The Effect of Cutting Tool Nose Radius on Cutting Forces in Micro Turning Process

Abstract

Micro turning process is micro-scaled version of traditional turning process as chip removal principle. Due to the size effect in the chip removal mechanism, the ratio of cutting forces to each other changes, vibration occurs and negative chip angle is observed depending on the minimum chip thickness. In this size effect, the share of cutting tool edge and nose radius in tool geometry is quite high. Examining the nose radius effect with experimental studies is quite time consuming and costly. For this reason, micro turning process is modelled numerically, and knowledge about the manufacturing process is obtained without the need for an experimental study. In this study, using the DEFORM-3D software, the nose radius difference in the tool geometry was modelled and the effect of the nose radius on the cutting process was determined. Johnson-Cook material model was used in modeling, and the material model used was verified by comparing it in terms of cutting forces with experimental studies conducted with two different sets. Ti6Al4V alloy, which is frequently preferred in biomedical applications and aviation industry, is used as workpiece material. In addition, the effect of the cutting tool geometry on the surface roughness was also examined. At the end of the study, it was determined that due to the effects caused by the size effect, the nose radius took very large values according to the depth of cut, causing a decrease in both surface roughness and cutting forces.

Keywords

• Micro Turning
• Ti6Al4V
• Cutting Forces
• Nose Radius
• Finite Element Method
• Surface Roughness

Mikro Tornalama İşleminde Kesici Takım Burun Yarıçapının Kesme Kuvvetlerine Etkisi

Öz

Mikro tornalama işlemi, talaş kaldırma prensibi olarak geleneksel tornalama işleminin mikro seviyede boyutlandırılmış halidir. Talaş kaldırma mekanizmasındaki boyut etkisinden dolayı kesme kuvvetlerinin birbirleri arasındaki oran değişmekte, titreşim oluşmakta ve minimum talaş kalınlığına bağlı negatif talaş açısı gözlenmektedir. Bu boyut etkisinde takım geometrisindeki kesici takım kenar ve burun yarıçapının payı oldukça fazladır. Deneysel çalışmalarla burun yarıçapı etkisini incelemek oldukça zaman alıcı ve maliyetlidir. Bu sebeple, deneysel çalışmalarla malzeme modeli doğrulandıktan sonra, mikro tornalama işlemi nümerik olarak modellenerek, ilave bir deneysel çalışmaya gerek duyulmadan imalat işlemi hakkında bilgi sahibi olunmaktadır. Bu çalışmada DEFORM-3D yazılımı kullanılarak takım geometrisindeki burun yarıçapı farklılığı modellenmiş ve burun yarıçapının kesme işlemine etkisi tespit edilmiştir. Modellemede Johnson-Cook malzeme modeli kullanılmış, kullanılan malzeme modeli, iki farklı takımla yapılan deneysel çalışmalarla kesme kuvvetleri açısından %2 ila %9 hata payı ile doğrulanmıştır. İş parçası malzemesi olarak ise biyomedikal uygulamalarında ve havacılık sektöründe sıklıkla tercih edilen Ti6Al4V alaşımı kullanılmıştır. Ayrıca kesici takım geometrisinin yüzey pürüzlülüğüne etkisi de incelenmiştir. Çalışma sonunda boyut etkisinden kaynaklanan etkilerden dolayı burun yarıçapının kesme derinliğine göre çok büyük değerler alması hem yüzey pürüzlülüğünün hem de kesme kuvvetlerinin azalmasına neden olduğu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Mikro Tornalama
• Ti6Al4V
• Kesme Kuvvetleri
• Burun Yarıçapı
• Yüzey Pürüzlülüğü
• Sonlu Elemanlar Metodu

Kaynakça

1. Asad M., Mabrouki T., Ijaz, H., Khan, M., A., Saleem, W., On the Turning Modeling and Simulation, 2D and 3D FEM Approaches. Mechanics & Industry, 15, 427-434, 2014.
2. Aslantaş K., Şahan Ö., Ti6Al4V Alaşımının Mikro İşleme Şartlarında Yüksek Hızda Tornalanması, 8. Uluslararası Talaşlı İmalat Sempozyumu, 2-4 Kasım, 2017, Antalya.
3. Calamaz M., Coupard D., Girot F., A New Material Model For 2D Numerical Simulation of Serrated Chip Formation When Machining Titanium Alloy Ti–6Al–4V. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 48, 275-288, 2008.
4. Chunxiang C., Baomin H., Lichen Z., Shuangjin L., Titanium Alloy Production Technology, Market Prospects and Industry Development. Materials and Design, 32, 1684-1691, 2011.
5. Çakır M.C., Modern Talaşlı İmalatın Esasları, Uludağ Üniversitesi Yayınları, Yayın No:140, Bursa, 1999.
6. Ducobu F., Riviere-Lorphevre E., Filippi E., On the Importance of the Choice of the Parameters of the Johnson-Cook Constituve Model and Their Influence on The Results of a Ti6Al4V Orthogonal Cutting Model. International Journal of Mechanical Sciences, 122, 143-155, 2017.
7. Fang F.Z., Liu Y.C., On Minimum Exit-Burr in Micro Cutting. Journal of Micromechanics and Microengineering, 14, 984-988, 2004.
8. Filiz S., Conley C.M., Wasserman, M.B., Özdoganlar, O.B., An Experimental Investigation of Micro Machinability of Copper 101 Using Tungsten Carbide Micro Endmill. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47, 1088-1100, 2007.

9. Jagadesh T., Samuel G., L., Mechanistic and Finite Element Model for Prediction of Cutting Forces During Micro-Turning of Titanium Alloy. Machining Science and Technology, 19, 593-629, 2005.
10. Li H., Lai X., Li C., Feng J., Ni J., Modelling and Experimental Analysis of the Effects of Tool Wear, Minimum Chip Thickness and Micro Tool Geometry on the Surface Roughness in Micro-End-Milling. Journal of Micromechanical and Microengineering, 18, 1-12, 2008.
11. Ma J., Yong Y. Lei S., 3D FEM Investigation of the Effects of Nose Radius and Edge Radius on Turning of AISI 4140, Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress, November, 2012, Houston, pp: 9-15.
12. Madariaga A., Esnaola J. A., Fernandez E., Arrazola P. J., Garay A., More F., Analysis of Residual Stress and Work-Hardened Profiles on Inconel 718 When Face Turning with Large-Nose Radius Tools. International Journal Advanced of Manufacturing Technology, 71, 1587-1598, 2014.
13. Özel T., Sima M., Finite Element Simulations of High-Speed Machining Ti-6Al-4V Alloy Using Modified Material Models. Transactions of the North American Manufacturing Research Institution of SME, 38, 49-56, 2010.
14. Schmidt J., Tritschler H., Micro Cutting of Steel. Microsystem Technologies, 10, 167-174, 2004.
15. Ucun İ., Inconel 718 Malzemesinin Mikro İşlenebilirliği ve Kaplama Malzemesinin Etkisinin Araştırılması, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi (Basılmış), 2013.