Study of High Speed Machining by Using Split Hopkinson Pressure Bar

1st International Conference on Structural Integrity
Study of High Speed Machining by Using Split Hopkinson Pressure
Bar
Said Larbia,1, Said Djebalib, Ali Bilekc
c
a,b,
Université Mouloud Mammeri, BP17 RP Hasnaoua 2,Tizi ouzou 15000, Algérie
Departement de G.M,Université Mouloud Mammeri, BP17 RP Hasnaoua 2,Tizi ouzou 15000, Algérie
Abstract
The purpose of this paper is to study the effect of cutting parameters such as speed, feed and rake angle on the chip formation mechanism
and the main cutting force by simulating an orthogonal cutting operation on a testing apparatus based on a split Hopkinson pressure bar.
This device can produce two chips on either sides of the specimen. Cutting tests were carried out on four different materials at different
speed feed and tool geometry. Microstructural observations of the chips produced show a change in the morphology of the chip in
accordance with the increase of the cutting speed. The chip presents instabilities by adiabatic shearing, without any doubt. It changes
from a continuous chip to indented one and to completely sheared off. The Appearance of shear band in the case of indented and
completely sheared chip is probably due to strain localization accompanied by a large local growth of the temperature which is a
necessary condition to have adiabatic shearing. This phenomenon might be desirable in reducing the level of the cutting forces and by
improving chip’s evacuation especially in automatic production of parts. Similar results are obtained by [1] [2] [3]. Cutting force shows
a decrease versus the cutting speed. This decrease is more important for larger feeds. The increase of the cutting angle from 5 to 15 °
also causes a reduction of the cutting force that evolves asymptotically. With high cutting speeds, the energy of plastic deformation in
the primary zone of the chip formation is transformed mainly in heat which causes a thermal softening which outweighs the hardening
generating therefore a reduction in the cutting force; these results are in accordance with those obtained by [4] [5].
© 2015 The Authors. Published by Elsevier Ltd.
Peer-review under responsibility of INEGI - Institute of Science and Innovation in Mechanical and Industrial Engineering.
Keywords: Machining; S.H.P.B; High Speed; Shear band; Cutting force
1. Introduction
The interest in the study of high-speed machining is well established nowadays. The economic importance of for the
aviation and the automobile industry justifies the increasing number of studies dedicated to this area. Several technological
innovations such as the development of new generations of machine tools equipped with active magnetic bearings to
achieve rotational frequencies up to 80,000 trs.min-1, new tools such as nitride cubic boron NBC and some high ceramic
capable of machining with cutting speeds and temperatures with moderate wear have emerged over the past three decades.
High speed milling of 2024 aluminum alloy for example, showed a significant improvement in productivity, a significant
reduction in the cutting force and a fairly good surface integrity. However, this area is still to be developed in light of the
number of materials with different mechanical properties and the diversity of cutting operations. The definition of the highspeed machining is still not clear; cutting speeds considered "large" for a material can remain conventional to another one
, and for the same material boundaries between conventional cutting and high-speed cutting still depends on the technology
(turning, milling ...). Few results and databases are available; expensive testing machines prompted researchers to seek
alternative testing tools such as gas guns based on modified Hopkinson bar to simulate orthogonal cutting operation to
cutting speeds up to 50m/s at relatively low costs.
Nomenclature
Vc: Cutting Speed (m/s)
ap: Depth of cut (mm)
f: Feed (mm)
γ: Rake angle (°Celsus)
α: Clearance angle (°Celsus)
Kr: Cutting edge angle (°Celsus)
L: Length of specimen of specimen (mm)
* Corresponding author. Tel.: 00 213 5 61 85 62 64; fax:+0-000-000-0000 .
E-mail address: [email protected]
1877-7058 © 2015 The Authors. Published by Elsevier Ltd.
Peer-review under responsibility of INEGI - Institute of Science and Innovation in Mechanical and Industrial
Engineering.
