Wear of coated and uncoated PCBN cutting tool used in turning and milling

This licentiate thesis has the main focus on evaluation of the wear of coated and uncoated polycrystalline cubic boron nitride cutting tool used in cutting operations against hardened steel. And to exam the surface finish and integrity of the work material used. Harder work material, higher cutting speed and cost reductions result in the development of harder and more wear resistance cutting tools. Although PCBN cutting tools have been used in over 30 years, little work have been done on PVD coated PCBN cutting tools. Therefore hard turning and hard milling experiments with PVD coated and uncoated cutting tools have been performed and evaluated. The coatings used in the present study are TiSiN and TiAlN. The wear scar and surface integrity have been examined with help of several different characterization techniques, for example scanning electron microscopy and Auger electron spectroscopy.   The results showed that the PCBN cutting tools used displayed crater wear, flank wear and edge micro chipping. While the influence of the coating on the crater and flank wear was very small and the coating showed a high tendency to spalling. Scratch testing of coated PCBN showed that, the TiAlN coating resulted in major adhesive fractures. This displays the importance of understanding the effect of different types of lapping/grinding processes in the pre-treatment of hard and super hard substrate materials and the amount and type of damage that they can create. For the cutting tools used in turning, patches of a adhered layer, mainly consisting of FexOy were shown at both the crater and flank. And for the cutting tools used in milling a tribofilm consisting of SixOy covered the crater. A combination of tribochemical reactions, adhesive wear and mild abrasive wear is believed to control the flank and crater wear of the PCBN cutting tools. On a microscopic scale the difference phases of the PCBN cutting tool used in turning showed different wear characteristics. The machined surface of the work material showed a smooth surface with a Ra-value in the range of 100-200 nm for the turned surface and 100-150 nm for the milled surface. With increasing crater and flank wear in combination with edge chipping the machined surface becomes rougher and showed a higher Ra-value. For the cutting tools used in milling the tendency to micro edge chipping was significant higher when milling the tools steels showing a higher hard phase content and a lower heat conductivity resulting in higher mechanical and thermal stresses at the cutting edge.

Experimental and theoretical study of workpiece temperature when end milling hardened steels using (TiAl)N-coated and PcBN-tipped tools

The present work shows an experimental and theoretical study on heat flow when end milling, at high-speed, hardened steels applied to moulds and dies. AISI H13 and AISI D2 steels were machined with two types of ball nose end mills: coated with (TiAl)N and tipped with PcBN. The workpiece geometry was designed to simulate tool-workpiece interaction in real situations found in mould industries, in which complex surfaces and thin walls are commonly machined. The compressed and cold air cooling systems were compared to dry machining Results indicated a relatively small temperature variation, with higher range when machining AISI D2 with PcBN-tipped end mill. All cooling systems used demonstrated good capacity to remove heat from the machined surface, especially the cold air. Compressed air was the most indicated to keep workpiece at relatively stable temperature. A theoretical model was also proposed to estimate the energy transferred to the workpiece (Q) and the average convection coefficient ((h) over bar) for the cooling systems used. The model used a FEM simulation and a steepest decent method to find the best values for both variables. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Influence of the cutting edge micro-geometry of PCBN tools on the flank wear in orthogonal quenched and tempered turning M2 steel

Quenched and tempered high-speed steels obtained by powder metallurgy are commonly used in automotive components, such as valve seats of combustion engines. In order to machine these components, tools with high wear resistance and appropriate cutting edge geometry are required. This work aims to investigate the influence of the edge preparation of polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) tools on the wear behavior in the orthogonal longitudinal turning of quenched and tempered M2 high-speed steels obtained by powder metallurgy. For this research, PCBN tools with high and low-CBN content have been used. Two different cutting edge geometries with a honed radius were tested: with a ground land (S shape) and without it (E shape). Also, the cutting speed was varied from 100 to 220 m/min. A rigid CNC lathe was used. The results showed that the high-CBN, E-shaped tool presented the longest life for a cutting speed of 100 m/min. High-CBN tools with a ground land and honed edge radius (S shaped) showed edge damage and lower values of the tool’s life. Low-CBN, S-shaped tools showed similar results, but with an inferior performance when compared with tools with high CBN content in both forms of edge preparation.

Desgaste de ferramentas no torneamento com alta velocidade de corte da superliga waspaloy

Nesse trabalho, procurou-se estudar os mecanismos de desgaste de diversas geometrias de ferramentas cerâmicas (Al2O3 + SiCw e Al2O3 + TiC) e ferramentas de PCBN. Para isto foram realizados ensaios de torneamento com alta velocidade de corte em uma superliga à base de níquel (Waspaloy) com dureza de aproximadamente 40 HRC sob condição de corte a seco. As superligas são conhecidas como materiais de difícil usinabilidade devido à alta dureza, alta resistência mecânica em alta temperatura, afinidade para reagir com materiais da ferramenta e baixa condutividade térmica. Os resultados mostraram que o material da ferramenta e a geometria influenciaram o comportamento dos mecanismos de desgaste. de uma maneira geral, o tipo de desgaste dominante foi o de entalhe e os mecanismos foram abrasão, attrition (aderência com arrastamento) e provável difusão na maioria das ferramentas utilizadas.

