FEM Analysis to Optimally Design End Mill cutters for Milling of Ti-6Al-4V

This paper presents an FEM analysis conducted for optimally designing end mill cutters through verifying the cutting tool forces and stresses for milling Titanium alloy Ti-6Al-4 V. Initially, the theoretical tool forces are calculated by considering the cutting edge on a cutting tool as the curve of an intersection over a spherical/flat surface based on the model developed by Lee & Altinas [1]. Considering the lowest tool forces the cutting tool parameters are taken and optimal design of end mill is decided for different sizes. Then the 3D CAD models of the end mills are developed and used for Finite Element Method to verify the cutting forces for milling Ti-6Al-4 V. The cutting tool forces, stress, strain concentration (s), tool wear, and temperature of the cutting tool with the different geometric shapes are simulated considering Ti-6Al-4 V as work piece material. Finally, the simulated and theoretical values are compared and the optimal design of cutting tool for different sizes are validated. The present approach considers to improve the quality of machining surface and tool life with effects of the various parameters concerning the oblique cutting process namely axial, radial and tangential forces. Various simulated test cases are presented to highlight the approach on optimally designing end mill cutters.

FE simulation and experimental tests of high-strength structural bolts under tension

Experimental tests have been completed for high-strength 8.8 bolts for studying their mechanical performance subjected to tensile loading. As observed from these tests, failure of structural bolts has been identified as in one of two ways: threads stripping and necking of the threaded portion of the bolt shank, which is possibly due to the degree of fit between internal and external threads. Following the experimental work, a numerical approach has been developed for demonstration of the tensile performance with proper consideration of tolerance class between bolts and nuts. The degree of fit between internal and external threads has been identified as a critical factor affecting failure mechanisms of high-strength structural bolts in tension, which is caused by the machining process. In addition, different constitutive material laws have been taken into account in the numerical simulation, demonstrating the entire failure mechanism for structural bolts with different tolerance classes in their threads. It is also observed that the bolt capacities are closely associated with their failure mechanisms.

The Performance Characteristics of a Surface-Modified Cutting Tool

In the past, many papers have been presented which show that the coating of cutting tools often yields decreased wear rates and reduced coefficients of friction. Although different theories are proposed, covering areas such as hardness theory, diffusion barrier theory, thermal barrier theory, and reduced friction theory, most have not dealt with the question of how and why the coating of tool substrates with hard materials such as Titanium Nitride (TiN), Titanium Carbide (TiC) and Aluminium Oxide (Al203) transforms the performance and life of cutting tools. This project discusses the complex interrelationship that encompasses the thermal barrier function and the relatively low sliding friction coefficient of TiN on an undulating tool surface, and presents the result of an investigation into the cutting characteristics and performance of EDMed surface-modified carbide cutting tool inserts. The tool inserts were coated with TiN by the physical vapour deposition (PVD) method. PVD coating is also known as Ion-plating which is the general term of the coating method in which the film is created by attracting ionized metal vapour in this the metal was Titanium and ionized gas onto negatively biased substrate surface. Coating by PVD was chosen because it is done at a temperature of not more than 5000C whereas chemical Vapour Deposition CVD process is done at very high temperature of about 8500C and in two stages of heating up the substrates. The high temperatures involved in CVD affects the strength of the (tool) substrates. In this study, comparative cutting tests using TiN-coated control specimens with no EDM surface structures and TiN-coated EDMed tools with a crater-like surface topography were carried out on mild steel grade EN-3. Various cutting speeds were investigated, up to an increase of 40% of the tool manufacturer’s recommended speed. Fifteen minutes of cutting were carried out for each insert at the speeds investigated. Conventional tool inserts normally have a tool life of approximately 15 minutes of cutting. After every five cuts (passes) microscopic pictures of the tool wear profiles were taken, in order to monitor the progressive wear on the rake face and on the flank of the insert. The power load was monitored for each cut taken using an on-board meter on the CNC machine to establish the amount of power needed for each stage of operation. The spindle drive for the machine is an 11 KW/hr motor. Results obtained confirmed the advantages of cutting at all speeds investigated using EDMed coated inserts, in terms of reduced tool wear and low power loads. Moreover, the surface finish on the workpiece was consistently better for the EDMed inserts. The thesis discusses the relevance of the finite element method in the analysis of metal cutting processes, so that metal machinists can design, manufacture and deliver goods (tools) to the market quickly and on time without going through the hassle of trial and error approach for new products. Improvements in manufacturing technologies require better knowledge of modelling metal cutting processes. Technically the use of computational models has a great value in reducing or even eliminating the number of experiments traditionally used for tool design, process selection, machinability evaluation, and chip breakage investigations. In this work, much interest in theoretical and experimental investigations of metal machining were given special attention. Finite element analysis (FEA) was given priority in this study to predict tool wear and coating deformations during machining. Particular attention was devoted to the complicated mechanisms usually associated with metal cutting, such as interfacial friction; heat generated due to friction and severe strain in the cutting region, and high strain rates. It is therefore concluded that Roughened contact surface comprising of peaks and valleys coated with hard materials (TiN) provide wear-resisting properties as the coatings get entrapped in the valleys and help reduce friction at chip-tool interface. The contributions to knowledge: a. Relates to a wear-resisting surface structure for application in contact surfaces and structures in metal cutting and forming tools with ability to give wear-resisting surface profile. b. Provide technique for designing tool with roughened surface comprising of peaks and valleys covered in conformal coating with a material such as TiN, TiC etc which is wear-resisting structure with surface roughness profile compose of valleys which entrap residual coating material during wear thereby enabling the entrapped coating material to give improved wear resistance. c. Provide knowledge for increased tool life through wear resistance, hardness and chemical stability at high temperatures because of reduced friction at the tool-chip and work-tool interfaces due to tool coating, which leads to reduced heat generation at the cutting zones. d. Establishes that Undulating surface topographies on cutting tips tend to hold coating materials longer in the valleys, thus giving enhanced protection to the tool and the tool can cut faster by 40% and last 60% longer than conventional tools on the markets today.

