1996-application of 2d fem to chip formation in orthogonal cutting.pdf

8/19/2019 1996-Application of 2D FEM to chip formation in orthogonal cutting.pdf

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E L S E V I E R

J o u r n a l o f M a t e r i a l s

Process ing Technology 59 (199 6) 1 69-1 gO

Journal o f

M a t e r i a l s

P r o c e s s i n g

T e c h n o l o g y

A p p l i c a t i o n o f 2 D F E M t o c h i p f o r m a t i o n i n o r t h o g o n a l c u t t i n g

E . C er e t t i a , p . Fa l l b6 hm e r b,*, W . T . W u c, T . A l t a n b

a Dep artme nt of Mechanical Engineering Un iversity of Brescia B rescia Italy

b ERC for Net Sha pe Manufacturing Oh io State Universi ty Columbus Ohio 43210 USA

c Scientific Forming Technologies Corporation Columbus Oh io U SA

I n d u s t r ia l S u m m a r y

T h i s p a p e r s u m m a r i z e s t h e r e s u l ts o f a n i n v e s t i g a t i o n w h e r e t h e F E c o d e D E F O R M 2 D w a s a p p l i e d t o

s i m u l a t e a p l a n e s t r a in c u t t in g pr o ce s s. T o p e r f o r m t h e s i m u l a t i o n w i t h r e a s o n a b l e a c c u r a c y a n d t o s t u d y

c o n t i n u o u s a n d s e g m e n t e d c h i p f o r m a t i o n i t w a s n e c e s s a ry to m o d i f y t h e e x i s ti n g v e r s i o n o f t h e c o d e. D a m a g e

c r i t e r ia h a v e b e e n u s e d f o r p r e d i c t i n g w h e n t h e m a t e r i a l s t a rt s t o s e p a r a t e a t t h e i n i t i a t io n o f c u t t in g f o r

s i m u l a t i n g s e g m e n t e d c h i p fo r m a t i o n . F o r t h is p u r p o s e , s p e c ia l s u b r o u t i n e s h a v e b e e n i m p l e m e n t e d a n d t e s t e d .

T h e i n f l u e n c e o f s e v e r a l p a r a m e t e r s s u c h a s c u t ti n g s p e e d , ra k e a n g l e , a n d d e p t h o f c u t h a s b e e n s t u d i e d .

R e s u l ts o f e x t e n s i v e F E M s i m u l a t io n s a n d t h e c o m p a r i s o n w i t h e x p e r i m e n t a l d a t a a r e r e p o r t e d .

1 . I N T R O D U C T I O N

I n c u t t i n g p r o c e s s e s , t h e fi n a l p a r t s u r f a c e f i n i s h i s

i n f l u e n c e d b y c h a n g e s i n t o o l g e o m e t r y , c h i p f l o w ,

t e m p e r a t u r e g e n e r a t io n , h e a t f lo w a n d t o o l w e a r .

T h e u n d e r s t a n d i n g o f t h e s e i n t e ra c t i o n s d u r i n g t h e

c u t t i n g p r o c e s s i s a f u n d a m e n t a l t a s k . I n f a c t, t h i s

k n o w l e d g e e n a b le s t h e t o o l m a k e r s t o e v a l u a t e t h e

p e r f o r m a n c e o f t h e c u t t in g t o o l d e s i g n p r i o r t o

m a n u f a c t u r i n g a n d e x p e n s i v e f ie l d t e st in g . I t a l s o

e n a b l e s th e u s e rs o f c u t t in g t o o ls t o e v a l u a t e t h e

e f f e c t s o f t h e w o r k i n g c o n d i t i o n s o n t o o l l if e a n d o n

t h e q u a l i t y o f t h e f i n a l p a r t .

T h e u s e o f fi n it e e l e m e n t c o d e s h a s b e e n p r o v e d t o

b e a n e f fe c t iv e t e c h n iq u e f or a n a l y z i n g m a t e r i a l

f l o w i n g e n e r a l a n d t h e c u t t in g p r oc e ss i n p a r t i c u l a r .

T h e s e m e t h o d s ar e s u i t e d f o r a n a l y z i n g l a r g e

e l a s t i c -p l a s t i c d e f o r m a t i o n p ro b l e m s i n c l u d i n g

t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t m a t e r i a l p r o p e r ti e s a n d

h i g h s t r a i n r a te s . A t t e m p t s t o a p p l y F i n i te E l e m e n t

t e c h n iq u e s t o m a c h i n i n g h a v e b e e n m a d e b y m a n y

*Corresponding author .

r e s e ar c h e r s. M o s t o f t h e s e s t u d i e s d e a l w i t h a s t a t i c

s i t u a ti o n ( s t e a d y s t a te s o l u ti o n ) a n d n o t w i t h t h e

p r o b l e m o f c h i p f o r m a t i o n a n d b r e a k a g e . S o m e d o

n o t c o n s i d e r e f f e c ts o f fr i c t i o n i n t h e c o n t a c t z o n e

b e t w e e n to o l a n d m a t e r i a l , n e i t h e r e f f e c ts o f

t e m p e r a t u r e i n c r e a s e , n o r e f f e c t s o f c u t t i n g s p e e d [1 ].

O t h e r m o d e l s a r e a b le t o c o n s i d e r t h e a b o v e d e f i n e d

p a r a m e t e r s b u t r e q u i r e t h e u s e o f n o n - c o m m e r c i a l , a d

ho c FE c od es [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10] .

T h e m o d e l p r o p o s e d i n t h i s s t u d y u s e s t h e

c o m m e r c i a l c o d e D E F O R M 2 D t o s i m u l a t e t h e

c u t t i n g p r o c e s s . T h i s is a n I m p l i c i t L a g r a n g i a n F i n i te

E l e m e n t c o d e d e s c r i b e d i n s e v e r a l e a r l i e r

p u b l i c a ti o n s [ 1 1 ] . I n t h e f i n it e e l e m e n t m o d e l ,

c o n ti n uo u s c h i p f o r m a t i o n i s s i m u l a t e d b y c h a n g i n g

t h e d e f a u l t r e m e s h i n g p ro c e d u r e . T h e s e g m e n t e d

c h i p f o r m a t i o n i s s i m u l a t e d b y d e l e t i n g t h e

e l e m e n t s c l o s e t o t h e t o o l ti p t h a t h a v e b e e n

s u b je c te d t o h i g h d e f o r m a t i o n a n d s t re s s ( t h i s

r e q u i r e s a v e r y d e n s e m e s h c l o s e t o t h e t o o l t ip ) . T h e

e l e m e n t s s e p a r a t e w h e n a c r i te r i o n , b a s e d o n t h e

a c c u m u l a t e d d a m a g e , i s s a t i s f i e d .

T h e u s e o f a c o m m e r c i a l F E c o d e f a c i l i t a t e s t h e

p r a c t i c a l a p p l i c a t io n o f s i m u l a t i o n t o e v a l u a t e

v a r i o u s c u t t i n g c o n d i t i o n s . T h u s , in t h i s s t u d y t h e

0924-0136/96 / 15 . 00 © 1996 E l s e v i e r S c i en c e S . A . A l l righ ts reserved

PI10924 0136

(96) 02296-0


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17

E. Cerettt et al. / Journal of Materials Processing Technology .59 1996) 169-180

e f f ec t o f p a r a m e t e r s s u c h a s c u t ti n g s p e e d , r a k e

a n g l e , a n d d e p t h o f c u t o n t h e c u t t i n g p r o c e s s h a s

b e e n s t u d i e d . T h e c o m p u t e d c u t ti n g f o r ce s ,

t e m p e r a t u r e , d e f o r m a t i o n s a nd c h ip g e o m e t r y h a v e

b e e n c o m p a r e d w i t h e x p e r i m e n t a l d a t a f o u n d i n

l i t e r a t u r e [ 2, 1 2] . T h e o b t a i n e d r e s u l t s a r e i n g o o d

a g r e e m e n t w i t h e x p e r i m e n t s .

