Simulation and prediction of machining conditions influences on part surface integrity and metallic particle emission using multi-physics modeling

Ullah, Irfan (2025). Simulation and prediction of machining conditions influences on part surface integrity and metallic particle emission using multi-physics modeling. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

With the advancement of high-performance machine tools and ultrahard cutting tool materials, High-Speed Dry Milling (HSDM) has emerged as a promising finishing technique for machining difficult-to-cut materials such as titanium and its alloys. However, this process creates intense thermomechanical loads at the tool-chip and tool-part interfaces, which induce significant metallurgical alterations in the subsurface of the machined surface layer. These alterations include Dynamic Recrystallization (DRX), phase transformation and textural orientation changes, which modify the mechanical properties of the subsurface and consequently influence the fatigue strength and service life of manufactured components.

Despite extensive research into the integrity of machined surfaces of titanium and its alloy, most studies have focused on the turning process, with limited theoretical analysis of the physical mechanisms governing the modification of near-surface mechanical and metallurgical properties during high-speed machining. Furthermore, the emission of fine and ultra-fine metal particles during machining represents a critical risk to the safety and health of operators, which has led to the adoption of increasingly stringent regulations to limit exposure. These emissions also influence cutting performance and tool life. While previous studies have investigated the emission of particles from various materials, research on the Ti-6Al-4V alloy remains limited. The distinct mechanisms of chip formation and particle release in Ti-6Al-4V alloy requires an in-depth study of this material’s behavior during machining, in order to capitalize on its potential while ensuring process efficiency, environmental sustainability and operational safety.

In this study, the microstructural evolution mechanisms, along with other surface integrity features (plastic strain, burr formation, surface roughness, hardness, etc.) and particle emissions induced by thermo-mechanical loads during HSDM of Ti-6Al-4V, are investigated using multiscale modeling and experimental approaches. This manuscripts-based research is structured as follows:

First, a temperature-displacement coupled Finite Element (FE) model, replicating the actual milling process, was established for the HSM of Ti-6Al-4V alloy. In the proposed model, Abaqus/Explicit solver was utilized to couple the material damage and its fracture energy. The time-varying chip geometry was digitized into small elements with distinct cutter rotation angles and discrete time intervals. The model was validated against cutting forces, chip morphology and temperature; Strong correlations between numerical and experimental results were obtained. This FE model provided critical state field variables, including temperature, stress, and strain, essential for subsequent microstructural evolution predictions. Following that, the Zenner-Holloman (Z-H) and Hall-Petch (H-P) equations were combined in a user-defined subroutine (FORTRAN) to model dynamic recrystallization (DRX) and estimate grain size and microhardness. The results indicated that at higher cutting speeds and feed rates, grain refinement occurred more prominently in the adiabatic shear band (ASB) than on the cutting surfaces. In contrast, microhardness exhibited an inverse correlation with grain size, increasing with cutting speed and feed rate. The influence of plastic strain and temperature on grain size during chip segmentation was also examined. Experimental validation confirmed a strong correlation between the developed model and observed results regarding grain size and parts microhardness. Secondly, using a user-defined subroutine, thermo-metallo-mechanical phase transformation theoretical models were integrated into Ti–6Al–4V cutting simulation using Abaqus/Explicit software. The temperature and stress-strain field distributions were retrieved from a validated simulated model during the rapid heating of the alloy. These field states were then used to model the cooling process, determining the volume fraction of the a’-phase. The results revealed that during the rapid heating, the phase transformation (i.e., a- to B)-phase starts within the region where the temperature exceeds the initial phase transitions of Ti-6Al-4V alloy, and almost all of the a-phase has been transformed into B-phase when the cutting temperature crossed the transus temperature. Upon cooling, the quenching effect induced a reverse transformation from the B-phase to the a’-phase, further refining the grain structure.

Thirdly, a simplified milling model was developed, where the undeformed chip thickness is approximated as a sinusoidal function for residual stress prediction within the milled part. The periodic fluctuations of plastic strain and residual stress during the milling process were unveiled.

