� �������

����������������� ��"���������(������ ��������������"������ ��"�������6 �$)���.���#��������� ��������������

"������#��������� ������ ��"������ ������������������!��� �������&���4��������������""���� ����"�"������ �

����������������$)���.��"�����""��� ���� ����� ��� ������ �������� �������� � ���5��� �������� ������

���""���� ��� �"� "������ � ����� ����� ��� �� ��� �� ������ � � �������� �� ��""��� �� �(��� ��� ����� ��

�� ����� �9�/�,,�� ��/��.�"�������� �������� �������� � ���������� ������

� �

����

�� ����

����

�� ����

� � � � � � � � �.��

������������������ ��� ������������(������ ��������������������������� ��� ������������������� �����

�������� � � ���� ����������9�*�� ����� ���� "�� �� ����� ���������� �������� �� �������� ���� ��������������� ����

����������� ���"����&���������������""���� ���"�"������ ��5� ���3� ��� ��>�� ���.//4���

���� ������� ��������������������

6 � ������ ��� ��������� ���� �""���� �"� ������ ��� ����� ��� �� "������� ������� � �� ���� ������ �����

�(��� ���&���� ����� ���!�������������� ���������� ������� ���������!������� ���� ������ �����������

���!������� ���� � ��� �� ���� ������������ ��� ���� ��� ./J1�� �(����� "��� �� ����� �������� ���� H��� ���������

FE Simulation and Validation of Chip Formation and Cutting Forces in Dry and Cryogenic Cuttingof Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano

732

Page 6: ˘ˇ ˆ ˆ · 2017-01-24 · of Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano 738. 1 ˙’ˇ˙5 & ˙ˇ˙2 ˚ ˙+ˇ˙3 ˙%ˇ˙8

���������!�������������)���� ������ ��������������4?/�J1��-�������������� ���������!��������(��� ���

������������� ��� �� �������� ������"����� ��� ����� ����������������� ��(��� ��������&��� ��� ���

�� ������ �� �����������������!������� ���"�����6������������������������������������ �������������"���

����������������"� � �� ������������&�� ������� ����� ����������H����������� ���������"��������� ��� �"���

���""���� ���������� ���"�����'����������������������� ���������&����!� �� ��������(�������"����������

�����5��� ������������ ���������������������������� ���� ��! �� �"����9�4�������������������"�����

H������������!��"�������� ���� ��������� �����4</�J1��.���������!����������������������������"��&�� �����

�#�����������&��������������� ��� �������� ���������������0������������������������&����4�����������

������� ���&� ��������������������&������������� �0//�J1������������� ������� �������"������������� ����

�(������ ���� ��� �� �� � ����� �� ������������� � ������� � ����� �� ����� �������� �� � ���� � ������ &��� ����

�����&������� ����&��� �����"��������������� �������� ������������� ����������������� ��&��9���������

� ����&����������&������ �������&�� ���*����� ������������ �����������(������ ������������������� �����

���&� ���� ���"�H��� ��������"����4����0������ ���������� �"������""���� �� ���<,����,///�!CG���

=���

������������������ �� �������&�� ����������������� ���������������������� ��������� ��(���������������

�&���� ������ ��� ����� � �� �"� �K04-� %�� ������ �� �������� ������ �� ����� � ���""���� �� ��� ,///�

!CG���

=���2����������./4���6 �� �����������������)���� ������ ����������������������������� ��� ��

"� ���� ����� �� ��������� � ���������� ���� ����� �� �����������9� ���� � ����������� ��� �"������� ����������

&����� �.0�.<�� ����<,�!CG���

=���5� ��� ��3� ���.//4���*�����(�������"��������#$%���������

������������� �� �#����,�� ������������&� ���� ��������� ���� ��� ������������� ��������� ��4���.��� ��

0������&��� ������ ���� ����H�����������)�������4�,����� ������������ �"������""���� ���������.///�!CG�

���

=�������� ��������� ��������������������������������������&����������������������� ��������������������

������� ������ "��� ���� ������������ "������ ����� ��������� ��� � � �� �� ����� ��� ����� ���!�� "���� ��""��� ��

���������

���������$���� ���� ������ ��� �� ��������������������� ��������

���������%���� ����� ��&��������&�'��������(��������)����

FE Simulation and Validation of Chip Formation and Cutting Forces in Dry and Cryogenic Cuttingof Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano

733

Page 7: ˘ˇ ˆ ˆ · 2017-01-24 · of Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano 738. 1 ˙’ˇ˙5 & ˙ˇ˙2 ˚ ˙+ˇ˙3 ˙%ˇ˙8

���������*�������������� �������������+� �������

,�-.�/'�01 ���

2�����������

,�(33�01 ���

2������������

,�

'33�01 ���

2������������

,�(333�01 ���

2������������

,�'333�01 ���

2��

�� ����������������������������������

���� ��������� �������������������

6 ������������ ������������� �&����� � ���������� ���(������ ������������� ���������� ���� ����� ��

��� ���"������ ��� �������� ���� #$������� ��������� 6 � ���� ���� ��������� ��� ���������� ���������� �"���� �����

��������������� ����� ���������������"���&����������������� ������� ��"������������������ ����������

&����� � �(������ ��� � �� ���������� ����� �� "������� ������� "������ � �� ������� ��� �"����� ��� ���� ���

����� ������� �� ������� ��������� ����� ��� ���� ����� �� ������� �B;���� .//���� 1�������� � �"� �����

���������������(������ ���������� �� �#����<�� ����&���0�������������� � �������������������� ��� �

����� ��������� � � ������� ����� �� �� ����� ��� 1���� ����������� �� � &�� ������&��� ��� �� �����

����������� ����� ��� �� ����� � �� ��(����� ������ �"� ���!� ��������� ������ �������� � �� ���!����!�

����� ����������� �� �#����<�������������������������� ��������� ����� �#����<�� �������������� ��������

� � ����� �� ������ � �� "���� ������� �� ������� ����� �� ������������ ��� ���� ���������� �� ����� ������ ����

���������� ������������ �������� �� ��(����� �"� <</� E1� ������;��� ��� ���� ���������� �� ����� ������ @�����

������������ ��������������������������������� ��������� ��;� �������������������� �������������� �������

���� ��?//�E1��� ���������������.//<���'�����!����������4?70���

�� "�� 2��!��������

�I���

�������������

�I���

2��!����!������ ���

�I���

� � � %�(� %� � %�(� %� � %�(� %� �

/� /�.�#$%� 0//� .74� ..7� 4?/� 44,� 4/4�

$(������ �� .?<� .�?� 47�� 4��� 40� 4.4�

,/� /�.�#$%� .?<� .<,� ./4� 4�<� 40�� ?<�

$(������ �� .7,� .,,� 47� 4,<� 4</� 4�

/� /�0�#$%� 40� 0?0� 0/.� .<0� .4/� 4�/�

$(������ �� 07� 4� 04<� .?4� 4�0� 4<�

,/� /�0�#$%� 47� 0?4� .<�� .,.� .4?� 4<7�

$(������ �� .4� 0?,� .<7� .,�� ..<� 4<?�

�� ����������������������� ���������������� ����$������ �����������

FE Simulation and Validation of Chip Formation and Cutting Forces in Dry and Cryogenic Cuttingof Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano

734

Page 8: ˘ˇ ˆ ˆ · 2017-01-24 · of Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano 738. 1 ˙’ˇ˙5 & ˙ˇ˙2 ˚ ˙+ˇ˙3 ˙%ˇ˙8

���������4���� ���+��������� ������ ��'3�� �� ��3�(��� ��!�� �5����� �������� ��������� ��

! �����������������������������

����������� �&����� ��(������ ����� ����������������� ��� ���������"������� ������""��� ������� ��

�� ����� �� ��� ���� � � � #���� 7�� ���� �������� � ������� ����� ������ ��� �� ����� ������� �� &����� �

�(������ ����� ������������ ������"������ ������ ��"�����������(��������4/L��������� ���������"�����

�<L���������

������������� ��������� ������ ������ �����������

���� ��������� �������������������������

'������������������ ��"������� �������� ������������&������ �������������� � ��#$������������ ��

����� ��� ������ ����� �� �� ����� ��� ���� ��������� � &����� � �(������ ���� � �� ���������� �����

����������� ��� ��������� � � #���� ?� � �� � � ��&��� � � �� ������ �� ���� ����� ������� �� &����� �

�(������ ���� � �� ��������� �������� �� ��� � �� ���� ����� ���������� ����������� ����!� �������� ������

�����������!����!������ �����@ �����#����?�� ������������&��� ���������"�����""��� ������� ���������� ��

"������������������������(������ ���������""�����"������� �������� ���� �&���&��� ��������������� ��

������������ �����!����������� ������"��������9����������� �������� ����� ����""���������������������

������&���� ��"�����"������������ �������������!��"���������������H��� ���� ���������������� � ��������

5��� ���� ���� ����� �� ������������ ��� ��� � � ������� �� ���������� ���� ����� ��� ����� ��� ������� �������

������������� ��&���� <//� E� 1�� �&��� ��� ��� ������� ������ � ��� �� ������ ����� � � ���� ���������� � ���"�����

3�""��� �� ������&���� � �"� ������������ ������� ���� ��� ���� ����� �� �� ����� ��� ���� �������� ������������

��������� �����&��� �������M�,/��G�� �� ��"M�/�.���G�� ����������� ���""����� �����������������������

�������� ��� ������ "����� #� ������ ���� ����� �� "������ ����� ��������� &����� � ���� ��������� � � ��

FE Simulation and Validation of Chip Formation and Cutting Forces in Dry and Cryogenic Cuttingof Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano

735

Page 9: ˘ˇ ˆ ˆ · 2017-01-24 · of Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano 738. 1 ˙’ˇ˙5 & ˙ˇ˙2 ˚ ˙+ˇ˙3 ˙%ˇ˙8

�(������ ������������� ������� �������� � ��������� �� �#����4/��������������������� ��"���������� ��

������ �������� � �� �� ����� �� ����� �� ����� ������� ������� �(������ ���� �������� � ������� �������

��� ��������&��� ����������������� � ������������ ��������&����� ��(������ ����� ������������"������

��� �����(���������L�"��� ������� ������ �� "������ ��7L�"��� ���� ������� "������ 6 "��� ����"����!������

����������������������� �"��� �������� ������ ��"�������������� ���������������� ��"������� �������&�������

�"��������� ������� ���""�����"������� �������� ��� ��������!���������������!��������������K����� ��

5� ���4??.���

�� "�� 2��!���������

�I���

�������������

�I���

2��!����!������ ���

�I���

� � � %�(� %� � %�(� %� � %�(� %� �

/� /�.�#$%� .<� .,7� 4<4� 4,<� ./?� 4�?�

$(������ �� 040� .0�� 4,0� 4.?� ./.� 4.4�

,/� /�.�#$%� .<�� .�� 47� 40� 47�� 4.��

$(������ �� .��� ./,� 4�� 4/� 4�,� 4.�

/� /�0�#$%� 44� 0<?� .�0� .,<� .<�� 4<<�

$(������ �� 4� 0�7� .,� 4<4� .<.� 40?�

,/� /�0�#$%� /,� 0�,� .<0� .�� .,?� .4��

$(������ �� 4<� 0.4� .,/� 4</� ..<� 47�

�� ����������������������� ���������������� ����$����������� �����������

����������������� ��������� ������ ��������������� ����������! ������������������ ����������

� ����

������������� ��������� ������ ������ ������������������������ ����

FE Simulation and Validation of Chip Formation and Cutting Forces in Dry and Cryogenic Cuttingof Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano

736

Page 10: ˘ˇ ˆ ˆ · 2017-01-24 · of Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano 738. 1 ˙’ˇ˙5 & ˙ˇ˙2 ˚ ˙+ˇ˙3 ˙%ˇ˙8

���� ������������������������������������

���� ���������#$%�������������������������������������� �����"�������������� ������ ��������

�������������� ���� ����� ���������� ��"����������������� �������� � ���6�����������"������&���,������

���� ����� ����� � "��)�� ��� �"� ���� ����� ��� ��� �"��� ���� �������� �������� ���!����!� ����� �����������

������������������������������� ����!��������N�������������������������������������������� ��� ���"�����

� �������������������&��������&���!�����6 ������������������������������������ �������� ��� ������������

������� ��"������������������������ ��&���"��������������������� �������������� ����� �� ���� ��� ������

���������������������! ����������"����������&������������������ ������������ ��������� ���&�������������

����������#����44������� �����������������&���� �� ������ �������� �������� ��������������������&��������

��������� ������� ����� �"� ���� ����� ����� �� ����� � � ������ ��� ����� �� ��� � ���� ����� ��� %���� ���� ����

���!��������������� ������ ���&������� �""������ &�� ���� ����� �� ����� � ��������� ���� ������ ��� ��������

��� ��� � ����������&���������������������������� ����� �"��)�� ������������������&������������ ��"�

���������&����� ��� ������ ������� ��������

���� ��� ������� ������� ��� ������� ���������������������

�� "� $(������ ��� #$% $(������ ��� #$%� $(������ ��� #$%�

/� /�. �0�L 7�L �./�/L .4�.L .,�L <�,L

,/� /�. �40�4L� 7�7L �.<�.L� 44�L �7�L� 00�0L�

/� /�0 �7�0L� .�/L �0.�/L� �?�L 0/�<L� .4�/L�

,/� /�0 �?�7L� �?L �.4�7L� �4�<L 4�L� 4?�7L�

�� �����*����� �������������������� �! ������������������������#����������� ������� ����

#������449�"�������������������� ����������������

�� ����������

6 �������������"� ��������� �������� ����������������������.3�������� �������� ���"���������

���� ���� ������� � � ������ ��� � ���;�� ���� �""���� �"� ���� ���� ��""��� �� ����� ���������� � � ��������� �����

"������� �� ������� ��� ���������"�������*� ���� ����� ���������������"������� �����H����������� �������

FE Simulation and Validation of Chip Formation and Cutting Forces in Dry and Cryogenic Cuttingof Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano

737

Page 11: ˘ˇ ˆ ˆ · 2017-01-24 · of Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano 738. 1 ˙’ˇ˙5 & ˙ˇ˙2 ˚ ˙+ˇ˙3 ˙%ˇ˙8

�� ����� � ���""���� �� ��� ������ ��� ���� ������������ �� ����� � ��� ��������� ������ ��� ����� ��� ����

��������� � ��������� �� ����� ��������� ����� ���� �(������ ���� "� �� ��� � � ������ ��� �������� ����

�������������������� ���"������� ��� ��������&������������ ��"������� �������� � ����������� �&����

3�""��� ������� ���� ����� ���������������� ����&��� � ���������������&���������&����� ������������ ��

�(������ ���� ������ "��� ����� �� "������ � �� ����� "������� ������ "� ���� ����� ������������ ����&������

�������������� � �� �(������ ���� �������� ��� ���� ����&���� �����&���#$%������ �� � �� ��� ������ "��� ����

������ ��� ����� � ��� ���� ��������� ������ ���� ����� "���� ��"������ ����&���� � �� ���� ���""���� �� �"�

"������ ����������������� ��� �� �����"��������/�,,��� �������� ����/��.������� � ���������� ������������

�(������ ����"� �� �������������������������������������� ������������� ��������(������ ������������

� ��������"����!��������� �������������� �����!����!������ ����"���&��������� �������� �������� ���6 �

������� ���������&�����������������&��� ���"�������� ��� ���������"�������������� ��

������������� ��"������ �������� ������������ ����������� ����� ������9�

•� ��������� ��"������� ���������""���� ���"�"������ ��������� ������������������ ������ � ���

•� ������ ����"���������& �������� ������������������� ����� ����������� ����������"������ ��������&���

����������� ��"���(������������������&������ �������������� ���������� ��������������� ���

•� �������������� ����� �"��)�� ���� ���������������! ����� ��������"����!��������� �� �������������

������������������ �������� � ���

•� ������ �� ��������� �� �� � &�� �� ����� ������ �� ��� �� ��� ����� �� �� ������� ! �������� � � ���� �����

"������� �� �&��������� �������� �������� ���

� !����������

�����%���-�����&���� �� ��D���%��������-��� ��=��������-���./44���$""������"�1���� ���� �6���� � ��

%���� � ��2����������������%����6 �&���������� �������������������9���D� �����-����44/�

44������4�,<�4�����

�����%���=��������-���� ������%��� ��%��������-���./40���#$%�����������������""�����"�"���������� �

���"���� ����� ��������� ����� �� "����� ���� �� "��������� ���"� ���� �����������./01�2�(����� ?�0���

���.�0�.�?��

����;�����2��� ��B;������� �./4/��� 6 ��������� ��� � �����""������"�"������ ������� �� � �"� ��������� ��

��������� ��"������ � ����������������2�(�����3�����������"���������,.�4������04�.��

����;�����2���B;��������F�&�������3���3� �����%��� ��>��������6���./40���D��� ���� � ����� �������� ��

�"������������ � �������������1�0��-�����4����(3���(�����#�����������.�.�������?,�<47��

-���� ������%���=�������>���*� ��*���2��� �������*��� ��3���������%���./44���'����&��� ���� ��� �

����� ��"��� ����� �� "������ � �� ����� ����������� � � ������ ��� ����� � �� ��������� �������������

2�(�����3���������#�����������(3���(����,4��������,//�,44��

-����5���=O�OP��*��� ����!!���������.//�������������� ��"�������� �������� �������"�����(������ ���

����� ������ ��""��� �� "� ���� ����� �� �������� ������������� 2�(���� �3� �������� #���� ����

���(3���(�����?������?00�?��

-�� ��� +��� 3�� "����� 3�� � �� 3� !� ��� -�� �.//0��� �� � �� �� 1���� �� ���� �������1�0�� -����� 4�

���(3���(�����#����������,.�.������70�,/<��

1�����;��%���1��������3��� ��+������#���.//7����� ������������������"���.3� ������������������ ��"�

��������� ����� "������� � ��� � ����� � �� ���� ���� ������ ��Q���Q�� ������������� 2�(���� �3�

��������#�����������(3���(����7�0�������.<,�.77��

1������ ���$������������*�����&���������2���*��� ���%��� ��%� ���%���./4���@ ���������� �����"������

"������� � � ���Q���Q� ��� � ������� ��� ���� ������ ������� �� ������������� 2�(���� �3���������

#�����������(3���(����<<�����4��.���

FE Simulation and Validation of Chip Formation and Cutting Forces in Dry and Cryogenic Cuttingof Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano

738

Page 12: ˘ˇ ˆ ˆ · 2017-01-24 · of Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano 738. 1 ˙’ˇ˙5 & ˙ˇ˙2 ˚ ˙+ˇ˙3 ˙%ˇ˙8

1����� ��'���5��&����� ���� 2������� ��+���3��������%��� 8��&���� ��%����� ����� >�� � ��2����(��-��

�.//0���C����%���� ������"�'��������%��������� "��������6��5����2��"���� ���%���� � ���

1�0��-�����4����(3���(�����#����������,.�4������<0�<���

$;������ $�� � �� C� ��� K�� �4??<��� ���� ���� ������� � �� ������ ����� �&�����R�� �� ����� 2�(���� �3�

��������������������#�����������7�0������.�.�.<��

5� ���*��� ��3� ���:�� �.//4���1���� �������������� ������� ���������������� ������� �������� � ��

�"�����������������������2�(�����3���������#�����������(3���(����4�4/������44<�40<��

5� ���*���3� ���:��� ��>�� ���C���.//4���#������ �� ������� ��"������� ������� �������� � ���"���Q

���Q���������������2�(�����3���������#�����������(3���(����4�4,������..<4�..7,��

>�� �� ��+��� ��1��!��C���4?70������� ������� ��������� �������"������������&H�������������������� ���

���������� �������� ��������������������#���5���"������(�����/�����������,4Q,<��

=�� ������ ���������%�� �.//7��� 6���� � �� �������"����� �������� �������� ���2�(�����3����������

�����������#����������4?��4�0������4?�4,��

8��� D�� � �� *����� ��� �.//,��� #� ���� ����� �� ������ �� �"� 03� ��� � �� �"� ���� ����� ���� 2� -��� ���(3�

#�������.?�0�������.,0�.�4��

%��� >���� ������2���1� ������*��� ��8����*�� �./4���'��������� 6 ��������� ��"������2��"���� ���� �

%���� ���"�����������������������������3�6-�0�7"���.��

%� ��S���D� ��3���F�����*���>�� �� ��1��� ��%�������������./4.����������� ��"�#� ����$���� ��1���� ��

#�����2�������� �"���$ ��%���� ������������1�0���4�������0���7��

'�����!��� '��� %���!������ ���� %��� ������ *�� � �� ��!������� 5�� �4?70��� *����� � � %���� � �� �"�

���� ������������1�0��-�����4����(3���(�����#����������0.�4�������,��?��

@(����� 2�� �4?����� 6 ������� �� ����� ������ ���� �� �� ���!� ��������� ����������� � ��� ���� � ������� �"�

������� ���1���� ���1�0��-��������(3���(�����#����������40�����4.<�407��

2�� ��;��*���3���&��6���D����������� ��'����������1���./4���$(������ ����� ��'���������6 ��������� �

�"������������������ �&��������� ������'�1��������������������������3�6-�0�7"���.��

2���K���F�&�������3���3���� ��@��� ��>��������6���./4���#� ����$���� ��*�������� ��"�D��������*��������

� �1����� ���%���� � ���"��K04-�%������������������1�0���40�����.7.�.7<��

2��� ����#���1���&� ��1���D�����>���=������>��� ��>��������6���./4���� �6 ��������� ��"�����$""�����"�

'������ �2������ �1����� ���%���� � ��2��"���� ���� ����1����*������ �%���� � ���"�6 �� ���

<47��������-"���������������.��

*��� ���%�����&���������2���1������ ���$��� �����������*���./40���$(������ ����$ ������� ��"�6 � ��� ��

������"�������������� � ���8���,,�,,<�����4?4�4?,.��

*� �� *��� -�� ����%�� � �� 3��������� %�� �./4/��� ���������� � �� ���� ����� � �� �"� ������������� ��

���������R�� �� ����� ������������� 2�(���� �3� �������� #���� �������(3���(���� ,/�7��� �����0�

�7/��

*� �� *���5������� >�� � ��-�� ����%�� �.//7���2���������� 6 ��������� � �"�8��������������%���� � �� �"�

1������������2�������� �����-�����������������������������4/��������,�,�,<.��

� ��������=���2�����*��� ��1������������������.//<���+�������"������������ ���� � ���"���������

������� ���������� �������� ���9�����.�.�?�4/������4/<4�4/<7��

:����;�� :�� � �� '��&� ��� %�� �.//7��� �� �� ���� �"� ������ ��� ����� �� � � ����� � �� �����������

�������������2�(�����3���������#�����������(3���(����7�?������?<�?���

K�����K��� ��5� ���*���4??.���1���� �������������"��������� �������� � ��"���������������� ������ ���

2�(�����3����������������������������3���������4�,��������?��<7��

B;���� ��� �.//���� ���� � "��� ��� �"� "������ � ������� � � "� ���� ����� �� ��������� �� �"� ����� � ���

�������������2�(�����3���������#�����������(3���(������,������,47�,0/��

B;��������*�����%���*�� ���� ������� ��=�"�� ������-���./4/��� 6 ��������� ��� � �����""������"�������

�������� ������� � ������ � � ����� � �� ��Q���Q� ������ ����� �(������ ��� � �� "� ���� ����� ��

��������� ���1�0��-�����4����(3���(�����#����������,?�4������<<�7.��

FE Simulation and Validation of Chip Formation and Cutting Forces in Dry and Cryogenic Cuttingof Ti–6Al–4VAli Davoudinejad, Elio Chiappini, Stefano Tirelli, Massimiliano Annoni and Matteo Strano

739