2 . T H E F E M M O D EL

T o s t u d y t h e c u t t in g p ro c e s s w i t h D E F O R M 2 D i t

w a s n e c e s s a r y t o m o d i f y t h e F E co d e . T h e r e m e s h i n g

m o d u l e h a s b e e n c h a n g e d f o r s t u d y i n g c o n ti n uo u s

c h i p f l o w . A n e w m o d u l e f o r s im u l a t i n g s e g m e n t e d

c h i p f l o w h a s b e e n a d d e d a ls o . In p a r t i c u la r , t h e

f r a c t u r e o f t h e m a t e r i a l c a n b e p r e d i c t e d u s i n g a

d a m a g e c ri t er i o n . W h e n t h e c ri ti c a l d a m a g e v a l u e

i s r e a c h e d , t h e m a t e r i a l i s r e a d y t o c r a c k a n d t h e

e l e m e n t s a r e r e m o v e d f r o m th e w o r k p i e c e m e s h . A

m a j o r p r o b l e m a s s o c i a t e d w i t h t h is t e c h n i q u e is t h e

l os s o f v o l u m e d u r i n g t h e s i m u l a t i o n . H o w e v e r ,

w h e n u s i n g s m a l l si ze e l e m e n t s i n t h e f r a c tu r e z o n e,

t h e l o s s o f m a t e r i a l c a n b e n e g l e c t e d .

2 1 C u s t o m iz a ti o n o f D E F O R M 2 D

T o i m p l e m e n t th e m o d u l e o f d e le t i ng t h e e l e m e n t s

i n D E F O R M 2 D it i s n e c e ss a r y to c h a n g e t h e

r e m e s h i n g m o d u l e . R e m e s h i n g i s a f e a t u r e u s e d

w h e n t h e m e s h of t h e p a r t i s h i g h l y d i s t o r t e d a n d

t h e p r o g r a m i s n o t a b l e t o f in d a c o n v e r g e n t s o l u t i o n

[1 3]. A n e w l e s s d i s t o r t e d m e s h i s c r e a t e d a n d a l l t h e

p a r a m e t e r s l i k e s t re s s e s , s t r a in s , d a m a g e s a r e

u p d a t e d i n to t h e n e w m e s h . T h e c u s t o m i z e d

r e m e s h i n g m o d u l e i s c h a r a c t e r i z e d b y fi v e m a i n

p a r t s ( s i m u l a t i o n , e x t r a c t io n o f t h e k e y w o r d f i l e ,

e r a s i n g c e r t a in e l e m e n t s , s m o o t h i n g th e b o r d e r ,

r e m e s h i n g ) , a s t h e f l o w c h a r t o f F i g. 1 i l lu s t r a te s .

A t e a c h s i m u l a t i o n s te p , t h e d a m a g e v a l u e i s

c a l c u la t e d a n d t he e l e m e n t s ar e d e l e t e d w h e n t h e

c r i ti c a l d a m a g e v a l u e is r e a c h e d . A l s o t h e

p a r a m e t e r s d e s c r ib i n g t h e e l e m e n t c o n n e c t i v i t y

d e f i n i t io n , th e s tr a i n v a l u e , t h e d a m a g e v a l u e , a n d

t h e s t r e s s v a l u e a r e d e l e t e d .

D e l e t i n g o f m e s h e l e m e n t s o f t e n c r e a te s a v e r y

r o u g h b o rd e r a t t h e b o u n d a r y o f s e p a r a t io n . T h e

r e m e s h i n g m o d u l e c a n f a il i n tr y i n g t o r e m e s h t h e

p a r t b y u s i n g t h i s b o r d e r , s o i t i s n e c e s s a r y t o c r e a t e a

n e w s m o o t h e d b o r d er .

T h e s m o o t h i n g o f th e b o r d e r i s t r i g g e r e d b y u s in g a

g e o m e t r i c a l c r i t e r i o n . I f t h e a n g l e o f t h e r o u g h

b o r d e r i s c o n s i d e r e d t o o s m a l l o r t o o b i g , t h e

I Modificat ion of the

s m o o t h i n g

coefficient

I

START )

L~

S i m u l a t i o n

I

Yo s

~ - N o

I Extraction of the key wo rd fi l

I

N ° m

IYes

I E rase the e lemen ts I

Extraction and [

smoo th ing o f the

b o rd e r

I

R e m e s h i n g [

I

N ° I

IYes

In terpo la t ion

I

I Modificat ions o f the [

bound ary cond i t ions [

I

I Inpu t p repara t ion ]

I

F ig . 1 : F l o w c h a r t o f t h e m o d i f i e d D E F O R M 2 D

r e m e s h i n g m o d u l e .

s m o o t h i n g h a s t o be t ri g g e r e d . T h e p r o g r a m c u ts ou t

t h e c o n s i d e r e d r o u g h a n g l e a n d a d d s s o m e n e w

p o i n ts . T h e d r a w b a c k o f t h i s s m o o t h i n g pr o c es s i s

t h e l o s s o f m a t e r i a l . I n d e e d , a s h a r p a n g l e w i l l

b e c o m e r o u n d e d .

T h e l a s t s t e p b e f o r e r e s t a r t in g a n e w s i m u l a t i o n

r u n is t h e m o d i f i c a t i o n o f t h e b o u n d a r y c o n d i ti o n s .

T h e p r o g r a m f ir st e r a s es e v e r y i n te r - ob j e c t b o u n d a r y

c o n d i t io n b e t w e e n t h e w o r k p i e c e a n d t h e c u t t in g


3/12

E . Ce r e t i e t a l . / J our n a l o f M ate r ia l s P r oc e s s ing Te c hno logy 59 1996) 169 -18 0 171

t o ol , t h e n a n e w u p d a t e d i n te r -o b j ec t b o u n d a r y

c o n d i t i o n i s g e n e r a t e d .

2 2 P r o c e ss De f i n i t i o n

T h e c u t t in g p r o c e ss i s m o d e l e d a s o r t h o g o n a l w i t h

p l a n e s t ra i n d e f o r m a t i o n , F ig . 2 , a n d n o n - i s o t h e r m a l

w h i l e t h e s im u l a t i o n t y p e i s i n c r e m e n t a l t h e s t e p

incr em ent i s d ef in ed so to cu t 1 ~-fcc tw i t h 1 00 s t e p s ) .

T w o o b je c t s: t h e w o r k p i e c e F ig . 3 ) a n d t h e t o o l F i g .

4 ) a r e d e f i n e d . T h e i r p a r a m e t e r s a r e r e p o r t e d in

T a b l e 1 . T h e f l o w s t re s s o f t h e w o r k p i e c e m a t e r i a l

o ) is a s s u m e d t o b e s t r a in , s t r a i n r a t e a n d

t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t . S i n c e o v a l u e s w e r e n o t

a v a i l a b l e f o r l a r g e s t r a in s , i n t h i s r a n g e o i s

a s s u m e d t o r e m a i n i n d e p e n d e n t o f s tr a in .

