Analysis and modeling of machining and surface integrity characteristics under various turning environments

Javidikia, Mahshad (2020). Analysis and modeling of machining and surface integrity characteristics under various turning environments. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Aluminum alloys are widely used in aerospace components and aircraft and due to their high strength to weight ratio, good workability, and high resistance to corrosion. Surface integrity of Al alloys including surface roughness and residual stresses are dependent on machining characteristics including cutting temperature and machining forces in machining operations. Cutting fluids as coolant and/or lubrication can be utilized to affect the machining characteristics and possibly improve the part quality of components. This can increase fatigue and corrosion resistance of Al alloys.

This research study was aimed at developing 2D and 3D finite element models to simulate machining characteristics and predict residual stresses in turning of AA6061-T6 for various environments. Moreover, another objective of the study was to conduct an experimental analysis, predictive regression modeling, and multi criteria optimization of residual stresses and surface roughness parameters under various turning environments.

This research work is divided into three consecutive phases.

First, a 2D finite element model was developed and experimentally validated for different machining parameters. The FE model was utilized to simulate the interactions between cutting edge radius and cutting speed, feed rate, and rake angle and investigate the influences of the above-mentioned tool geometry and cutting conditions on machining forces, cutting temperature, and chip thickness in orthogonal turning of AA6061-T6. Finally, the results of conventional machining (CM) and high speed machining (HSM) were compared.

Secondly, turning tests were conducted using a Design of Experiment (DoE) based on Central Composite Design (CCD) under the three turning environments. The most efficient turning parameters were determined for each environment using Analysis of Variance (ANOVA). The impact of turning parameters including cutting speed, feed rate and depth of cut was investigated under DRY, MQL, and WET modes and their effect on surface roughness and residual stresses were analyzed. Response Surface Method (RSM) was used to predict effective regression models for each turning environment for the average arithmetic surface roughness, the height peak from the valley, the axial surface residual stress, and the hoop surface residual stress. Then, using the predictive regression models, a multi performance optimization study was carried out to identify optimal turning parameters in each environmental mode to improve surface integrity in Low Speed Turning (LST) and High Speed Turning (HST) of AA6061-T6.

Finally, a 3D finite element model was developed to simulate and predict machining temperature (MT), machining forces (MFs), and axial surface residual stress (ASRS) for various turning environments and parameters. Turning environments consist of DRY, MQL, and WET modes, and turning parameters include both cutting conditions and tool geometry such as cutting speed, feed rate, depth of cut, tool nose radius, side cutting edge angle (SCEA), back rake angle (BRA). Special attention was devoted to simulating residual stresses in turning of AA6061-T6 alloys using the DEFORM-3DTM software. The 3D FE model was validated by comparing the predicted MFs and ASRS with the corresponding experimental measurements. The effect of cutting conditions including cutting speed, feed rate, depth of cut on axial residual stress was experimentally investigated for three turning environments and the influence of tool geometry consisting of tool nose radius, side cutting edge angle, and back rake angle was numerically studied using the 3D FE model of WET turning.

The 2D/3D finite element and regression models can be utilized as predictive reliable tools for industrial applications to improve and optimize machining and surface integrity characteristics for various turning environments and parameters.

Titre traduit

Analyse et modélisation des caractéristiques de l'usinage et de l'intégrité de surface en fonction de l'environnement du tournage

Résumé traduit

Les pièces d'avion et aérospatiales sont souvent produites en alliages d'aluminium car ces alliages possèdent des résistances spécifiques et formabilités convenables ainsi que d'excellentes résistances à la corrosion. Les caractéristiques de l'intégrité de surface de ces alliages, dont la rugosité de surface et les contraintes résiduelles sont fonction des paramètres d'usinage, dont la température et les efforts transmis aux pièces lors des opérations d'usinage. Les fluides d'usinage apportent une lubrification et un refroidissement nécessaires pour la qualité des pièces produites. L'utilisation d'un fluide peut améliorer la résistance en fatigue et la résistance à la corrosion.