Finally, the simulated residual stress profiles for the machined surface and subsurface were compared with experimental measurements, and the influence of thermo-mechanical loads on residual stress formation was thoroughly investigated. Finally, an experimental approach was employed to investigate the correlation between machining parameters, chip formation, surface integrity, and particle emission. The results demonstrated that increasing cutting speed initially led to greater chip serration, deformed layer thickness, particle emissions, and surface roughness, followed by a subsequent decrease. In contrast, increasing feed rate and depth of cut consistently intensified these effects. A direct relationship was observed between particle emissions and machined surface integrity parameters such as plastic deformation depth, burr formation, surface roughness, and chip morphology. This research enhances theoretical understanding and practical applications in the field of manufacturing, offering valuable insights for industries, researchers, and academic institutions. The findings contribute to the development of optimized machining strategies that improve surface integrity and mitigate the environmental and health impacts of fine particle emissions in HSDM of Ti-6Al-4V alloy.

Titre traduit

Simulation et prédiction de l’influence des conditions d’usinage sur l’intégrité de surface des pièces et l’émission de particules métalliques à l’aide d’une modélisation multiphysique

Résumé traduit

Les progrès dans le développement des machines-outils à haute performance et des outils de coupe ultra-durs ont fait que le fraisage à sec à grande vitesse (HSDM) est devenu une technique de finition prometteuse pour l’usinage de matériaux difficiles à usiner, tels que le titane et ses alliages. Cependant, ce procédé crée des charges thermomécaniques intenses aux interfaces outil-copeau et outil-pièce qui induisent des altérations métallurgiques significatives dans sous la couche de surface usinée. Ces altérations comprennent la recristallisation dynamique (DRX), la transformation de phase et les changements d’orientation de la texture qui modifient les propriétés mécaniques de la sous-surface et influencent par conséquence la résistance à la fatigue et la durée de vie des composants fabriqués.

Malgré des recherches approfondies sur l’intégrité des surfaces usinées des pièces en titane et ses alliages, la plupart des études se sont concentrées sur le processus de tournage, avec une analyse théorique limitée des mécanismes physiques qui régissent la modification des propriétés mécaniques et métallurgiques près de la surface lors de l’usinage à haute vitesse. De plus, l’émission de particules métalliques fines et ultrafines pendant l’usinage représente un risque critique pour la sécurité et la santé des opérateurs, ce qui a conduit à l’adoption de réglementations de plus en plus rigoureuses pour limiter l’exposition. Ces émissions influencent aussi les performances de coupe et la durée de vie des outils. Alors que des études antérieures ont porté sur l’émission de particules de divers matériaux, les recherches sur l’alliage Ti-6Al-4V restent rares. Les mécanismes distincts de formation des copeaux et de libération des particules dans l’alliage Ti-6Al-4V nécessitent une étude approfondie du comportement de ce matériau lors de l’usinage, afin d’exploiter son potentiel tout en garantissant l’efficacité du processus, la durabilité environnementale et la sécurité opérationnelle.

Dans cette étude, les mécanismes d’évolution microstructurale, ainsi que d’autres caractéristiques de l’intégrité de surface (déformation plastique, formation de bavures, rugosité de surface, dureté, etc.) et les émissions de particules induites par les charges thermomécaniques lors du HSDM du Ti-6Al-4V, sont étudiés à l’aide d’approches de modélisation multi-échelles et d’expérimentations. Cette recherche basée sur des manuscrits est structurée comme suit

