Prof. C. Sommitsch J. P. H. Zamaniα 6nkT R 6σ WT, 6 mm 4expaT ` A (MPa) B (MPa) C m n T k(°C) a b...

29
Institute of Materials Science and Welding DI HZ TurinItaly, 1314 June 2013 14th CIRP CMMO Prof. C. Sommitsch Dr. B. Sonderegger DI J. P. Hermani DI H. Zamani 1

Transcript of Prof. C. Sommitsch J. P. H. Zamaniα 6nkT R 6σ WT, 6 mm 4expaT ` A (MPa) B (MPa) C m n T k(°C) a b...

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Prof.   C. SommitschDr.      B. SondereggerDI       J. P. HermaniDI       H. Zamani

    1

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Overview

    Laser Assisted Milling Experimental Procedure Resulting Force Reduction 3D FEM of Laser Assisted Machining Model Validation Summary

    2

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Technology Supplier

    3

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Laser Assisted Milling

    Objective

    Approach

    Implementation

    Reduction of tool wear and increasing material removal rate 

    Reduction of process forces

    Reduction of material strength using laser heating of chip volume

    Previous Approach

    Novel Approach

    4

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Working principle of the Novel Laser Assisted Milling  

    5

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Tool principle of the Novel Laser Assisted Milling  

    6

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Process Control Parameters

    Cutter rotation axis

    Laser control

    7

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Laser Heat Source Modeling

    8

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Time Depending Laser Power (Video)

    9

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    The Modeling of Incident Angle

    V=100 m/minIncident angle= 0 °Power = 1000 W

    =0.44

    V=100 m/minIncident angle= 60 °Power = 1000 W

    =0.67

    V=100 m/minIncident angle= 30 °Power = 1000 W

    =0.49

    10

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Absorption Coefficient

    Approach: Irradiation of Ti‐6Al‐4V workpiece without tool

    engagement  at different laser powers Cutting velocity: 25 m/min (331 rpm) Feed=50 µm/rev Determination of max. temperature by 

    means of depth and kind of microstructure

    11

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Absorption Coefficient

    I. initial microstructure (α+β)II. no martensitic transformation but β transformation from αIII. partial martensitic transformationIV. complete martensitic transformationV. oxide layer and white surface layer  

    Estimated absorption coefficient (α):0.27 ± 0.03

    12

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Thermal Model Validation

    V=25 m/minFeed=50 µm/revPower = 1250 Wα = 0.23 

    V=25 m/minFeed=50 µm/revPower = 1071 Wα = 0.23 

    13

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Laser Assisted Milling (Video)

    14

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Process Forces and Tool Wear

    F_X = 0,0004x + 46,343

    F_Y = 0,0026x + 111,73

    F_Z= 0,0038x + 77,161

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 2000 4000 6000 8000 10000

    Cut

    ting

    Forc

    e (N

    )

    Material removal volume (mm³)

    F_X F_Y F_Z

    F_X= 0,0004x + 41,167

    F_Y = 0,0021x + 81,348

    F_Z = 0,0026x + 73,753

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 2000 4000 6000 8000 10000

    Cut

    ting

    Forc

    e (N

    )

    Material removal volume (mm³)

    F_X F_Y F_Z

    The effect of milling time on the process forces and flank wear  

    V=50 m/minFeed=70 µm/revPower = 0 WLaser advance= 6 mm

    V=50 m/minFeed=70 µm/revPower = 1428 WLaser advance= 6 mm

    15

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Process Forces

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    40 60 80 100

    Forc

    e_ Y

    [N]

    Feed rate fz [µm/rev]

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    40 60 80 100

    Forc

    e_ Y

    [N]

    Feed rate fz [µm/rev]

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    40 60 80 100

    Forc

    e_ Y

    [N]

    Feed rate fz [µm/rev]

    PL = 0 W

    PL = 536 W

    PL = 714 W

    PL = 893 W

    PL = 1071 W

    PL = 1250 W

    PL = 1428 W

    PL = 1607 W

    PL = 1785 W

    The effect of cutting velocity on the main cutting force at different laser powers

    cutting velocity 25m/min

    cutting velocity 50m/min

    cutting velocity 100m/min

    Absolute value of force reduction decreases with  cutting velocity

    16

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    3D FEM of Laser Assisted Milling

    Material

    Conductivity(W/mK)

    Part (Ti6Al4V)

    25 °C500°C900°C995°C1100 °C          1650°C

    712.620.219.32128.4

    Tool (TiAlN‐coated cemented carbide)

    25°C1000°C

    1220

    heat capacity (J/Kg °C)

    Part (Ti6Al4V)

    25°C500°C900°C995°C1100°C1650 °C

    546651734641660759

    Tool (TiAlN‐coated cemented carbide)