Le but de cette étude était de développer des modèles par éléments finis (EF) en deux et en trois dimensions afin de simuler l'usinage par tournage de l'alliage AA6061-T6. Ainsi, il a été possible de prévoir les contraintes résiduelles pour plusieurs environnements. Cette étude avait aussi comme objectif l'analyse d'une campagne expérimentale, ainsi qu'une modélisation prédictive par régression et une optimisation multicritère des contraintes résiduelles et des paramètres de rugosité, et ce pour une variété d'environnements de tournage.

Cette étude a été divisée en trois phases consécutives.

D'abord, un modèle par éléments finis en deux dimensions a été développé et validé expérimentalement pour plusieurs paramètres d'usinage. Le modèle a servi à simuler les interactions entre le rayon du bord de coupe de l'outil et la vitesse de coupe, l'avance et l'angle de coupe. Ainsi, l'influence de la géométrie de l'outil et des paramètres de coupe sur les efforts de coupe, la température, et l'épaisseur du copeau a été évaluée pour le tournage de l'alliage AA6061-T6. Ensuite, les résultats de l'usinage conventionnel ont été comparés avec les résultats de l'usinage à grande vitesse (UGV).

Deuxièmement, des essais de tournage ont été complétés selon un plan d'expériences composite centré pour trois environnements d'usinage. Les paramètres d'usinage au meilleur rendement ont été identifiés par analyse de variance (ANOVA) pour chaque environnement. L'importance de la vitesse de coupe, de l'avance, et de la profondeur de coupe sur la rugosité de surface et les contraintes résiduelles a été étudiée pour l'usinage à sec (DRY), à lubrification à quantité minimale (MQL), et lubrifié (WET). La méthode des surfaces de réponse a été appliquée pour prévoir des modèles ajustés efficaces pour chaque environnement de tournage pour la rugosité de surface, la hauteur des sommets par rapport aux vallées, les contraintes résiduelles axiales en surface, et les contraintes résiduelles circonférentielles en surface. Par la suite, à l'aide des modèles ajustés prédictifs, une étude multi-performance a été complétée afin d'identifier les paramètres de tournage optimaux pour l'intégrité de surface en tournage à basse vitesse (LST) et à grande vitesse (HST) de l'alliage AA6061-T6 pour chaque environnement.

De plus, un modèle par éléments finis en trois dimensions a été développé pour simuler et prévoir la température d'usinage, les efforts, et les contraintes résiduelles axiales pour plusieurs environnements et paramètres d'usinage. Les environnements considérés étaient les modes d'usinage à sec, à MQL et lubrifié. Les paramètres d'usinage considérés étaient les paramètres de coupe, dont la vitesse de coupe, l'avance, et la profondeur de coupe, et les paramètres géométriques de l'outil, dont le rayon du bord de coupe, l'angle de coupe secondaire, et l'angle de dépouille secondaire. Une attention particulière a été accordée à la simulation de contraintes résiduelles en tournage de l'alliage AA6061 T6 avec le logiciel DEFORM-3DTM. Le modèle par EF à trois dimensions a été validé en comparant les efforts de coupe et les contraintes résiduelles axiales en surface avec les mesures expérimentales correspondantes. Les effets de la vitesse de coupe, l'avance, et la profondeur de coupe sur les contraintes résiduelles axiales ont été étudiés expérimentalement pour trois environnements de tournage. L'influence de la géométrie de l'outil de coupe, dont le rayon du bord de coupe, l'angle de coupe secondaire, et l'angle de dépouille secondaire a été étudié à l'aide du modèle par EF en trois dimensions pour le tournage en condition d'usinage lubrifié.

Les modèles ajustés issues de la modélisation par EF en deux et en trois dimensions sont capables de prévisions fiables pour des applications industrielles. Elles peuvent contribuer à l'amélioration et l'optimisation de l'usinage et de l'intégrité de surface pour plusieurs environnements de tournage et paramètres.

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 159-168).
Mots-clés libres:	environnements et paramètres de tournage, caractéristiques d'usinage, intégrité de surface, modèles FE 2D/3D, modèles ajustés, optimisation multicritère, AA6061-T6
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Songmene, Victor
Codirecteur:	Codirecteur Jahazi, Mohammad
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	14 juin 2021 17:43
Dernière modification:	14 juin 2021 17:43
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2668

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