1st International Conference on Structural Integrity
σrt: Ultimate tensile Stress (MPa)
σet: Elastic tensile Stress (MPa)
A: Elongation (%)
E: Young Modulus (Mpa)
ρ: Density (g/cm3)
c:Spécifique heat (J/g.°C)
K:Thermal conductivity Kcal/(cm.S.°C)
σi: Incident stress wave
σr: Reflected stress
σt: Transmitted stress wave
2. Experimental device
2.1. Design of experimental machining device
Pour simuler une opération de coupe orthogonale sur le dispositif à base de barres de Hopkinson, nous avons d’abord
examiné de près les problèmes soulevés et les résultats obtenus par des études similaires [2], [6], [7]. Après plusieurs
conceptions et test de qualification, nous avons retenu le dispositif représenté à la figure 2. Ce dispositif est inséré entre la
barre incidente et la barre de transmission du banc d’essai à base de barres de Hopkinson figure 1.
Nous nous sommes affranchit de plusieurs difficultés généralement rencontrées dans ce type à savoir :
- Surface usinée lisse et rectiligne
- Profondeur de passe constante
- Minimisation discontinuités dans la forme des pièces constituant le dispositif pour éviter les problèmes de réflexion
d’ondes de contrainte.
- Limitation des vibrations par la désolidarisation du porte outil et du porte échantillon des barres incidente et de
transmission. En effet, la longueur des barres est grande par rapport leur diamètre, ce qui les rend sensible à la
flexion et des vibrations apparaissent malgré un nombre de paliers de guidage important.
- Concordances des résultats avec ceux de la littérature.
2.2. Operate the S.H.P.B. device
Ensemble de trois barres parfaitement alignées pouvant coulisser librement dans des paliers de guidage. Un projectile (barre
d’impact) vient impacter la barre d’entrée et y engendre une onde de compression qui va se propager jusqu’au dispositif
de coupe positionné entre les barres de mesure (incidente et de transmission) et génère deux copeaux de part et d’autre de
l’échantillon. Deux stations de jauges montées chacune en pont complet sur les deux barres reliées à une chaîne
d’acquisition enregistrent les ondes de contrainte incidente, réfléchie et transmise (σi, σr, σt). Le traitement des signaux de
ces trois ondes nous permet d’obtenir la variation de l’effort de coupe en fonction du temps pour les différents paramètres
d’essais (angle de coupe, vitesse de coupe, avance).
Figure1: High speed machining air gun device
La figure 3 montre les dimensions de l’échantillon, les paramètres de coupe comme l’avance et la profondeur de coupe en
coupe orthogonale. On peut aisément constater que nous sommes bien en déformation plane (cas de la coupe orthogonale)
l’avance est très inférieure à la profondeur de coupe.
1877-7058 © 2015 The Authors. Published by Elsevier Ltd.
Peer-review under responsibility of INEGI - Institute of Science and Innovation in Mechanical and Industrial
Engineering.
1st International Conference on Structural Integrity
Figure 2: Cutting test set
Figure 3: Dimension of specimen
3. Materials Experimental procedure
3.1. Chemical composition and Mechanical properties of tested materials
Les tableaux 1 et 2 donnent les compositions chimiques et les propriétés mécaniques des matériaux testés. Le choix de tels
matériaux est basé sur leur importance dans le domaine de la production mécanique.
Table 1. Chemical composition of tested Materials.
Materials
σet (MPa)
σet (MPa)
E (MPa)
A(%)
ρ (g/cm3)
C (J/g°C)
Kcal/(cm/°C.S)
Nature
6060 Aluminium
220
170
69000
14
2.7
0.878
0.15
Laminated
bar
2024 Aluminium
460
320
73000
18
2.77
0.852
0.08
Laminated
plate
35 NCD 16 Steel mini
1080
930
200000
11
7.8
0.45
0.013
maxi
1370
Laminated
bar
930
114000
10
4.42
0.528
0.054
Mn
Zn
Cr
TAl6V4 Titanium
980
Laminated
plate
Table 2. Mechanical properties of tested Materials.
Materials
Cu
6060 Aluminium Mini
Mg
Si
Fe
0.35
0.30
0.10
0.60
0.30
Maxi
0.10
0.60
2024 Aluminium Mini
4.80
1.20
Maxi
Ti
Al
Balance
0.10
0.15
0.05
0.10
0.30
Balance
4.90
1.80
0.50
0.50
0.90
0.25
0.10
0.15
Materials
C
Ni
Cr
Mo
Mn
Si
♯
♯
Balance
35 NCD 16 Steel
0.36
4.00
1.80
0.40
0.40
0.20
♯
♯
Fe
C
N
H
O
Fe
Al
V
♯
Ti
0.08
0.07
0.0125
0.20
0.25
6.00
4.00
♯
Balance
TAl6V4 Titanium
3.2. Experimental procedure
Dans une première étape, nous avons d’abord effectué des essais de compression dynamique afin de déterminer l’influence
de la vitesse de déformation 𝜀̇ sur les propriétés mécaniques (σrt et σet) des différents matériaux testés et observer s’il y a
apparition d’instabilité comme les bandes de cisaillement adiabatique.