T a b l e 1 : F e a t u r e s o f t h e d e f i n e d o b e c t s

P ar am e t e r Wor k p i e c e

T o o l

M o d e l

f o r t h e

object: Plas nc Rigid

Geom et ry l - le ighr=5r rtm Rake ang le a=3 0 °,

W i d t h ~ 2 0m m C l ~ c e a n g le D = I 0 ,

Too l T ip Rad ius r - -O . lm m

M ate r i a l AISI 1045 H igh Speed S tee l Too l H l l )

N u m b e r o f e l e m e n t s 1 5 0 0 5 0 0

Thermal Prol>erties:

T h e r m a l C o n d u ~ w t y :

H e a t Capacily:

Emis s iv i ly :

Interface Hea t Tran sfer Coef.:

3 8 N / s / C

3 6 / m m 2 / C

0 75

l N / s / m m / C

3 4 N I s / C

4 6 N l m m 2 / C

0 45

I N l s / m m / C

C o n s t a n t F ri c ti o n: m = 0 5 m = 0 5

Initial

T e m p e r a t u re : 2 0 ° C 2 0 ° C

T h e w o r k p i e c e a n d t h e t o o l a r e c h a r a c t e r i z e d b y

n o n - u n i f o r m m e s h d i s t r i b u t i o n s , a s i l l u s t ra t e d i n F i g.

3 a n d 4. V e r y s m a l l e l e m e n t s a r e r e q u i r e d i n t h e

c o n t a c t a r e a b e t w e e n t o o l a n d w o r k p i e c e b e c a u s e o f

t h e v e r y l a r g e t e m p e r a t u r e g r a d i e n t s t h a t w i l l

d e v e l o p in t h i s r e g i o n a n d t o m i n i m i z e t h e l o s s o f

v o l u m e d u r i ng t h e s i m u l a ti o n . L a r g e r e l e m e n t s a r e

t o l e r a b l e i n t h e a r e a o f t h e w o r k p i e c e a n d o f t h e

t o o l n o t a f f e c t e d b y t h e c u t t i n g p r o c e s s .

F i g . 5 s h o w s t h e p l a s t i c p r o p e r t i e s f l o w s tr e s s

v e r s u s s t r a in f o r t w o s t r a i n r a t e s i n f u n c ti o n o f

t e m p e r a t u r e ) o f t h e w o r k p i e c e m a t e r i a l A I S I 1 04 5) .

W h e r e t h e d a t a a r e n o t a v a i l a b l e , i .e . f o r s t r a i n

l a r g e r t h a n 0 .7 , c o n s t a n t v a l u e s o f t h e f l o w s t r e s s

h a v e b e e n u s e d . E s t im a t i o n o f f l o w s t re s s d a t a u n d e r

r e a l c u t t in g c o n d i t i o n s , a t l a r g e s t r a in s a n d s t r a i n

r a t e s a n d in f u n c ti o n o f t e m p e r a t u r e , i s a m a j o r

p r o b l e m f o r c o n d u ct in g r e l i a b le s i m u l a t i o n s o f t h e

c u t ti n g p r oc e s s. A p p r o x i m a t i o n s m a d e h e r e a l l o w e d

u s t o o b t a i n r e a s o n a b l e r e s u l t s . H o w e v e r , t h e i s s u e o f

o b t a i n in g r e li a b l e m a t e r i a l f l o w st re s s d a t a n e e d s

f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n .

L ,

t o

V

B

/ tl

/

I

A l - -

F i g . 2 : S c h e m a t i c o f o r t h o g o n a l m e t a l c u t ti n g : a

r a k e f a c e a n g l e , q c l e a r a n c e a n g l e , f s h e a r p l a n e

a n g l e , V c c h i p v e l o c i t y , V t o o l v e l o c i t y [ 1 4 ]

1 . 2 0 0

. 4 0 0

, 0 0 0

. 0 0 0 , 4 0 0 . 8 0 0 1 2 0 0 1 .1 1 )0 0 2 , 0 0 0

X R

1

x l O

Fi g . 3 : I n i t ia l w o r k p i e c e m e s h X - -- 20 mrn , Y = 5 m m) .

7 , 1 1 4

. 4 . 2 0 7 1 1 I I I X I O 1

2 - 0 0 0 2 . 0 g Q 2 , M 2 , 2 9 7 2 . 3 8 7 a ~ l l l e

X R

F i g . 4 : T o o l g e o m e t r y a n d m e s h X a n d Y d i m e n s i o n s

a r e i n r a m) .


4/12

172 E. Ce re tt z e t aL / J ournal o f Mate r ia l s Proc e s s ing Te c hnology 59 1996) 16 9-18 0

x lo

11.400

/ /

fill LI~

Ltl

.0~

I I I I

.ilO0

1,1100 11.400 31300

STRAIN

T-

J : l~ * 8 d

dk~

Table 2: Experimental and simu lat ion

conditions.

Workpi ece Material AISI 1045

Tool High Speed Steel Tool H11)

Rake angle ct = 30 °

Clearance Angle 0 = 10 °

Tool Radius r = 0.1-0.5 mm

Undefor med Chip Thickness tl) t] = lmm

Cutting Velocity v¢ = l-2.5mnVs

Friction Factor m = 0.5

Initial Tempera ture 20 ° C

Workpiece and Tool)

1

2

xlO

8.400

? . m o /

& leo

U.I

l m

.ooo

I I I I I

. 0 0 0 . 8 0 0 1 Q O O 8 . # 0 0 ~ 4 . 0 C 0

STRAIN

To 20.00

T - N S . m

T - 9 N . S e

T . l O N J e

T . 1 1 9 8 . 88

Fig. 5: The flow stress curves at var iou s

temperatu res (°C) for AISI 1045 steel at 0.1/s and

100/s strain rate (for values of strain larger than test

data the flow stress is assumed to remain constant).

3. COMPARISON OF PREDICTIONS WITH EXPERIMENTS

To evaluate the cutting model, the exper imenta l

data found in liter ature [2] are compared to t he

results of the simulati ons using the same cutting

conditions (friction, workpiece mat eri al and tool

geometry). In these comparisons, the effect of

temperature is also considered.

The process parameters used in simulations and

experiments [2] are su mma riz ed in Table 2. Fig.

6 gives the comparison between the computed and

0 . 9

0 . 8

0 .7

._o o . 6

,', 0 . 5

c 0 . 4

0 . 3

o

0 . 2

0.1

0 . 2

I

0 , 3

X

X

S i m u l a t i o n

O E xp .P o i n ts

I I I I I I I I

0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 1 .1

U n d e f o r m e d C h i p T h ic k n e s s

t l (m m )

2 0 0 O

1 8 0 0

1 6 0 0

Q .

= 1 4 0 0

o 1 2 0 0

3 1 0 0 0

~ 81111.

21111

0

0 . 2 0 . 3

O

O

cO

O X

1 m u h l S o n L

- o - - e x p . ~ n t , /

0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 .8 0 . 9 1 1 .1

U n d e f o r m e d C h ip T h i c k n e s s t l m m )

Fig. 6: Comparison of simulat ion results wi th

exper imental data [2], cutting forces versus

unde forme d chip thickn ess (a=30 °, 0=10 °, r=0.1rnm,

vc= lmm/ s, tl=lrnm, m=0.5).


