An Investigation into the Experimental and Finite Element Analysis of Cutting Forces in Milling: A Study on Machining of Pure Molybdenum

Abstract

In this study, milling tests were carried out on commercially pure molybdenum. The tests were conducted at various cutting parameters using carbide cutting tools without coolant. The cutting forces acting on the workpiece during the milling tests were measured. In addition, the cutting forces were aimed to be determined through finite element analysis (FEA) method. Deform-3D software was used for finite element analysis. The cutting tool was modelled through reverse engineering approach using Geomagic Design X software. The measured cutting force results were compared with the finite element analysis results and a good correlation (a 10 % difference) was seen between the measured and modelled results.

Keywords

• Milling,Finite Element Analysis (FEA),deform-3D

Frezeleme Operasyonlarında Kesme Kuvvetlerinin Deneysel ve Sonlu Elemanlar Analizi ile İncelenmesi: Saf Molibdenin İşlenmesi Üzerine Bir Çalışma

Abstract

Bu çalışmada, ticari saflıktaki molibden sementit karbür kesici takım kullanılarak farklı işlem değişkenlerinde frezeleme işlemine tabi tutulmuştur. İşleme esnasında oluşan kesme kuvvetleri ölçülmüştür. Ayrıca, kesme kuvvetlerinin sonlu elemanlar analizi (SEA) kullanılarak belirlenmesi amaçlanmıştır. Sonlu elemanlar analizi için Deform-3D yazılımı kullanılmıştır. Kesici takım, tersine mühendislik teknikleri ile Geomagic Design X yazılımında modellenmiştir. Farklı işlem değişkenleri ve kuru işleme şartları altında yapılan deneyler sonucu elde edilen veriler ile sonlu elemanlar analizi ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Deneysel çalışmalar sonucu elde edilen kesme kuvvetleri ile sonlu elemanlar analiz sonucu elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında %10 mertebelerinde bir fark ile sonuçların tutarlı olduğu görülmüştür.

Keywords

• Frezeleme,Sonlu Elemanlar Analizi (SEA),Deform-3D

References

1. 1. Pöhl, C., Schatte, J., Leitner, H., “Metallographic characterization of the molybdenum based alloy MHC by a color etching technique” Materials Characterization, 77, 63-69, 2013
2. 2. Fan, J., Lu, M., Cheng, H., Tian, J., Huang, B., “Effect of alloying elements Ti, Zr on the property and microstructure of molybdenum” International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 27, 78-82, 2009
3. 3. Kalpakjian, S., Schmid, S.R., “Manufacturing Engineering and Technology” 6th Edition, Pearson Education, 2009
4. 4. Trent, E.M., Wright, P.K. “Metal Cutting, 4th Edition” Butterworth Heinemann, 2000
5. 5. Wang, W., Kweon, S.H., Yang, S.H., “A study on roughness of the micro-end-milled surface produced by miniatured machine tool” Journal of Materials Processing Technology, 162-163, 702-708, 2005
6. 6. Işık, Y., “Talaşlı İmalatta Kesici Takımların Kırılma Öncesi Davranışlarının Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Analizi” Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 9, Sayı 1, 2004
7. 7. Akkurt, M., "Talaş kaldırma Yöntemleri ve Takım Tezgahları", Birsen Yayınevi, İstanbul, s. 67-71, 1991.
8. 8. Günay, D., "Mühendisler İçin Sonlu Elemanlar Metodunun Temelleri", Sakarya Üniversitesi Yayınları, Adapazarı, 1993.