    598

    Contact areaheat transfer coefficient  (kW/m²K) 50

    Friction coefficient

    Environment Forced convection (Air jet cooling,Overhead) (W/m²K)

    2000

    Milling  condition

    Cutter RDHX 0702 MOT

    Cutting width(mm) 8

    Rake angle (° ) 11

    Nose radius(mm) 0.02

    Depth of cut (mm) 0.5

    Cutting velocity(m/min) 25, 50, 75, 100

    Feed (mm/rev) 0.05, 0.07, 0.09

    Laser power (W) 536, 714, 893, 1071, 1250, 1428

    Video

    17

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    3D FEM of Laser Assisted Milling

    Modified (TANH) Johnson‐ Cook

    Johnson‐ Cook

    A (MPa) B (MPa) C m n a b c d e

    Modified JC‐model [Sima et al ,2010]

    724 683.2 0.035 1.0 0.47 1660 2 1 2 1 0.05

    b

    a

    S

    c

    DModified JC

    JC

    Effective strain

    Equivalent stress

    18

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    2D Chip Formation

    V=0.005 m/sFeed=100 µm/revRake angle= 0 °Power = 0 W

    V=5 m/sFeed=100 µm/revRake angle= 0 °Power = 0 W

    V=0.5 m/sFeed=100 µm/revRake angle= 0 °Power = 0 W

    V=0.05 m/sFeed=100 µm/revRake angle= 0 °Power = 0 W

    19

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Nonlinear Thermal Softening (NTS)

    σ A Bε 1 Clnεε 1

    T TT T

    εαnk T

    R σ T ,

    m m exp aT

    A (MPa) B (MPa) C m n T (°C) a b m α

    Modified JC-model 724 683.2 0.035 1.0 0.47 1660 10 2.9 1 10

    Johnson‐ Cook

    Minimum strain rate (ε ) for occurrence of adiabatic shear (a simplification for 3D modeling)

    Nonlinear thermal softening at high strain rates  

    Johnson‐ Cook

    Critical strain

    Flow stress degradation 

    20

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    2D Chip Formation (NTS)

    V=0.05 m/sFeed=100 µm/revRake angle= 0 °Power = 0 W

    21

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    2D Chip Formation (NTS)

    V=0.5 m/sFeed=100 µm/revRake angle= 0 °Power = 0 W

    22

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    2D Chip Formation (NTS)

    V=5 m/sFeed=100 µm/revRake angle= 0 °Power = 0 W

    23

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    2D Chip Formation (NTS)

    V=312 m/sFeed=100 µm/revRake angle= 0 °Power = 0 W

    24

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    3D Chip Formation (NTS)

    25

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    3D Model validation 

    65 63

    53 5652

    53 5451

    40 3937 36 36 35

    55

    4440

    39 37

    34 32

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    0 893 1071 1250 1428 1607 1758

    Forc

    e_X

    [N]

    Laser Power (W)

    V=50 m/min, Feed=90 µm/revEXP SIM_HYP SIM_NTS

    150

    120108

    99

    9077

    84

    135

    110105

    101 98 96 95

    152

    116 109103

    93 88 85

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    160

    0 893 1071 1250 1428 1607 1758

    Forc

    e_Y

    [N]

    Laser Power (W) 

    V=50 m/min, Feed=90 µm/revEXP SIM_HYP SIM_NTS

    100

    85

    68 69 65

    79

    10395

    79 76 74 72 71 70

    100

    8380 77

    72 71 68

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    0 893 1071 1250 1428 1607 1758

    Forc

    e_Z

    [N]

    Laser Power(W)

    V=50 m/min, Feed=90 µm/revEXP SIM_HYP SIM_NTS

    • The amount of predicted force reduction with increasing the laser power in X direction is higher than the experimental results

    • An excellent agreement for cutting forces in Y‐direction was found for the used model • The forces in Z‐direction showed a very good agreement for laser powers up to 1428W

    26

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Summary

    Review: Presentation of novel laser assisted milling Results of laser‐assisted milling of Ti‐6Al‐4V using TiAlN‐coated cemented carbide cutting 

    insert in different cutting conditions Reduction of force in X‐direction up to 25%, Y‐direction up to 60% and Z‐direction up to 65% Low level of tool wear according to the milling time 3D‐FEM simulation  Integration of time depending laser power in machining simulation Model validation  for machining of Ti6Al4V at different cutting conditions  (TANH and NTS)

    Outlook: Expand the milling material spectrum Increasing the machining productivity

    27

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Acknowledgements

    The research work is part of the TooLAM project,funded by the European Union and the

    Austrian Research Promotion Agency (FFG)

    within the EraSME program.

    28

  • Institute of Materials Science and Welding

    DI HZ Turin‐Italy, 13‐14 June 2013 14th CIRP CMMO

    Thanks  for your attention 

    29