5/12

E.Ce re t ti e t a l . / J ournal o f Mate r ia l s Proc e s s ing Te c hnology 59 1996) 169 -180 173

e x p e r i m e n t a l r e s u l t s f o r c u t O n g fo r c e s a n d c u t t i n g

r a ti o , t h a t is t h e r at io b e t w e e n t h e u n d e f o r m e d c h i p

t h i c k n e s s t l a n d t h e c h i p t h i c k n e s s t 2 [ 2 ] . T h e

a g r e e m e n t b e t w e e n e x p e r i m e n t s a n d s i m u l a t i o n s i s

v e r y g oo d . T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e c a l c u l a t e d

f o r c e s a n d t h e f o r c e s o b t a i n e d i n e x p e r i m e n t s i s a b o u t

1 0 . T h i s r e s u l t i s q u i t e g o o d i f w e c o n s i d e r a l l t h e

s i m p l i f y i n g a s s u m p t i o n s t h a t h a v e t o b e d o n e in t h e

s i m u l a t i o n m o d e l ( f ri c ti o n co n d i ti o n , p r o p e r t y o f t h e

w o r k p i e c e m a t e r i a l , l i m i t e d w o r k h a r d e n i n g , s t ra i n

r a t e , a n d t e m p e r a t u r e e f f e ct s )• T h e d i s t r i b u t i o n o f

t h e e f f e c t iv e s t r a i n o b t a i n e d f r o m t h e s i m u l a t i o n s i s

a l s o i n g o o d a g r e e m e n t w i t h r e s u l t s g i v e n i n

l i t e r a tu r e . I n b o t h c a s e s t h e h i g h e s t v a l u e o f s t r a i n

i s 1 .6 a n d i t is r e a c h e d n e a r t h e t o o l t i p a n d t h e

t o o l ' s r a k e f a c e .

T h e r e s u lt s o b t a in e d s o f a r w i t h t h e 2 D F E M c o d e

D E F O R M se e m t o i n d ic a t e t h a t t h e i m p l e m e n t e d

m o d e l c an s i m u l a t e t h e o r t h o g o n a l c u t ti n g p r o c es s

a n d p r e d i c t t h e r e a l i t y w i t h s a t i s f a c t o r y a c c u r a c y •

4 S IM U L A T IO N O F C O N T IN U O U S C H I P F L O W

B a s e d o n t h e l i m i t e d a s s u ra n c e , o b ta i n e d b y

c o m p a r i n g s im u l a t i o n r e s u l ts w i t h e x p e r i m e n t a l

d a t a g i v e n b y [ 2] , t h e i n f l u e n c e o f c u t t in g s p e e d , t o o l

g e o m e t r y , a n d d e p t h o f c u t o n t h e o r t h o g o n a l c u t ti n g

p r o c e s s i s i n v e s t i g a t e d .

E x t e n s i v e r e s e a r c h i n t h e a r e a o f c h i p c u r l

d e v e l o p m e n t , c h i p d e f o r m a t i o n a n d c h i p b r e a k i n g

h a s b e e n c o n d u c te d a t t h e U n i v e r s i t y o f K e n t u c k y

[1 5]. I n o u r c a s e , t h e p r o c e s s s i m u l a t e d i s o r t h o g o n a l

c u t ti n g w i t h c o n ti n uo u s c h i p f l o w . T h a t m e a n s t h a t

t h e w o r k p i e c e m a t e r i a l i s d e f o r m e d p l a s t i c a l l y b y

t h e t o o l . A s t h e t o o l a d v a n c e s , t h e c h i p i s f o r m e d

a n d f l o w s on t h e t o o l r a k e f a c e w i t h o u t b r e a k i n g .

T h e c o n t in u o u s f l o w o f t h e c h i p o n t h e t o o l i s

d e t e r m i n e d b y t h e w o r k p i e c e m a t e r i a l a n d b y t h e

t o o l g e o me t r y . I n p a r t i c u l a r , t h e A I S I 1 0 4 5 s t e e l i s a

d u c t i l e m a t e r i a l a n d t h e e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e , f o r

t h i s m a t e r i a l , s h o w s a c o n ti n u o u s c h i p f l o w . T h e

t o o l r a k e a n g l e i s a n i m p o r t a n t p a r a m e t e r . I n f a c t , i f

a s e g m e n t e d c h i p is p r e f e r r e d , a n e g a t i v e r a k e a n g l e

o f t h e t o o l i s r e q u i r e d .

4 1 Influence of Cutting Speed

T h e i n f lu e n c e o f t h r e e c u t t i n g s p e e d s w a s

e v a l u a t e d , n a m e l y v c = 2 .5 , 2 5 0 , 2 5 0 0 m m / s . T h e

r e s u l t s a r e d i s c u s s e d i n t e r m s o f c u t t i n g f o r c e s ,

m a x i m u m e f f e c ti v e s tr a in , m a x i m u m e f f e ct i ve s t r a i n

r a te , m a x i m u m t o o l a n d c h i p t e m p e r a t u r e , a n d c h i p

g e o m e t r y a s il l u s t r a t e d i n F i g. 7 t h r u 1 2. T h e v a l u e s

p r e s e n t e d i n t h e s e f i g u r e s r e f e r t o t h e m a x i m u m

v a l u e s o f s t r a i n r a t e a n d t e m p e r a t u r e . T h u s , fo r a

c e r t a i n p o s i t i o n o f t h e c u t t i n g to o l ( 7 m m ) , t h e

m a x i m u m v a l u e o f t h e s t u d i e d v a r i a b l e i s

c o n s id e r e d . T h i s m a x i m u m v a l u e i s a u t o m a t i c a l l y

c a l c u l a t e d b y D E F O R M .

A r e v i e w o f th e r e s u l t s, p r e s e n t e d i n F ig . 7 t h r u 1 2 ,

i n d i c a t e t h a t w i t h v a r y i n g c u t t i n g s p e e d :

T h e t o t a l c u t t in g fo r c e r e m a i n s a l m o s t c o n s t a n t .

I t i s p o s s i b l e t o s e e a s l i g h t i n c r e a s e i n t h e

c u t t in g f o r c e a s t h e c u t t in g s p e e d d e c r e a s e s , t h i s

i s d u e t o t h e t h e r m a l s o f te n i n g o f t h e w o r k p i e c e

ma t e r i a l ( F i g . 7 ) .

2 0 0 0

A

_

= =

o

1 8 0 0

1 6 0 0

1 4 O 0

1 2 0 0

1 0 0 0

8 0 0

6 0 0

4 0 0

2 0 0

0

I

L

- - F t o t v 2 . 5 1

I - - F to t v 2 5 0 ]

F t o t v 2 5 0 0

0 2 4 6

T o o l P a t h ( m m )

Fi g . 7 : Cu t t i n g Fo r c e s a t d i f f e r e n t c u t t i n g s p e e d s

(X0=20mm, a = 30 ° , 0 = 10 ° , r=0 .1m m, t1=1 m m an d

m= 0 . 5 ) .

1 8

1 6 O O O

v

• 1 4

e c 1 2

4 O O O

N

I a o o o

/ 7

j J

J

J

J

5 1 1 5 2 2 5

C u t t i n g s p e e d ( r a m / s )

F ig . 8 : M a x i m u m E f f e c t iv e S t r a i n R a t e a f t e r a t o o l

p a t h o f 7 . i un a t d i f f e r e n t c u t t i n g s p e e d , ( X 0 = 2 0 mm ,

a = 30° , 0 = 10 ° , r=0 .1m m, t1=1 m m an d m=0.5 ) .


6/12

174 E, Cerettt e l al , / Journal o f Materials Processing Technology 59 1996) 169-18 0

• The max im um e f f ec t ive s t r a in r emains a lm os t ch ip cu r l ing as t he cu tt i ng speed inc r eases ,

cons t an t , wh ich r e su l t s i n a dec r ease in t he con tac t l eng th

• The max im um e f f ec t ive s t r a in r a t e i nc r eases be twe en too l and ch ip . Th i s i s due to t h e

wi th inc r eas ing cu t t i ng speed , a s expec ted F ig . i nc r ease o f t emp era tu r e wh ich a f fec ts t h e

8 ). de fo rm at ion and encourages the cu r ling o f t h e

• The ma x im um tempera tu r es o f ch ip and too l a r e ch ip F ig. 10, 11 and 12 ).

i nc r eas ing wi th inc r eas ing cu t t ing speed . I n f ac t

the en erg y requ ired for cut t ing increases F ig. 9) .

