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Tool wear Characterization, Morphology and the effects of the initial cutting Conditions when Machining TI-MMCS

Saeid Kamalizadeh

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

Titanium metal matrix composites (Ti-MMCs) are a new generations of materials used in the aerospace and automotive industries. The tough and abrasive TiC ceramic particles improve titanium's physical and mechanical properties. However, it causes several issues, such as severe tool wear and short tool life when machining these materials. There are still a few studies regarding the machinability of Ti-MMCs, especially in tool life estimation and surface roughness improvement. One part of this thesis describes the tool wear characterization in the high-speed milling of Ti-MMCs. The statistical investigations on the milling tests using Carbide X500 and PCD tools concluded that cutting speed and depth of cut are the major cutting parameters affecting tool wear rate. In contrast, surface roughness was not affected by the cutting parameters used when using the PCD tool and was only sensitive to feed rate variation when using the Carbide tool X500. Tool wear mechanisms and surface quality evaluation were investigated when turning Ti-MMCs with carbides and CBN tools. The main wear modes observed on the flank side of the tested tools were adhesion, abrasion, and oxidation. According to experimental results, the surface roughness and the flank wear rate when using carbide and CBN tools can be controlled by the cutting parameters used, in principle, cutting speed. Cutting speed and feed rate are the governing cutting parameters on the flank wear rate during turning Ti-MMCs with carbide tools. Several studies reported that the initial wear mechanism plays a vital role in the tool life and surface roughness during the machining of Ti-MMCs. Hence, controlling the initial wear behaviours can improve the tool's life and surface roughness. An innovative solution was proposed for interrupted machining with two different cutting speeds to shed some light on the effect of the initial cutting conditions. TOPSIS and Taguchi methods were used to rank and optimize tool wear rate and surface roughness. The first level cutting speed was used for 1 second, and the second level was used for the rest of the process. The experimental results indicate that the initial speed followed by the feed rate can significantly affect tool life. In addition, using the proposed strategy with different levels of cutting speed during the machining process led to improved tool life and surface roughness compared to conventional machining with uniform cutting speed throughout the entire process. The strategy of cutting with two different speeds, mainly the initial and the secondary cutting speed, improved wear rate by 51.3% and surface roughness by 58.9% compared to readings made in conventional machining with a constant cutting speed. The results of this work align with previous studies on forming a brace shield at the very first moments of machining, acting as a protection layer.

Résumé

Les composites à matrices métalliques de titane (Ti-MMCs) sont des nouvelles générations de matériaux et sont utilisés dans les domaines industriels de l’aérospatiale et de l’automobile. Les particules de renfort TiC sont très dures et abrasives et améliorent les propriétés mécaniques et physiques du titane. Toutefois, cela entraîne plusieurs problèmes tels que l’usure sévère des outils ainsi que leur vie utile très brève lors de l'usinage de ces matériaux. La littérature indique très peu d’études concernant usinabilité des Ti-MMC, en particulier pour l’estimation de la durée de vie utile et de l'amélioration de la rugosité de surface. Une partie de cette thèse décrit la caractérisation de l'usure d'outil dans le fraisage à grande vitesse des Ti-MMC. Les enquêtes statistiques sur les tests de fraisage utilisant des plaquettes de carbure X500 et PCD ont conclu que la vitesse de coupe et la profondeur de coupe sont les principaux paramètres de coupe affectant le taux d'usure de l'outil, tandis que la rugosité de surface n'était pas affectée par les paramètres de coupe utilisés lors de l'utilisation de plaquettes PCD et n'était pas sensible à la variation de l'avance lors de l'utilisation de la plaquette carbure X500. Les mécanismes d'usure des outils et l'évaluation de la qualité de surface lors du tournage de Ti-MMC avec des carbures et des outils CBN ont été enquêtés. Les principaux modes d'usure observés sur le “flanc” des outils testés sont l'adhésion, l'abrasion et l'oxydation. Selon les résultats expérimentaux, la rugosité de surface et le taux d'usure de “flanc” lors de l'utilisation d'outils en carbure et CBN peuvent être contrôlés par les paramètres de coupe utilisés, en principe la vitesse de coupe. La vitesse de coupe et l'avance sont les paramètres de coupe déterminants pour le taux d'usure de “flanc” lors du tournage des Ti-MMC avec l'outils en carbure. Plusieurs études ont rapporté que les mécanismes d'usure initiaux jouent un rôle clé dans la durée de vie de l'outil et la rugosité de surface lors de l'usinage des Ti-MMC. Donc, le contrôle du comportement d'usure initiale peut permettre d'améliorer la durée de vie de l'outil ainsi que la rugosité de surface. Afin d'éclairer des effets de conditions de coupe initiaux, une solution innovante a été proposée pour l'usinage interrompu avec deux vitesses de coupe différentes. Les méthodes TOPSIS et Taguchi ont été utilisées pour classer et optimizer des taux d'usure de l'outil et la rugosité de surface Le premier niveau de vitesse de coupe a été utilisé pour 1 seconde et le deuxième niveau a été utilisé pour le reste du processus. Les résultats expérimentaux indiquent que la vitesse initiale et l'avance peuvent affecter notablement la durée de vie de l'outil. En outre, l'utilisation de la stratégie proposée avec différents niveaux de vitesse de coupe pendant le processus d'usinage permet d’améliorer la durée de vie de l'outil et la rugosité de surface en même temps, comparé à l'usinage conventionnel avec une vitesse de coupe constante pendant le processus. La stratégie de coupe avec deux vitesses différentes, les vitesses de coupe initiale et secondaire, a amélioré le taux d'usure de 51.3 % et la rugosité de surface de 58.9 % comparé à ceux de l'usinage conventionnel avec une vitesse de coupe constante. Les résultats de ce travail s'alignent avec des études précédentes sur la formation d'une couche protectrice aux tout premiers instants de l'usinage.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Marek Balazinski, Sylvain Turenne and Seyed Ali Niknam
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/55224/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 11 Mar 2024 11:11
Last Modified: 13 Apr 2024 06:15
Cite in APA 7: Kamalizadeh, S. (2023). Tool wear Characterization, Morphology and the effects of the initial cutting Conditions when Machining TI-MMCS [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/55224/

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