Innovative Strategies to Improve the Tool Life When Machining Nickel-Based Inconel 718 Supperalloy

Dans les différentes études sur l'usure et la durée de vie des outils, trois zones distinctives ont été classées en fonction de l'usure de l'outil par rapport au temps de coupe. Elles sont connues comme l'usure initiale, l'usure à l'état stationnaire et les périodes d'usure accélérée. Cependant, le phénomène initial d'usure de l'outil et son influence sur la vie de l'outil ne sont pas encore clairement compris. Ceci devient plus compliqué quand on traite avec des superalliages à base de nickel qui sont difficiles à usiner. Parmi ceux-ci, l’Inconel 718 est généralement un des matériaux les plus difficiles à usiner en raison de sa dureté élevée et de sa haute résistance aux températures élevées. Il existe quelques études limitées sur l'usinabilité de l'Inconel 718 lors de l'utilisation d'outils en carbure. En particulier, les effets des paramètres de coupe sur l'usure initiale de l'outil lors du tournage d'Inconel 718 n'ont pas encore été étudiés. Pour combler le manque de connaissances découlant de l'examen de la littérature, les effets des paramètres de coupe sur les mécanismes initiaux d'usure des outils (période de transition) sont étudiés dans ce travail. À cet effet, les mesures d'usure des outils ont été effectuées au microscope optique et l'évaluation microstructurale de l'usure initiale de l'outil par microscope électronique à balayage (SEM) et spectroscopie par dispersion d'énergie (EDS). Ensuite, on trace le diagramme de progression de l'usure de l'outil par rapport à chaque condition de coupe utilisée, ce qui a permis de déterminer une durée du stade initial de 4 secondes. Sur la base d'observations expérimentales, l'abrasion est le mode d'usure initial dominant de l'outil lors du tournage de l'Inconel 718. On a constaté qu'une vitesse de coupe accrue a conduit à une adhérence accrue sur la face du flanc de l'outil, malgré la vitesse d'alimentation utilisée. Après la période de transition de 4 secondes, l’usure et la durée de vie de l’outil ont été évaluées en variant les conditions initiales d’usinage. Autour de la période de transition, on observe à partir de la morphologie des surfaces d’usure que l’abrasion et l’adhésion sont les principaux mécanismes d’usure en cause. Après la période de transition, on note que de faibles vitesse de coupe et d’avance conduisent à une augmentation de la durée de vie de l’outil comparée à celle reliée aux conditions de référence. Il est donc possible d’améliorer la durée de vie des outils en choisissant des conditions d’usinage optimales durant la période de transition. L'intégration de la caractérisation expérimentale et de l'optimisation de la durée de vie de l'outil dans les superalliages à base de nickel est le principal aspect d'originalité de ce projet.

Abstract

In various studies performed on tool wear characterization and tool life improvement, three distinctive regions of tool wear have been classified according to increased tool wear versus cutting time. They are known as initial, steady-state, and accelerated wear. However, broad scopes have not clearly understood the initial tool wear phenomenon, its formation factors, and its influence on tool life. This becomes more complicated when dealing with nickel-based superalloys, which are classified as difficult-to-cut materials. Inconel 718 is generally classified as one of the most difficult-to-cut superalloys due to its high hardness and strength at elevated temperatures. However, limited studies have been conducted on the machinability evaluation of Inconel 718 when using carbide tools. In particular, the effects of cutting parameters on the initial tool wear when turning Inconel 718 have not yet been studied. According to a lack of knowledge determined from a literature review, within this study, the effects of cutting parameters on the initial tool wear mechanisms were investigated, followed by characterizing the wear modes at the initial periods of cut (transition period) under various cutting conditions. The tool wear morphology at the transition period, and the optimum tool life was determined, and it was found that the initial period lasts 4 seconds from the beginning of the cut. Based on experimental observations, abrasion was the primary initial tool wear mode when turning Inconel 718. Furthermore, it was found that increased cutting speed led to increased adhesion on the tool flank face despite the feed rate used. At the next stage, the tool wear growth and tool life were investigated based on varying the initial conditions at the transition period, set at 4 seconds. The tool wear morphology was studied during transition under several cutting conditions. It was noted that abrasive and adhesion are the main wear morphology in the transition period. After the transition point, similar cutting conditions as the reference condition were used. The tool wear morphology and size were recorded and analyzed in each condition. It was revealed that lower cutting speed and feed rate during the transition period improved tool life compared to the reference condition. In other words, using optimum cutting parameters in the transition period of the cutting process may enhance tool life at a higher cutting time. Conducting the integration of experimental characterization and optimizing the tool life in the nickel-based superalloys is the principal aspect of originality in this project.