F ig . 13 shows the t empera tu r e d i s t r i bu t ionn t h eork piec e an d in the tool . ~0o-~ 1 ~ ~

• The shape o f t he m esh p r esen t s an inc r ease in

800

8 0 0

7 0 0

7 O 0

I

0 SO0

t 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0

2500 ~o.oo ~,oo ~zJoo ~,oo ~,oo ~sm ~ u o

C u t t i n g s p e e d m i n i s ) X - A ) d l t

Fig . 9 : M ax imum Ch ip and Too l Tem pera tu r e a f t e r F ig . 11: Ch ip geom et ry a f t e r a t oo l pa th o f 7 . ~ n

a tool pa th of 7ram at d i f fere nt cut t ing speed, X0= X0= 20mm, a = 30 ° , 0 = 10 ° , r=O. lmm, v~=250mm/s,

20ram, a = 30°, 0 = 10°, r=O.tmm, t~=l m m and m=0.5), t1=1 m m and m=0.5)

9,00 g 00

OO

E.O0

7.C0 7.00

(n

~ o o ~ e o o

~ 5,00

j ~ ~ j , ~ , , ~ ~ ; .. .. ;;_.=__ ~ 4 , o 0

Q L I I I I ~ W T ] J ~ L I I

i - i - ¢ 2 ; V J

1 0 . 0 0 ~ 1 ( ~ 1 2 . 0 0 1 3 , 0 0 1 4 , 0 l lt 11 1, aO 1 t O 0 1 0 .¢ K) 1 1 , ( ~ 1 2 . 0 0 1 3 . a 0 1 4 , 0 D l f~ O 0 1 ~ . 0 ~

X o A x ~ I X - a x ~

Fig. 10: Ch ip g eom etry af ter a tool pa th of 7 .~ n Fig. 12: Ch ip geo me try af ter a tool pa th of 7

~ n ~

X0= 20mm, a = 30°, 0 = 10°, r=O.lmm , v~=2.Sm m/s, X0= 20ram, a = 30 °, 0 = 10°, r=O. lmm, v ,=2500mm/s,

t1=1 m m and m=0.5), t1=1 m m and m=0.5).


7/12

E. Ce re t t i e t a l, / J ournal o f Mate r ia ls Proc e s s ing Te c hnology 59 1996) 16 9-18 0

75

4 2 Influence of Tool Geometry

T o i n v e s t i g a t e t h e i n f lu e n c e o f t o o l g e o m e t r y ,

t h r e e s i m u l a t i o n s w e r e p e r f o r m e d w i t h r a k e a n g l e s

o f a = - 5 ° , 1 0 ° a n d 3 0 ° .

A r e v i e w o f t h e r e s u l t s , p r e s e n t e d in F i g. 1 4 t h r u

17 , i l l us t r a t e s t ha t :

• T h e t o t a l c u t t i n g f o r c e d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g

too l r a ke a ng le , F ig . 14).

• T h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e o f t h e c h ip d e c re a s e s

w i t h i n c r e a si n g t o o l r a k e a n g l e w h i l e t h e t o o l

t e m p e r a t u r e r is e s w i t h i n c r e a s in g to o l r a k e

an gl e Fig. 15) .

T h e c h i p c u r ls m o r e a s t h e t o o l r a k e a n g l e

i n c r e a s e s . T h i s r e s u l t s i n a d e c r e a s e i n c h i p

th i c k ne s s F ig . 11 , 16 a n d 17).

A l l t h e a b o v e c i te d t r e n d s a g r ee q u a l i t a t i v e l y

w i t h e x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n s [ 1 6 ] .

4 3 Influence of the Depth of Cut

T h e e f f e ct o f d e p t h o f c u t w a s e v a l u a t e d b y

s i m u l a t i n g t h e p r o c e s s w i t h c u t s o f t~ = 0 .5 r am a n d

t ~ = l m m .

8 0 0

700

3 00

W

m # l

1Q8 . 01

1 4 4 . 0 1

I ~ 3 4 1 1 . 1 3

, = 2 8Jr / '2

4 i o J ~ 8

i [ r I T I

1 0 . 0 0 1 1 . 0 0 1 2 . 0 0 1 ' t O 0 1 4 . ( ~ 1 S . 0 0 l lL Q O

X - A . ~

F i g. 1 3: T e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n a f t e r a t o o l p a t h

of 7m m X0= 20m m , a = 30 ° , 0= 10 ° r = 0 .1m m ,

v c = 2 5 0 m m / s , t 1= 1 m m , m = 0 . 5) .

2 0 0 0

1 8 0 0

1 8 0 0

~ ' 1 4 0 0

~ 1 2 0 0

~ 1 0 0 0

800

o

6 0 0

4

2

i . . 8 I

Ftot a 10

Ftot a30

1 2 4 5 6 7

u

e

O .

E

E

E

X

g n n

8 . 0 0

T . O0

m e . l ~

S . ~

4 . 0 0

7 0 0

6OO

5 0 0

4 0 0

3 0 0

2 0 0

1 0 0

0

- 1 0

l b o

= = , ,

- 6 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0

T O O l R a k e A n g l e ° )

=

36

F ig . 1 5: M a x i m u m C h i p a n d T o o l T e m p e r a t u r e s a f t e r

a t o o l p a t h o f 7 m m a t d i f f e r e n t r a k e a n g l e s X 0 =

20 mm , 0=10 ° , r=0.1m m, Vc=2 50m m/s, t1=1 m_m, m=0.5)

l O . 0 O 1 1 . oo I : Z ~ O 1 ~ . 0 0 1 4 . a 0 l im b o 1 L O 0

X Jum

F i g. 1 4: C u t t i n g F o r c e s a t d i f f e r e n t r a k e a n g l e s

X0= 20m m , 0= 10 ° , r = 0 .1m m , v c = 2 50m m /s t 1= 1 m m ,

m=0.5).

F i g. 1 6: C h i p g e o m e t r y a f t e r a t o o l p a t h o f 7 r r ~

X0= 20m m , a = - 5 ° , 0= 10 ° , v := 25 0m m /s , r = 0 .1m m , t1= 1

m m , m = 0 . 5)


8/12

176 E. Ce re t t i e t al . / J ourn al o f Mate r ia l s Proc e s s ing Te c hnology 59 1996) 16 9-18 0

T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t :

T h e t o ta l c u t t in g f o r c e a l m o s t d o u b l e d w h e n t h e

d e p t h o f c u t i s d o u b l e d f r o m 0 .5 t o I m m F ig . 18 ).

T h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e s o f c h i p a n d t o o l

i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g d e p t h o f c u t . F ig . 19 ).

T h e s h a p e o f t h e m e s h p re s e n t s a l a r g e

v a r i a t i o n i n c h i p c u r l in g a s th e d e p t h o f c u t

d e c r e a s e s . O f co u r s e, t h e r e i s a n i n c re a s e i n t h e

c o n t a c t l e n g t h b e t w e e n t oo l a n d c h i p a s w e l l

w h e n t h e d e p t h o f c u t i n c r e a s e s F ig . 11 a n d 2 0 ) .