Nous avons par la suite effectué des essais de coupe à une profondeur de coupe constante ap= 6mm, l’avance varie entre
0.3 et 1.2 mm.
La vitesse de coupe s’étale de 5 à 30 m/s.
Trois nuances ont été choisies pour les outils P25 (IC50M), P40 (IC54), K10 (IC20) de marque SODIFOM.
1877-7058 © 2015 The Authors. Published by Elsevier Ltd.
Peer-review under responsibility of INEGI - Institute of Science and Innovation in Mechanical and Industrial
Engineering.
1st International Conference on Structural Integrity
La géométrie des plaquettes est la suivante : Rake angle γ=+5° et +15°, Clearance angle α=+6, Cutting edge angle Kr=90°.
La longueur des échantillons est L+20mm. C’est une longueur suffisante pour former un copeau représentatif.
Aux grandes vitesses de coupe, l’outil est stoppé par un amortisseur en élastomère.
La longueur du projectile est fixée à 1000 mm pour garantir une vitesse de coupe constante pendant la formation du copeau.
Pour chacun des essais, nous traçons les courbes force de coupe-déplacement, force de coupe-temps et vitesse de coupetemps. Un minimum de trois essais est effectué pour chacune des conditions d’essais retenues.
Un prélèvement de quelques échantillons par série d’essais est effectué en vue des observations microstructurales après
enrobage, polissage et attaque chimique.
4. Results and discussions
4.1. Méchanism of chip formation
Les observations microstructurales effectuées sur les copeaux obtenus à différentes vitesses de coupe montrent que le
mécanisme de formation du copeau n’est pas unique. En effet, les copeaux présentent au moins deux morphologies (continu
et segmenté) ; cette morphologie semble dépendre des propriétés du matériau et de la vitesse de coupe. L’alliage de titane
TA6V4, présente un copeau segmenté (figure 4) quelques soit la vitesse de coupe, résultat obtenu par plusieurs études [1]
à [6], Il est largement connu pour être le matériau modèle. Le copeau est formé de segments légèrement déformés, séparés
par des bandes blanches de faible épaisseur et fortement déformées (figure 5). L’aluminium 6060 quant à lui présente un
copeau continu dans tout l’intervalle de vitesse de coupe. Les deux autres matériaux (Aluminium 2024 et acier 35NCD 16)
présentent quant à eux une morphologie du copeau qui évolue de la forme continu à segmentée puis entièrement cisaillée.
Cependant, les vitesses à auxquelles apparait le changement de morphologie sont différents pour les deux matériaux (840
et 1320 m.mn-1 pour l’acier 35 NCD16 (figure 6 a b et c) ; 648 et 960 m.mn-1 pour l’alliage d’aluminium 2024 (figure 7
a b et c).Cette différence dans la morphologie du copeau est intimement liée à la vitesse de coupe et aux propriétés
thermiques du matériau. En effet, lorsque la vitesse de coupe donc la vitesse de déformation de la matière croit, l’énergie
de déformation plastique se transforme en chaleur.
Il s’ensuit alors un phénomène d’adoucissement thermique qui rentre en compétition avec le durcissement du matériau. Ce
dernier est dû à l’écrouissage du matériau provoqué par le cisaillement intense. Dans le cas de l’alliage de titane TA6V4
par exemple, la conductivité thermique est particulièrement basse aux hautes températures. Ainsi, l’énergie thermique
devient importante et de plus en plus difficile à dissiper par le matériau. L’effet de l’adoucissement thermique l’emporte
alors sur celui de l’écrouissage et fait chuter les caractéristiques mécaniques de l’alliage. Cette détérioration des propriétés
du matériau favorise la création de zones très localisées caractérisées par une déformation plastique intense sans possibilité
d’échanger la chaleur avec le reste du matériau (régime adiabatique). On assiste alors à l’apparition de bandes de
cisaillement adiabatiques à l’origine de la segmentation du copeau (figure 4 et 5). Cette segmentation du copeau est l’une
des causes principales de la diminution de l’effort de coupe quand la vitesse de coupe augmente. Elle permet par ailleurs
une évacuation rapide du copeau dans les productions automatisées.