Développement et caractérisation de nouveaux nanocomposites polymères électriquement conductueurs pour plaques bipolaires de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, PEMFC

Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées.

Desenvolvimento de um cerâmico Al2O3/TI(C,N) para uso em maquinação

O principal objetivo deste trabalho é preparar um cermeto do tipo Al2O3/Ti(C,N) com propriedades mecânicas adequadas à sua utilização na maquinação de materiais do tipo DIN ISO 513:K01-K10 e ISO H01-H10. De forma a incrementar a sinterabilidade do cermeto investigou-se o efeito da adição de dopantes metálicos, nomeadamente alumínio metálico (Al) e hidreto de titânio (TiH2) e o efeito da substituição da moagem convencional por moagem de alta energia. As variáveis das etapas principais de processamento, i.e., da moagem, prensagem e sinterização, foram selecionadas com trabalho realizado quer na Universidade de Aveiro quer na empresa Palbit. Foram preparadas três composições do cermeto Al2O3/Ti(C,N) com adições de 5%TiH2, 1%Al e 5%TiH21%Al através da moagem de alta energia. Os parâmetros de moagem, i.e. a velocidade de rotação, o rácio bolas/pó e o tempo de moagem foram otimizados para os seguintes valores: 350 rpm, 10:1 e 5 h, respetivamente. A utilização da moagem de alta energia permitiu uma redução do tamanho de partícula dos pós até aproximadamente 100 nm e a obtenção de uma boa uniformidade da distribuição das fases (Al2O3+Ti(C,N)). A etapa de conformação foi efetuada por prensagem uniaxial seguida de prensagem isostática. A avaliação da reatividade dos cermetos através de dilatometria em atmosfera de vácuo revelou que a densificação é maioritariamente realizada em estado sólido. A adição de apenas 1%Al é a menos efetiva para a densificação. Os cermetos foram sinterizados através de sinterização convencional em forno de vazio a 1650ºC e prensagem a quente (1650ºC com uma pressão uniaxial de 25 MPa). Os valores de densificação obtidos, aproximadamente 80% e 100%, respetivamente, indicam que a aplicação de pressão durante a sinterização é efetiva para atingir densificações elevadas nos compactos, compatíveis com as suas aplicações tecnológicas. As propriedades mecânicas de dureza e de tenacidade avaliadas nos três cermetos apresentaram valores aproximados de 1800-1900 HV50 para a dureza e entre 5.4 e 7.7 MPa.m1/2 para a tenacidade à fratura.

Effets des procédés d’usinage de finition sur les propriétés de surface, la performance d’un vernis et l’émission de poussières du bois de chêne rouge