5 . S I M U L A T I O N O F S E G M E N T E D C H I P F LO W

O n e o f t h e i m p o r t a n t a s p e c t s o f p ro c e s s s i m u l a t i o n

i s t h e c a p a b i l i t y t o p r e d i c t m a t e r i a l f l o w in

o r t h o g o n a l c u t t in g w i t h d i s c o n ti n u o u s c h i p f l o w . I n

t h i s c a s e t h e c h i p i s s e g m e n t e d a n d , a s t h e t o o l

a d v a n c e s , i t b r e a k s . In o r d e r t o s i m u l a t e t h i s p r o c e s s

t h e m o d i f i e d v e r s i o n o f D E F O R M 2 D i s u s e d. T h e

e l e m e n t s o f t h e m e s h a r e d e l e t e d w h e n t h e v a l u e o f

d a m a g e h a s r e a c h e d a c r i t i c a l v a l u e .

g.nn

g.O0

7.00

m.O0

5.00

4.¢m

3.00

10.00 11.00 12J~0 13.0D 1,tL~O 1T M l l L~

X-AXll

F i g . 1 7: C h i p g e o m e t r y a f t e r a t o o l p a t h o f 7 r ~ n

X 0 = 2 0 r a m, a = 1 0 ° , 0 = 1 0 ° , v c = 2 5 0 m r n / s , r = 0 . 1 mm , t 1= 1

r a m ,

m= 0 . 5 )

800

7 0 0

6O0

~

4110

E ~ O ,

E

~ 200

IO0

G4

--e--o~t)

~ l b o

0 9

D e p t h o f c u t

(mm)

F ig . 1 9: M a x i m u m C h i p a n d T o o l T e m p e r a t u r e s a f t e r

a t o o l p a t h o f 7 tu rn a t d i f f e r e n t d e p t h s o f c u t X 0 =

2 0 m m, a = 3 0 ° , 0 = 1 0 ° , v c = 2 5 0 mr a / s , r = 0 . 5 mm, m= 0 . 5 )

2000

1800

1600

~ 1400

=--12oo

lOOO

8

600

400

200

Ftot tO.5

............ Ftot tl

0 1 2 3 4 5 6 7

Tool Path (mrn)

Fi g . 1 8: Cu t t i n g Fo r c e s a t d i f f e r e n t d e p t h s o f c u t

X 0 = 20 mm, a = 3 0 ° , 0 = 1 0 ° , v c = 2 5 0 mm / s , r = 0 . 5 mm ,

m= 0 . 5 ) .

8.00

7.00

m

>

S.00

4.00

3.00

10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 1LO0 11LO0

X-AXlS

F i g. 2 0: C h i p g e o m e t r y a f t e r a t o o l p a t h o f 7 m m

Xo= 20ram, a= 30 ° , 0=10 ° , v~= 250m m/s , r=O.Smm,

t ] = 0 . 5 mm, m= 0 . 5 )


9/12

E.C e re ~ e t a l . / J ournal o f Mate r ia l s Proc e s s ing Te c hnology 59 1996) 169- 180

77

T h e s e q u e n c e s p r e s e n t e d i n F ig . 2 1 a n d 2 2 i l l u s t r a t e

t w o d i f fe r e n t s t a g e s in th e s i m u l a t i o n o f s e g m e n t e d

c h i p f l o w , a f t e r a t o o l p a t h o f 1 .2 ra m , a n d ~ n m

r e s p e c t i v e l y . T h e i n i t i a l t o o l p o s i t i o n i s X 0 =2 0m m .

A s s e e n i n th e s e f i g u r e s , t h e f r a c t u r e i s s t a r t in g i n

9 0 0

8 0 0

7 0 0

~ ' 8 + (0

5. 0

4.1111

3. :0

1 6 . 00 1 7 . 0 3 1 8 . 0 0 1 0 .0 0 ~ n n 2 1 . 0 0 2 2 .e 'n

X - A x i s

t h e a r e a o f t h e to o l t i p a n d p r o p a g a t e s i n t o t h e c h i p

F i g. 21 ). T h e n , a s t h e t o o l a d v a n c e s , t h e c h i p i s

r e l e a s e d f ro m th e w o r k p i e c e a n d a n e w c r a c k i s

fo rm ed Fig. 22 ).

T h e v a r i a t i o n o f t h e c u t t i n g f o r c e i s p r e s e n t e d i n

F i g. 2 3. I t i s p o s s i b l e to n o t i c e t h a t w h e n t h e c h i p i s

s e p a r a t e d f r o m t h e w o r k p i e c e t h e v a l u e o f t h e f o rc e

s u d d e n l y d r o p s . T h i s i s d u e t o a l o s s o f c o n t a c t

b e t w e e n c h i p a n d t o o l r a k e f a c e .

2 0 0 0

1 8 0 0

1 6 0 0

~ ' 1 4 0 0

~ v 1 2 0 0

o

o 1 0 0 0

0 0

= 8 0 0

o 6 0 0

4 0 0

2

F t o t

0 1 2 3 4 5 6 7

T o o l P a t h ( m m )

F i g. 2 1: M e s h a n d d e f o r m a t i o n a f t e r a t o o l p a t h o f

1 .2mm X0= 2 0 mm , a = 3 0 ° c = 1 0 ° r = 0 . 1 m m,

v = 2 5 0 m m / s , t 1 = 1 m m a n d m = 0 . 5 )

F i g . 2 3: T h e c u t t i n g f o r c e a f t e r a t o o l p a t h o f 2 mm ,

X 0 = 2 0 mm, a = 3 0 ° , 0 = 1 0 ° , v c = 2 5 0 mm / s , r = 0 . 1 mm ,

t t = 0 . 5 mm, m= 0 . 5 ) .

9 0 0

8 . 0 0

7 . 0 0

•

8 . 0 0

>-

5 . 0 0

4 . 0 0

3 . 0 0

L n n

1 7 . 0 0 1 8 . 0 0 1 9 . 0 0 2 0 . 0 0 2 1 . 0 0 2 2 . 0 0

X - A x i s

F i g. 2 2: M e s h a n d d e f o r m a t i o n a f t e r a t o o l p a t h o f

2 r a m X 0 = 2 0 r a m, a = 3 0 ° , 0 = 1 0 ° , v c = 2 5 0 mm / s ,

r = 0 . 1 mm, t l = 0 . 5 mr n , m= 0 . 5 )

T h e r e s u l ts o b t a i n e d w i t h t h e s i m u l a t i o n o f

s e g m e n t e d c h i p f l o w a g r e e q u a l i t a t i v e l y w i t h t h e

r e su l ts f o u n d i n l it e r a t u r e [ 1 2] . H o w e v e r , m o r e w o r k

a n d e x t e n s iv e e v a l u a t i o n a r e n e c e s s a r y to f u l l y

a s c e r t a i n t h e v a l i d i t y o f t h i s m o d e l .

6 . A B R A S IV E T O O L W E A R M O D E L

T h e r e s u l t s o b t a i n e d f r o m t h e s i m u l a t i o n s

d e s c r i b e d a b o v e h a v e b e e n u s e d to d e v e l o p a

p r e l i m i n a r y w e a r m o d e l . T h is m o d e l , u s e d e a r l ie r i n

f o r g in g a p p l i c a t i o n s [ 17 ], i s a b l e t o e s t i m a t e t h e

a b r a s i v e a n d a d h e s i v e w e a r p r o f il e f o r a to o l. T h e

s o f t w a r e r e q u i r e d t o p r o d u c e t h e w e a r p r o f i l e s

r e t r ie v e s d a t a f r om th e d e f o r m d a t a b a s e a n d

e x p e r i m e n t a l w e a r c o e f fi c ie n t s f r o m e x p e r i m e n t s .

