Understanding of cutting tool edge preparations and their impacts on machining process performance

Tagiuri, Zakaria Ahmed M. (2024). Understanding of cutting tool edge preparations and their impacts on machining process performance. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The cutting tool edge preparation is considered as one of the important technologies that were recently developed for micro-machining due to its impact on cutting forces and stresses, tool life, temperature distribution and surface integrity. The most frequent tool edge preparations include round edge, chamfered edge and sharp edge. It is not easy to determine, for a given workpiece material, the appropriate tool edge preparation or the machining parameters that should be used, as they are interrelated and affect jointly several machining performance indicators. The objective of this thesis is to conduct a research study on the effects of three cutting tool edge geometries and the cutting parameters on the machining characteristics such as cutting temperature, effective stress, chip thickness and tool wear. The cutting tool edge geometries studied are round, chamfer and sharp. This study consisted of simulating the orthogonal cutting process of AISI 1045 steel using 2D finite elements DEFORM software. The numerical simulation tests were performed using a design of experiments (DOE) based on Taguchi orthogonal array design which included different tool edge parameters such as nose radius, chamfer width, chamfer angle, sharp angle and the cutting parameters such as cutting speed, feed rate.

This research work is divided into three stages. In the first stage, a 2D simulation model based on finite element analysis was developed to predict the effects of the tool nose radius with small and large scales and cutting parameters on cutting temperature, cutting stress and tool wear. The obtained results showed that cutting temperature, stress and tool wear presented approximately linear dependency with tool nose radius.

In the second stage, numerical tests were performed to investigate the effects of chamfer width, chamfer angle, sharp angle, cutting speed, feed rate and their interactions on cutting temperature, effective stress and wear depth. The obtained results were evaluated statistically using analysis of variance (ANOVA).

At the end, in the third stage, significant edge geometry factors and their interactions with machining parameters were determined; then, numerical simulation comparisons were made in order to determine the optimal parameters in order to get good cutting tool preparation between round, chamfer and sharp edges for a better cutting process performance.

Résumé traduit

La préparation des arêtes des outils de coupe est considérée comme l'une des technologies importantes récemment développées pour le micro-usinage en raison de son impact sur les forces et les contraintes de coupe, la durée de vie de l'outil, la distribution de la température et l'intégrité de la surface. Les préparations d'arêtes d'outils les plus fréquentes sont les arêtes rondes, les arêtes chanfreinées et les arêtes vives. Il n'est pas facile de déterminer, pour un matériau de pièce donné, la préparation appropriée de l'arête de l'outil ou les paramètres d'usinage à utiliser, car ils sont interdépendants et affectent conjointement plusieurs indicateurs de performance de l'usinage. L'objectif de cette thèse est de mener une étude sur les effets de trois géométries d'arêtes de coupe et des paramètres de coupe sur les caractéristiques d'usinage telles que la température de coupe, la contrainte effective, l'épaisseur du copeau et l'usure de l'outil. Les géométries d'arêtes de coupe étudiées sont le rond, le chanfrein et le tranchant. Cette étude a consisté à simuler le processus de coupe orthogonale de l'acier AISI 1045 à l'aide du logiciel DEFORM à éléments finis 2D. Les tests de simulation numérique ont été réalisés à l'aide d'un plan d'expériences (DOE) basé sur un réseau orthogonal de Taguchi qui comprenait différents paramètres de l'arête de l'outil tels que le rayon du nez, la largeur du chanfrein, l'angle du chanfrein, l'angle vif et les paramètres de coupe tels que la vitesse de coupe, la vitesse d'avance.

Ce travail de recherche est divisé en trois étapes. Dans la première étape, un modèle de simulation 2D basé sur l'analyse par éléments finis a été développé pour prédire les effets du rayon du nez de l'outil avec de petites et grandes échelles et des paramètres de coupe sur la température de coupe, la contrainte de coupe et l'usure de l'outil. Les résultats obtenus ont montré que la température de coupe, la contrainte et l'usure de l'outil présentaient une dépendance approximativement linéaire avec le rayon du nez de l'outil.

Dans un deuxième temps, des tests numériques ont été réalisés pour étudier les effets de la largeur du chanfrein, de l'angle du chanfrein, de l'angle vif, de la vitesse de coupe, de la vitesse d'avance et de leurs interactions sur la température de coupe, la contrainte effective et la profondeur d'usure. Les résultats obtenus ont été évalués statistiquement à l'aide de l'analyse de la variance (ANOVA).

Enfin, dans la troisième étape, les facteurs significatifs de la géométrie des arêtes et leurs interactions avec les paramètres d'usinage ont été déterminés ; ensuite, des comparaisons par simulation numérique ont été effectuées afin de déterminer les paramètres optimaux pour obtenir une bonne préparation de l'outil de coupe entre les arêtes rondes, les arêtes chanfreinées et les arêtes vives, afin d'améliorer les performances du processus de coupe.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 173-178).
Mots-clés libres:	usinage, coupe orthogonale, préparation de l'arête de l'outil, simulation, performance du procédé, acier AISI 1045
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Songmene, Victor
Codirecteur:	Codirecteur Dao, Thien-My
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	12 févr. 2025 14:50
Dernière modification:	12 févr. 2025 14:50
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3535

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