La performance d’un produit de finition sur le bois est influencée par la manière dont la surface est préparée. Le ponçage est très utilisé pour préparer les surfaces lors de la finition. Toutefois, ce procédé génère une grande quantité de poussières. Ainsi, les effets des procédés d’usinage sur les propriétés de surface, la performance d’un vernis et l’émission de poussières ont été étudiés dans le but de déterminer les modes de préparation des surfaces les plus adéquats pour le bois de chêne rouge. Dans un premier volet, les propriétés de surface et la performance d’un vernis ont été évaluées sur les surfaces préparées à l’aide du procédé traditionnel de ponçage et de trois procédés alternatifs de rabotage soit la coupe périphérique droite, la coupe hélicoïdale et la coupe oblique. La qualité de surface a été évaluée au moyen des caractéristiques de rugosité, d’endommagement cellulaire et de mouillabilité. Des essais de résistance à l’adhésion d’un vernis d’usage intérieur ont été effectués avant et après un traitement de vieillissement accéléré. Les résultats ont montré que le ponçage a induit une rugosité et un niveau de fibrillation supérieurs à ceux des autres procédés, ainsi qu’une mouillabilité et une adhésion du vernis après vieillissement accéléré élevées. Les surfaces rabotées avec la coupe périphérique droite ont présenté un certain niveau de fibrillation, une rugosité et une mouillabilité intermédiaires. Néanmoins, l’adhésion du vernis après vieillissement a été également inférieure par rapport aux autres procédés. La coupe hélicoïdale a produit une rugosité intermédiaire. D’autre part, la coupe oblique a été le procédé qui a présenté une perte d’adhésion après vieillissement similaire au ponçage. Ce procédé a généré des surfaces lisses avec rugosité et mouillabilité intermédiaires. Sur la base des résultats obtenus, le ponçage à l’aide d’un programme P100-grain et une vitesse d’avance de 7 m/min, la coupe périphérique droite avec un angle d’attaque de 25° et une onde d’usinage de 1,0 mm, la coupe hélicoïdale avec une onde d’usinage de 1,0 mm et la coupe oblique realisé avec un angle oblique de 15° ont permis d’obtenir les meilleures conditions d’usinage pour chaque procédé. Dans un deuxième volet, l’effet de différents paramètres de coupe sur l’émission de poussières et la rugosité de la surface a été étudié lors de la coupe hélicoïdale. Les émissions de poussières ont diminué avec la diminution de laprofondeur de coupe et l’augmentation de l’épaisseur moyenne du copeau. Cependant, les surfaces obtenues avec l’épaisseur moyenne du copeau plus élevée ont présenté une rugosité supérieure. Par contre, si une surface plus lisse est requise, une vitesse d’avance intermédiaire doit être utilisée afin de diminuer la rugosité des surfaces sans exposer les travailleurs à des niveaux élevés de poussière de bois. Par ailleurs, l’émission de poussières pour chaque fraction de particules peut être estimée à travers les modèles développés.

Implications of the reduction of cutting fluid in drilling AISI P20 steel with carbide tools

The machining of hardened steel is becoming increasingly important in manufacturing processes. Machined parts made with hardened steel are often subjected to high service demands, which require great resistance and quality. The machining of this material submits the tools to high mechanical and thermal loads, which increases the tool wear and affects the surface integrity of the part. In that context, this work presents a study of drilling of AISI P20 steel with carbide tools, analyzing the effects on the process caused by the reduction of cutting fluid supply and its relation with the tool wear and the surface integrity of the piece. The major problem observed in the tests was a difficulty for chips to flow through the drill flute, compromising their expulsion from the hole. After a careful analysis, a different machining strategy was adopted to solve the problem

Manufacturing conditioned roughness and wear of biomedical oxide ceramics for all-ceramic knee implants

Background: Ceramic materials are used in a growing proportion of hip joint prostheses due to their wear resistance and biocompatibility properties. However, ceramics have not been applied successfully in total knee joint endoprostheses to date. One reason for this is that with strict surface quality requirements, there are significant challenges with regard to machining. High-toughness bioceramics can only be machined by grinding and polishing processes. The aim of this study was to develop an automated process chain for the manufacturing of an all-ceramic knee implant. Methods: A five-axis machining process was developed for all-ceramic implant components. These components were used in an investigation of the influence of surface conformity on wear behavior under simplified knee joint motion. Results: The implant components showed considerably reduced wear compared to conventional material combinations. Contact area resulting from a variety of component surface shapes, with a variety of levels of surface conformity, greatly influenced wear rate. Conclusions: It is possible to realize an all-ceramic knee endoprosthesis device, with a precise and affordable manufacturing process. The shape accuracy of the component surfaces, as specified by the design and achieved during the manufacturing process, has a substantial influence on the wear behavior of the prosthesis. This result, if corroborated by results with a greater sample size, is likely to influence the design parameters of such devices.