F o r t h e s t u d y o f c u t ti n g o n ly a b r a s i v e w e a r i s

c o n s i d er e d . T h e f o l l o w i n g w e a r m o d e l h a s b e e n

s u g g e s t e d i n l i t e r a t u r e f o r t o o l w e a r p r e d i c t i o n [ 18 ].

T h i s m o d e l w a s f o u n d to g i v e r e a s o n a b l e r e s u l t s in

e s t i m a t i n g d i e w e a r i n e x t r u s i o n f o r g in g o f e n g in e


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E.Ce re t ti e t a l . / J ournal o f Mate r ia l s Proc e s s ing Te c hnology 59 1996) 169 -180

v a l v e s [ 1 7 ] . A b r a s i v e w e a r i s g i v e n b y :

Z A B = K P a l • v b l

c d

o a t

w h e r e : Z A , = a b r a s i v e w e a r d e p t h ,

K = c o e f f i c ie n t d e t e r m i n e d b y e x p e r i m e n t s ,

p = l o c a l p r e s s u r e ,

V = l o c a l s l i d i n g v e l o c i t y ,

A t = i n c r e m e n t a l t i m e i n t e r v a l ,

H e = t o o l h a r d n e s s ,

a~, b~, c l = exp er im en ta l con s tan t s .

F o r p r e d i c t i o n o f w e a r , t h e e x p o n e n t v a l u e s a ~ a n d

b~ a r e c o m m o n l y t a k e n t o b e e q u a l t o u n i t y , w h i l e c~ =

2 ( f o r s t e e l ) [ 1 7 ] . T h e c o e f f i c i e n t K I s i mp l y s c a l e s t h e

m a g n i t u d e s o f t h e p r e d i c t e d w e a r p r o f i l e s . I t is

f o u n d e x p e r i m e n t a l l y b y c o m p a r i n g t he p r e d i c t e d

w e a r p r o f i l es t o t h e a c t u a l m e a s u r e d w e a r p r o f il e s.

T h e w e a r p r o f i l e s p r e s e n t e d i n F i g. 2 4 a n d 2 5 a r e

o b t a i n e d b y u si n g t h e p a r a m e t e r s K ~= 10 0 , a 1= 1 ,

b 1 =1 , c 1 = 2 , d e s c r i b i n g t h e e f f e c t s o f p r e s s u r e ( a l ) ,

v e l o c i t y ( b ~ ), a n d h a r d n e s s ( q ) , o n t o o l w e a r . T h e

f i n a l p r o f i l e ( m a g n i t u d e ) o f t h e t o o l w e a r i s o f

c o ur se a f f e c t e d b y t h e m a g n i t u d e o f t h e s e v a l u e s .

U n d e r n o r m a l c i r cu m s t an c e s , i f e x p e r i m e n t a l w e a r

d a t a w e r e a v a i l a b l e , t h e p r o c e d u r e w o u l d b e t o

m o d i f y t h e se p a r a m e t e r s i n o rd e r t o m a t c h

p r e d i c t e d w e a r w i t h e x p e r i m e n t a l d a t a . B e c a u s e

d a t a o n t o o l c r a t er w e a r a r e n o t a v a i l a b l e a t t h i s

s t a g e o f o u r s t u d y , i t w a s i m p o s s i b l e t o f i n d t h e

c o r r e ct v a l u e s o f t h e s e c o n s t a n ts . T h u s , t h e r e s u l t s

p r e s e n t e d i n F i g. 2 4 a n d 2 5 r e p r e s e n t t h e w e a r

p r o f i le o n l y q u a l i t a t i v e l y . S i nc e th e t o o l p a t h

d u r i n g t h e s i m u l a t i o n i s 7 m m , t h e a c t u a l v a l u e o f

t h e c r at e r w e a r c a n n o t b e p r e d i c t e d . I n f a c t, i t i s n o t

p o s s i b le to c o m p a r e t h e r e s u lt s w i t h e x p e r i m e n t a l

e v i d e n c e s i nc e t h e t o o l p a t h i s f a r l e s s t h a n w h a t

w o u l d b e n e c e s sa r y t o o b t a i n a c t u a l w e a r . H o w e v e r ,

t h e s h a p e o f w e a r s e e n i n Fi g. 2 4 a n d 2 5 g i v e s a

q u a l i t a t i v e i n d i c a t i o n o f t h e c r a t e r w e a r u n d e r

d i f f e r e n t c u t t i n g c o n d i t i o n s .

A r e v i e w o f t h e g r a p h s p r e s e n t e d i n F i g. 2 4 a n d 2 5

i l l u s t r a t e s t h a t :

• T h e a b r a s i v e t o o l w e a r p r o f i l e i n c re a s e s w i t h

i n c r e a s i n g c u t t i n g s p e e d ( F i g . 2 4 ) ,

• T h e m a x i m u m v a l u e o f t h e t o o l w e a r a n d t h e

l e n g th o f t h e w o r n a r e a i n c r e a se w i t h i n c r e a s in g

too l rake ang le (F ig . 25 ) .

7 . C ONC LUS IONS

T w o f in it e e l e m e n t m o d e l s h a v e b e e n p r e s e n t e d f o r

s i m u l a t i o n o f o r t h o g o n a l c u t t i n g w i t h ( a) c o n t i n u o u s

a n d (b ) s e g m e n t e d c h i p f l o w . T h e m o d e l s h a v e b e e n

d e v e l o p e d i n a n e f f o r t t o u n d e r s t a n d t h e m e c h a n i c s

o f t h e c u t t in g p r o c e ss a n d t o i d e n t i f y h o w c r i t i c a l

4 , 0 0

~ 0.10

0.3O

< 040

0.50.1

v 2 . 5 m m / s

T o o l R a k e F a c e

( m m )

4 , 2 0 4 . 4 0 4 . 6 0 4 . 8 0 5 . 0 0 5 . 2 0

I I I I ~ I

4 . O O

( 1 0 0

0 . 1 0 .

~ 0 . 2 0 .

i 0.30.

0 . 5 0 .

v 2 5 0 m m / s

T o o l R a k e F a o e ( m m )

4 2 0 4 4 0 4 , 6 0 4 . 8 0 5. 0 0 5 2 .0

i | i i ~ i

J

L f

F ig . 2 4: Q u a l i t a t i v e r e p r e s e n t a t i o n o f a b r a s i v e

c r a t e r w e a r f o r d i f f e r e n t c u t t in g s p e e d s ( X0= 20rmn,

a = 3 0 ° , 0 = 1 0 ° , v c = 2 . 5 - 2 5 0 mm / s , r = 0 . 1 mm , t l = 0 . 5 mm ,

m=0.5 .

4 , 0 0 4 . 2 0

0 0 0 [

a 0 . 3 0

11.50

4 , 0 0 4 , 2 0

~ 0.10,

~ 6.30

< ~ 4 o

n s 0 J

a 1 0 °

T o o l R a k e F a c e ( r n m )

4 4 0 4 , 60 4 8 0 5 . 0 0 5 . 20 5 . 4 0 5 .6 0 5 . 8 0 6 0 0

i i i i i / i i i

f

a -5 °

T o o l R a k e F a c e ( r a m )

4 4 0 4 . 6 0 4 , 8 0 5 . 0 0 5 2 . 0 5 , 4 0 5 . 6 0 5 , 8 0 6 . 0 0

i i | | i ~ i

F ig . 2 5: Q u a l i t a t i v e r e p r e s e n t a t i o n o f a b r a s i v e

c r a t e r w e a r f o r t w o r a k e a n g l e s (X 0= 2 0 mm,

a = 1 0 ° / - 5 ° , 0 = 1 0 ° , v c = 2 5 0 m m/ s , r = 0 . 1 mm, t l = 0 . 5 mm,

m = 0 . 5 )


11/12

E. Ce re t t i e t a l . / J o urn al o f MateMals Proc e s s ing Te c hnology 59 1996) 169 -180 17 9

c u t t in g p a r a m e t e r s e f f ec t t h e c h i p f l o w , c u t t in g

f o rc e s , t e m p e r a t u r e s a n d p o s s i b le t o o l w e a r .