9. 9. Kocabıçak, Ü., Çalışkan, M., "Makine Tasarımında Sonlu Elemanlar Yöntemi", Sakarya Üniversitesi yayınları, Adapzarı, 1996.
10. 10. Hinton, E., Owen, D., R., J., "An Introduction to Finite Element Computations", Pineridge Press Limited, Swansea, U.K., 1985.
11. 11. Çakıroğlu R., “Delik Delme İşlemlerinde Kesme Parametrelerine Bağlı Olarak Oluşan Sıcaklığın Modellenmesi” Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 2011.
12. 12. Yağmur S., “Delik Delme İşlemlerinde Kesme Parametrelerine Bağlı Olarak Oluşan Sıcaklığın Deneysel Olarak İncelenmesi” Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, , 2011.
13. 13. Karagüzel, U., “Zirkonyum Esaslı Kalın Camsı Metalin Frezelenmesinin Sonlu Elemanlar Analizi” Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, 2010.
14. 14. Mackerle J., “Finite Element Analysis And Simulation Of Machining: An Addendum A Bibliography” Machine Tools And Manufacture, Sweden, 2003.
15. 15. K. Komvopoulos and S. A. Erpenbeck., “Finite Element Modeling of Orthogonal Metal Cutting” J. Eng. Ind 113(3), 253-267 doi:10.1115/1.2899695, 1991.
16. 16. Brinksmeier, E., Preuss, W., Riemer, O., Rentsch, R., “Cutting Forces, Tool Wear And Surface Finish İn High Speed Diamond Machining” Precision Engineering, 293-204, 2017.
17. 17. Cui, X., Wang, D., Guo, J., “Influences of Tool Rake Angle and Cutting Speed on Ceramic Tool Failure in Continuous and Intermittent Turning of Hardened Steel” Ceramics International, 42-10, 12390-12400, 2016.
18. 18. Gökçe, H., Yavuz, M., Gökçe, H., Şeker, U., “Orijinal Matkap Geometrisinde Delme Performansının Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Doğrulanması” Gazi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 3, 1-8, 2017.
19. 19. Varlık, T., Özdemir, K., Çakır, M., C., “Dönel Takımlar İle Tornalama İşleminin Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Analizi” 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu, Bursa, 2014.
20. 20. Laakso, S., VA, Niemi, E., “Using FEM Simulations of Cutting for Evaluating the Performance of Different Johnson Cook Parameter Sets Acquired with Inverse Methods” Flexible Automation and Intelligent Manufacturing, 47, 95-101, 2015.
21. 21. Pius, O., Benjamin, O., Nnaemeka, O., “Analytical Modeling of Temperature Distribution in Metal Cutting: Finite Element Approach” Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2-4, 17-33, 2013.
22. 22. Villumsen, M., F., Fauerholdt, T., G. “Prediction Of Cutting Forces İn Metal Cutting, Using The Finite Element Method, Alagrangian Approach” LS-DYNA anwenderforum, C-III-1, Bamberg, 2008.
23. 23. Aydın, M., “Dik Kesme İşleminde Kalıcı Gerilmelerin Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Modellenmesi”, Politeknik Dergisi, 19 (3) : 297-304, 2016.
24. 24. Kurt, A., Şeker, U., “Kesici Takım Gerilmelerinin Sonlu Elemanlar Metodu Kullanılarak İncelenmesi”, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, cilt 20, No 4, 491-497, 2005.
25. 25. Işık, Y., “Talaşlı İmalatta Kesici Takımların Kırılma Öncesi Davranışlarının Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Analizi” Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 9, Sayı 1, 2004.
26. 26. Sortino, M., Totis, G., Prosperi, F., “Dry Turning Of Sintered Molybdenum” Journal of Materials Processing Technology, 213, 1179-1190, 2013.
27. 27. Gökçe, H., Çiftçi, İ., “Molibden Alaşımlarının İşlenmesinde Kesici Takım ve Kesme Parametrelerinin Taguchi Metodu ile Optimizasyonu” Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, doi: 10.17341/gazimmfd.416482, 2018.
28. 28. Çakıroğlu, R., “Delik delme işlemlerinde kesme parametrelerine bağlı olarak oluşan sıcaklığın modellenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2011.
29. 29. Yağmur, S., Acır, A., Şeker, U. ve Günay, M., “Delik delme işlemlerinde kesme parametrelerinin kesme bölgesindeki sıcaklığa etkisinin deneysel incelenmesi”, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 28 (1): 1-6, 2013.