Influência na qualidade final de metais retificados através da variação da velocidade de mergulho

A retificação, processo final de usinagem de uma peça, utiliza fluidos de corte com a finalidade de lubrificação, refrigeração e remoção de cavacos. No entanto, esses fluidos são extremamente agressivos com o meio. Com o avanço tecnológico a tendência mundial é produzir peças cada vez mais sofisticadas, com elevado grau de tolerância geométrica, dimensional, com bom acabamento superficial, com baixo custo e, principalmente, sem causar danos ao meio. Para tanto, ao processo de retificação está intrínseca a reciclagem do fluido de corte, que se destaca pelo seu custo. Através da variação da velocidade de avanço no processo de retificação cilíndrica externa do aço ABNT D6, racionalizando a aplicação de dois fluidos de corte e usando um rebolo superabrasivo de CBN (nitreto de boro cúbico) com ligante vitrificado, avaliaram-se os parâmetros de saída da força tangencial de corte, emissão acústica, rugosidade, circularidade, desgaste da ferramenta, tensão residual e a integridade superficial através da microscopia eletrônica de varredura (MEV) dos corpos-de-prova. Com a análise do desempenho do fluido, do rebolo e da velocidade de mergulho, encontraram-se as melhores condições de usinagem propiciando a diminuição do volume de fluido de corte e a diminuição do tempo de usinagem, sem prejudicar os parâmetros geométricos e dimensionais, o acabamento superficial e a integridade superficial dos componentes.

Otimização dos parâmetros de maquinagem no processo de fresagem

Cada vez mais, os principais objetivos na indústria é a produção a baixo custo, com a máxima qualidade e com o tempo de fabrico o mais curto possível. Para atingir esta meta, a indústria recorre, frequentemente, às máquinas de comando numérico (CNC), uma vez que com esta tecnologia torna se capaz alcançar uma elevada precisão e um tempo de processamento mais baixo. As máquinas ferramentas CNC podem ser aplicadas em diferentes processos de maquinagem, tais como: torneamento, fresagem, furação, entre outros. De todos estes processos, o mais utilizado é a fresagem devido à sua versatilidade. Utiliza-se normalmente este processo para maquinar materiais metálicos como é o caso do aço e dos ferros fundidos. Neste trabalho, são analisados os efeitos da variação de quatro parâmetros no processo de fresagem (velocidade de corte, velocidade de avanço, penetração radial e penetração axial), individualmente e a interação entre alguns deles, na variação da rugosidade num aço endurecido (aço 12738). Para essa análise são utilizados dois métodos de otimização: o método de Taguchi e o método das superfícies. O primeiro método foi utilizado para diminuir o número de combinações possíveis e, consequentemente, o número de ensaios a realizar é denominado por método de Taguchi. O método das superfícies ou método das superfícies de resposta (RSM) foi utilizado com o intuito de comparar os resultados obtidos com o método de Taguchi, de acordo com alguns trabalhos referidos na bibliografia especializada, o RSM converge mais rapidamente para um valor ótimo. O método de Taguchi é muito conhecido no setor industrial onde é utilizado para o controlo de qualidade. Apresenta conceitos interessantes, tais como robustez e perda de qualidade, sendo bastante útil para identificar variações do sistema de produção, durante o processo industrial, quantificando a variação e permitindo eliminar os fatores indesejáveis. Com este método foi vi construída uma matriz ortogonal L16 e para cada parâmetro foram definidos dois níveis diferentes e realizados dezasseis ensaios. Após cada ensaio, faz-se a medição superficial da rugosidade da peça. Com base nos resultados obtidos das medições da rugosidade é feito um tratamento estatístico dos dados através da análise de variância (Anova) a fim de determinar a influência de cada um dos parâmetros na rugosidade superficial. Verificou-se que a rugosidade mínima medida foi de 1,05m. Neste estudo foi também determinada a contribuição de cada um dos parâmetros de maquinagem e a sua interação. A análise dos valores de “F-ratio” (Anova) revela que os fatores mais importantes são a profundidade de corte radial e da interação entre profundidade de corte radial e profundidade de corte axial para minimizar a rugosidade da superfície. Estes têm contribuições de cerca de 30% e 24%, respetivamente. Numa segunda etapa este mesmo estudo foi realizado pelo método das superfícies, a fim de comparar os resultados por estes dois métodos e verificar qual o melhor método de otimização para minimizar a rugosidade. A metodologia das superfícies de resposta é baseada num conjunto de técnicas matemáticas e estatísticas úteis para modelar e analisar problemas em que a resposta de interesse é influenciada por diversas variáveis e cujo objetivo é otimizar essa resposta. Para este método apenas foram realizados cinco ensaios, ao contrário de Taguchi, uma vez que apenas em cinco ensaios consegue-se valores de rugosidade mais baixos do que a média da rugosidade no método de Taguchi. O valor mais baixo por este método foi de 1,03μm. Assim, conclui-se que RSM é um método de otimização mais adequado do que Taguchi para os ensaios realizados. Foram obtidos melhores resultados num menor número de ensaios, o que implica menos desgaste da ferramenta, menor tempo de processamento e uma redução significativa do material utilizado.