T h e c o n t i n uo u s c h i p f l o w m o d e l r ef e r s t o a c h i p

t h a t i s d e f o r m e d p l a s t i c a l l y . I t i s s u i t a b l e f o r t h e

s i m u l a t i o n o f c u t t in g d u c t i le m a t e r i a l s a n d f o r a l l

c u t t in g c o n d i ti o n s u n d e r w h i c h t h e c h i p d o e s n o t

b r e a k . P a r a m e t e r s s u c h a s c u tt i n g s p e e d , to o l r a k e

a n g le , a n d d e p t h o f c u t h a v e b e e n in v e s t i g a t e d .

T h e i r i n f l u e n c e o n c u t t i n g f o r c es , to o l a n d c h i p

t e m p e r a t u r e , a n d t o o l w e a r i s d is c u s s e d .

T h e r e s u l t s f o r t h e c o n t i n u o u s c h i p f l o w m o d e l

p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r i n d i c a t e t h a t :

• T h e s i m u l a t i o n o f c u t t i n g b y F E c o d e i s p o s s i b l e .

I n f a ct , t h e p r e d i c t i o n o f c u t t i n g f o rc e s i s w i t h i n

a c c e p t a b l e r a n g e o f a c c u r a c y , n a m e l y 1 0 % .

A d d i t i o n a l c o m p a ri s on s w i t h e x p e r im e n t s a r e

p l a n n e d to e v a l u a t e t h e v a l i d i t y o f t h e F E M

m o d e l u n d e r v a r i o u s c u t t i n g c o n d it io n s .

• T h e r e s u lt s a r e i n g o o d a g r e e m e n t w i t h

e x p e r i m e n t s in te r m s o f e s t i m a t i n g c h i p

g e o m e t r y , t o o l w o r k p i e c e c o n t a ct l e n g t h a n d

c h i p a n d t o o l t e m p e r a t u r e s .

• I t i s p o s s i b l e t o s t u d y t h e i n f l u e n c e o f c u t t i n g

p a r a m e t e r s u p o n c u t t in g fo r ce s a n d h e a t

g e n e r a t io n . T h i s c a p a b i l i t y c o u l d b e u s e fu l in

d e s i g n i n g c u t t i n g t o o l s (t o o l m a k e r ) o r in

d e f i n i n g p r o c e s s v a r i a b l e s ( u s e r ) .

• T h e o u t p u t o f t h e F E c o d e ( p r e s s u r e a t t h e t o o l -

w o r k p i e c e i n t e r fa c e , t e m p e r a t u r e , c u t t i n g s p e e d )

m a y b e u s e d t o p r e d i c t a b r a s i v e w e a r o n c u t t in g

t o ol s. I n i t ia l e s t i m a t e s a r e v e r y p r e l i m i n a r y

a n d q u a l i t a t i v e a n d m o r e w o r k i s n e c e s s a r y t o

a s c e r t a in t h i s p o s s i b i l it y . H o w e v e r , t h e r e s u lt s

a p p e a r t o i n d i c a t e t h a t i n t h e n e a r f u t u r e i t m a y

b e p o s s ib l e t o e s t i m a t e t o o l w e a r b y m o d e l l i n g ,

i n a d d i t i o n t o c o n d u c t i n g t o o l w e a r t e s ts .

T h e s e g m e n t e d c h ip f l o w m o d e l is b a s e d o n

d e l e t i n g c e r t a i n e l e m e n t s to s i m u l a t e t h e c h i p

b r e a k a g e . S e v e r a l d a m a g e c r i te r i a h a v e b e e n t e s t e d

[ 1]. T h e c r i t e r i a t h a t g a v e t h e b e t t e r r e s u l t s a r e a

c o m b i n a ti o n o f t r a d i t io n a l d a m a g e c r i t e r i a

( C o c k r o f t o r M c C l i n t o c k ) w i t h a s tr e s s b a s e d o r a

g e o m e t r i c c r i t e r i o n .

T h e r e s u l t s fo r t h e s e g m e n t e d ch i p f l o w m o d e l

p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r i n d i c a t e t h a t :

• T h e p r e d ic t io n s m a d e b y th e m o d e l , w i t h

d e l e t e d e l e m e n t s , c a n b e ca n b e c o n s i d e r e d to b e

r e a s o n a b l y a c c u r a t e s i nc e t h e o b t a i n e d r e s u l t s

m a t c h t h e r e s u l t s f o u n d i n l i t e r a t u r e [1 2],

• W i t h t h i s m o d e l d i f f e r e n t c u t t i n g c o n d i t i o n s ,

a f f e c ti n g t h e g e n e r a t i o n o f d i f f e r e n t c h i p

g e o m e t r i e s , c a n b e s i m u l a t e d . T h u s , a d d i t i o n a l

c o m p a r i s o n s w i t h e x p e r i m e n t s a r e n e c e s s a r y .

I n o r d e r t o i n c r e a se t h e a c c u r a c y o f t h e m o d e l s

d i s cu s s e d h e r e , t h e f o l l o w i n g i m p r o v e m e n t s a r e

r e c o m m e n d e d :

1 . C o l l e c t m o r e e x p e r i m e n t a l d a t a o n t h e

w o r k p i e c e f l o w s t re s s , o n i ts d e p e n d e n c e o n s t r a i n

r a t e a n d t e m p e r a t u r e , o n t h e t h e r m a l p r o p e r t i e s o f

t h e t o o l a n d t h e w o r k p i e c e m a t e r i a l s , a n d o n t o o l

w e a r i n o r d e r t o t u n e t h e F E a b r a s i v e w e a r m o d e l .

I n f a c t, t h e f i n a l v a l u e o f t h e c u t t i n g f o r c e i s a l s o

s t r o n g l y i n f l u e n c e d b y t h e s e d a t a .

2 . T h e d e f i n i t i o n o f t h e c r it i c a l d a m a g e v a l u e , a s a

t r i g g e r f o r d e l e t i n g t h e e l e m e n t s , i s v e r y i m p o r t a n t

b e c a u s e t h e m a t e r i a l c a n b e re l e a s e d t o o s o ~ o r t o o

l a te . S e v e r a l t e s t s h a v e t o b e d o n e fo r r e f i n i n g t h e

f o r m u l a t i o n o f t h e c r i ti c al d a m a g e v a l u e .

8 . R E F E R E N C E S

[1] Ce r e t t i , E ., Fa U b6 hm e r , P . , W u, W.T . , A l t a n , T .

( 19 95 ). S i m u l a t i o n o f H i g h S p e e d M i l l i n g :

A p p l i c a t i o n o f 2 D F E M t o C h i p F o r m a t i o n i n

O r t h o g o n a l C u t ti n g , R e p o r t N o . E R C / N S M -

D - 9 5 -4 2 , E R C f o r N e t S h a D e M a n u f a c t u r i n m

v

T h e O h i o S t a t e U n i v e r s i t y

[2 ] I wa ta , K . , Os a k a d a , K . , & T e r a sa ka Y ., ( 1984) .

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