Effect of tool edge preparation and hardness of workpiece on machinability of AISI 1045 steel

Shnfir, Mohamed (2020). Effect of tool edge preparation and hardness of workpiece on machinability of AISI 1045 steel. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Intermittent machining using ceramic tools such as hard milling is a challenging task due to the severe mechanical shock that the inserts undergo during machining and the brittleness of ceramic inserts. The main aim of this thesis is to investigate the effects of the workpiece material’s hardness, cutting tool edge preparation (Honed, T-land), inserts grade (Silicon Nitride (SiAlON) based ceramic, Whisker ceramic with a matrix of AI2O3 + SiCW) on the machinability of AISI 1045 hardened steel. AISI 1045 steel workpieces were hardened to 17 HRC, 38 HRC and 48 HRC prior to the machining experiments.

In addition to the above mentioned machining conditions, the effects of the machining parameters (feed and speed), milling type (conventional and climb) were also investigated. The indicators tests include resultant cutting force, power consumption, surface roughness and tool wear. The analysis was performed using Taguchi orthogonal array design L32 (21 44 ) and evaluated using statistical tools such as analysis of variance (ANOVA), main effects and interactions. The results of lower resultant cutting forces were obtained with honed edge inserts of SiAlON ceramic grade. In addition, a decrease in resultant cutting forces was associated with the use of low feed rates during machining of hardest material. The feed rate, cutting speed and workpiece hardness were also identified as the greatest influencing factors on the cutting power. Increased flank wear was observed at a low cutting speed and high feed rates, while micro-chipping of the tool mostly ensued from the cyclic loading.

The effects of cutting speed, feed rate and workpiece material hardness on the particles number concentration (fine and ultrafine particles) during the milling were also experimentally investigated. The three levels fractional experimental design (L27) was used. The results show that the hardness of the workpiece material was the main factor affecting the generation of fine and ultrafine metallic particles for both cutting tools used. Other significant effects such as the interaction between the milling parameters are also investigated. Overall, it is shown that the use of a cutting tool with a honed edge reduces the metallic particles emission. This thesis can help determine the conditions in which AISI 1045 steel should be machined in order to enhance tool performance and improve the surface quality of the machined part while minimizing the emission of fine and ultrafine metallic particles.

Titre traduit

Effet de la préparation des arêtes de l'outil et de la dureté de la pièce sur l'usinabilité de l'acier AISI 1045

Résumé traduit

L'usinage intermittent à l'aide d'outils en céramique comme le fraisage dur est une tâche difficile en raison du choc mécanique important que subissent les plaquettes pendant l'usinage et de la fragilité des plaquettes en céramique. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier les effets de la dureté du matériau de la pièce, de la préparation des arêtes des outils de coupe (arrondie, chanfreinée), de la nuance des plaquettes (céramique à base de nitrure de silicium (SiAlON), céramique Whisker avec une matrice de AI2O3 + SiCW) sur l'usinabilité de l'acier AISI 1045 trempé. Les pièces en acier AISI 1045 ont été traitées pour avoir les duretés 17 HRC, 38 HRC et 48 HRC avant les essais d'usinage. En plus des conditions d'usinage mentionnées ci-dessus, les effets des paramètres d'usinage (avance et vitesse), du type de fraisage (conventionnel et en montée) ont également été étudiés. Les indicateurs de performance d'usinage testés comprennent la force de coupe résultante, la puissance de coupe, la rugosité de surface des pièces et l'usure des outils. L'analyse a été réalisée à l'aide d'un plan orthogonal de Taguchi L32 (21 44) et évaluée à l'aide d'outils statistiques tels que l'analyse de la variance (ANOVA), les effets principaux et les interactions.

Les résultats de la réduction des forces de coupe résultantes ont été obtenus avec des plaquettes de bord affûtées de qualité céramique SiAlON. De plus, une diminution des efforts de coupe résultants a été associée à l'utilisation de faibles vitesses d'avance pendant l'usinage des matériaux les plus durs. La vitesse d'avance, la vitesse de coupe et la dureté de la pièce ont également été identifiées comme les principaux facteurs influençant la puissance de coupe. Une usure accrue en dépouille des plaquettes a été observée à une faible vitesse de coupe et à des vitesses d'avance élevées, tandis que le micro-écaillage de l'outil résultait principalement de la charge cyclique.

Les effets de la vitesse de coupe, de l'avance et de la dureté de la matière de la pièce sur la concentration du nombre de particules (particules fines et ultrafines) pendant le fraisage ont également été étudiés expérimentalement. Un plan expérimental fractionné à trois niveaux (L27) a été utilisé. Les résultats montrent que la dureté de la pièce était le principal facteur affectant la génération de particules métalliques fines et ultrafines pour les deux outils de coupe utilisés. D'autres effets significatifs tels que l'interaction entre les paramètres de fraisage ont été également étudiés. Dans l'ensemble, il est démontré que l'utilisation d'un outil de coupe avec une arête arrondie réduit l'émission de particules métalliques.

Cette thèse peut aider à déterminer les conditions dans lesquelles l'acier AISI 1045 doit être usiné afin d'améliorer les performances de l'outil et la qualité de surface de la pièce usinée tout en minimisant l'émission de particules métalliques fines et ultrafines.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy Comprend des références bibliographiques (pages 171-187).
Mots-clés libres:	usinabilité, fraisage, acier AISI 1045, outil de coupe en céramique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Songmene, Victor
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	17 déc. 2020 20:35
Dernière modification:	17 déc. 2020 20:35
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2605

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