Análise do processo de torneamento a quente auxiliado por resistência elétrica de quartzo

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Experimental and numerical study of heat transfer in hot machined workpiece using infrared radiation

One of the greatest problems found in machining is related to the cutting tool wear. A way for increasing the tool life points out to the development of materials more resistant to wear, such as PCBN inserts. However, the unit cost of these tools is considerable high, around 10 to 20 times compared to coated carbide insert, besides its better performance occurs in high speeds requiring modern machine tools. Another way, less studied is the workpiece heating in order to diminish the shear stress material and thus reduce the machining forces allowing an increase of tool life. For understanding the heat transfer influences by conduction in this machining process, a mathematical model was developed to allow a simplified numerical simulation, using the finite element method, in order to determine the temperature profiles inside the workpiece.

Estudo da geometria da aresta de corte de ferramentas aplicadas ao torneamento de superligas à base de níquel com alta velocidade de corte

Pesquisadores e indústrias de todo o mundo estão firmemente comprometidos com o propósito de fazer o processo de usinagem ser precisamente veloz e produtivo. A forte concorrência mundial gerou a procura por processos de usinagem econômicos, com grande capacidade de produção de cavacos e que produzam peças com elevada qualidade. Dentre as novas tecnologias que começaram a ser empregadas, e deve tornar-se o caminho certo a ser trilhado na busca da competitividade em curto espaço de tempo, está a tecnologia de usinagem com altas velocidades (HSM de High Speed Machining). A tecnologia HSM surge como componente essencial na otimização dos esforços para manutenção e aumento da competitividade global das empresas. Durante os últimos anos a usinagem com alta velocidade tem ganhado grande importância, sendo dada uma maior atenção ao desenvolvimento e à disponibilização no mercado de máquinas-ferramentas com rotações muito elevadas (20.000 - 100.000 rpm). O processo de usinagem com alta velocidade está sendo usado não apenas para ligas de alumínio e cobre, mas também para materiais de difícil usinabilidade, como os aços temperados e superligas à base de níquel. Porém, quando se trata de materiais de difícil corte, têm-se observado poucas publicações, principalmente no processo de torneamento. Mas, antes que a tecnologia HSM possa ser empregada de uma forma econômica, todos os componentes envolvidos no processo de usinagem, incluindo a máquina, o eixo-árvore, a ferramenta e o pessoal, precisam estar afinados com as peculiaridades deste novo processo. No que diz respeito às máquinas-ferramenta, isto significa que elas têm que satisfazer requisitos particulares de segurança. As ferramentas, devido à otimização de suas geometrias, substratos e revestimentos, contribuem para o sucesso deste processo. O presente trabalho objetiva estudar o comportamento de diversas geometrias ) de insertos de cerâmica (Al2O3 + SiCw e Al2O3 + TIC) e PCBN com duas concentrações de CBN na forma padrão, assim como modificações na geometria das arestas de corte empregadas em torneamento com alta velocidade em superligas à base de níquel (Inconel 718 e Waspaloy). Os materiais foram tratados termicamente para dureza de 44 e 40 HRC respectivamente, e usinados sob condição de corte a seco e com utilização da técnica de mínima quantidade de lubrificante (minimal quantity lubricant - MQL) visando atender requisitos ambientais. As superligas à base de níquel são conhecidas como materiais de difícil usinabilidade devido à alta dureza, alta resistência mecânica em alta temperatura, afinidade para reagir com materiais da ferramenta e baixa condutividade térmica. A usinagem de superligas afeta negativamente a integridade da peça. Por essa razão, cuidados especiais devem ser tomados para assegurar a vida da ferramenta e a integridade superficial de componentes usinados por intermédio de controle dos principais parâmetros de usinagem. Experimentos foram realizados sob diversas condições de corte e geometrias de ferramentas para avaliação dos parâmetros: força de corte, temperatura, emissão acústica e integridade superficial (rugosidade superficial, tensão residual, microdureza e microestrutura) e mecanismos de desgaste. Mediante os resultados apresentados, recomenda-se à geometria de melhor desempenho nos parâmetros citados e confirma-se a eficiência da técnica MQL. Dentre as ferramentas e geometrias testadas, a que apresentou melhor desempenho foi a ferramenta cerâmica CC650 seguida da ferramenta cerâmica CC670 ambas com formato redondo e geometria 2 (chanfro em T de 0,15 x 15º com raio de aresta de 0,03 mm).