Tout d’abord, un modèle couplé d’éléments finis (température-déplacement) reproduisant le processus de fraisage a été établi pour l’usinage à haute vitesse de l’alliage Ti-6Al-4V. Dans le modèle proposé, le solveur Abaqus/Explicit a été utilisé pour coupler le dommage matériel et son énergie de rupture. La géométrie du copeau, variable dans le temps, a été numérisée en petits éléments avec des angles de rotation de la fraise distincts et des intervalles de temps discrets. Le modèle a été validé par rapport aux efforts de coupe, à la morphologie du copeau et à la température. De bonnes corrélations ont été obtenues entre les résultats numériques et expérimentaux. Ce modèle d’éléments finis a fourni des variables de base de l’état critique, y compris la température, la contrainte et la déformation, essentielles pour les prévisions ultérieures de l’évolution de la microstructure. Ensuite, les équations de Zenner-Holloman (Z-H) et de Hall-Petch (H-P) ont été combinées dans un sous-programme défini par l’utilisateur (FORTRAN) pour modéliser la recristallisation dynamique (DRX) et estimer la taille des grains et la microdureté des pièces. Deuxièmement, à l’aide d’une sous-routine définie par l’utilisateur, des modèles théoriques de transformation de phase thermo-métallo-mécanique ont été intégrés dans la simulation de coupe du Ti-6Al-4V à l’aide du logiciel Abaqus/Explicit. Les distributions du champ de contrainte et de déformation de la température ont été récupérées à partir d’un modèle simulé validé pendant le chauffage rapide de l’alliage. Ces états de champ ont ensuite été utilisés pour modéliser le processus de refroidissement, en déterminant la fraction de volume de la phase a’. Les résultats ont révélé que pendant le chauffage rapide, la transformation de phase (c’est-à-dire de la phase a à la phase B) commence dans la région où la température dépasse les transitions de phase initiales de l’alliage Ti-6Al-4V, et presque toute la phase a a été transformée en phase B lorsque la température de coupe a franchi la température de transformation. Lors du refroidissement, l’effet de trempe a induit une transformation inverse de la phase B en phase a’, affinant davantage la structure du grain.

Troisièmement, un modèle de fraisage simplifié a été développé, où l’épaisseur du copeau non déformé est approximée comme une fonction sinusoïdale pour la prédiction des contraintes résiduelles à l’intérieur de la pièce fraisée. Les fluctuations périodiques de la déformation plastique et de la contrainte résiduelle pendant le processus de fraisage ont été dévoilées. Enfin, les profils de contraintes résiduelles simulés pour la surface et la sous-surface usinées ont été comparés aux mesures expérimentales, et l’influence des charges thermomécaniques sur la formation des contraintes résiduelles a été étudiée en profondeur. Enfin, une approche expérimentale a été utilisée pour étudier la corrélation entre les paramètres d’usinage, la formation de copeaux, l’intégrité de la surface et l’émission de particules. Les résultats ont montré qu’une augmentation de la vitesse de coupe entraînait initialement une augmentation de la dentelure des copeaux, de l’épaisseur de la couche déformée, des émissions de particules et de la rugosité de la surface, suivie d’une diminution ultérieure. En revanche, l’augmentation de la vitesse d’avance et de la profondeur de coupe intensifie systématiquement ces effets. Une relation directe a été observée entre les émissions de particules et les paramètres d’intégrité de la surface usinée, tels que la profondeur de déformation plastique, la formation de bavures, la rugosité de surface et la morphologie des copeaux. Cette recherche améliore la compréhension théorique et les applications pratiques dans le domaine de la fabrication, offrant des informations précieuses aux industries, aux chercheurs et aux institutions universitaires. Les résultats contribuent au développement de stratégies d’usinage optimisées qui améliorent l’intégrité de la surface des pièces et atténuent les impacts des émissions de particules fines sur l’environnement et la santé lors de l’usinage à grande vitesse de l’alliage Ti-6Al-4V.

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 177-195).
Mots-clés libres:	recristallisation dynamique, fraisage à grande vitesse, modélisation multiphysique, évolution microstructurale, propriétés mécaniques, transformation de phase, émissions de particules, intégrité de surface, alliage Ti-6Al-4V
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Songmene, Victor
Codirecteur:	Codirecteur Akinlabi, Esther T.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	18 août 2025 14:22
Dernière modification:	18 août 2025 14:22
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3669

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