Figure 4: Classical Indented chip. TA6V4,
Vc=868m/min f=0.3mm; ap=6mm, γ= -5°.
Figure 5: Adiabatic Shear band betwen two
element of chip TA6V4 Titanium
1877-7058 © 2015 The Authors. Published by Elsevier Ltd.
Peer-review under responsibility of INEGI - Institute of Science and Innovation in Mechanical and Industrial
Engineering.
1st International Conference on Structural Integrity
a) Vc=420 m.min-1
c)
Vc =1320 m.min-1
b) Vc=840 m.min-1
a) Vc= 240 m/min
Figure 6 : Morphology of chip obtained on
35NCD16 Steel, tool P40.
γ =+5°, α =+6°, f=0.3 mm, ap=6mm.
Vc = 648 m/min
c) Vc= 960 m/min
Figure 7 : Morphology of chip obtained on 2024
Aluminium, tool K10. Ap= 6mm, f=0.4mm,
γ=+15°, α=+6°.
4.2. Effect of cutting speed and rake angle on main cutting force
L’accroissement de la vitesse de coupe, entraîne une diminution de l’effort principal de coupe pour l’ensemble des
matériaux testés (figures 8 à 10). Cette diminution est bien entendu conditionnée par les propriétés thermiques du matériau
et sa dureté. Dans ces cas, l’adoucissement thermique l’emporte en général sur l’écrouissage et fait chuter les
caractéristiques mécaniques du matériau donc l’effort de coupe. Le deuxième facteur qui participe sans doute la baisse du
coefficient de frottement à l’interface outil copeau. La diminution de l’effort de coupe est plus ou moins importante selon
la dureté et la conductivité thermique du matériau testé. Nous pouvons aussi remarquer qu’elle est plus importante pour
les grandes avances quelques le matériau testé. Ces résultats sont par ailleurs obtenus par d’autres études [4] [5] [6].
1877-7058 © 2015 The Authors. Published by Elsevier Ltd.
Peer-review under responsibility of INEGI - Institute of Science and Innovation in Mechanical and Industrial
Engineering.
1st International Conference on Structural Integrity
1000
2024 Aluminium, Tool K10
35NCD16 Steel, Tool P25,
ap=6 mm, γ=+5°,α=+6°
ap=6 mm, γ=+5°,α=+6°
f=1.3 mm
f=0.5 mm
f=0.7 mm
f=0.35 mm
600
400
200
600
Cutting force Fc (N)
Cutting Force Fc (N)
800
500
400
300
200
100
0
0
0
10
20
Cutting Speed (m/s)
0
30
f=0.6 mm
f=1.2 mm
300
f=0.35 mm
f=0.4 mm
250
200
150
100
6060 Aluminium Tool K10
γ= +5°, α=+6°, ap = 6mm
50
0
5
Cutting force (N)
350
10
20
Cutting Speed Vc (m/s)
f=0.6 mm,Gamma=+15°
f=1.2 mm, Gamma=+15°
f=0.6mm,Gamma=+5°
f=1.2mm,Gamma=+5°
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
6060 Aluminium, Tool K10, ap=6 mm,
5
15
25
Cutting speed Vc (m/s)
10
15
20
Cutting speed(m/s)
25
f=0.6mm; Gamma=+5°
f=1.2mm; Gamma=+5°
f=0.6mm; Gamma=+15°
f=1.2mm;Gamma=+15°
350
Cutting force (N)
300
250
200
150
100
2024Aluminium, Tool K10
α=+6°, ap = 6mm
0
5
30
Figure 11: Effect of cutting speed and feed and Rake
angle on cutting force For 6060 T4 Aluminium.
Figure 10: Effect of cutting speed and feed on
cutting force For 6060 T4 Aluminium.
50
30
Figure 9: Effect of cutting speed and feed
on cutting force 35NCD16 Steel
Figure 8: Effect of cutting speed and feed on
cutting force For 2024 T4Aluminium Alloy
Cutting force Fc (N)
f=0.3 mm
f=0.5 mm
f=0.15 mm
10
15
20
Cutting speed (m/s)
25
30
Figure 12: Effect of cutting speed and feed and Rake
angle on cutting force For 2024 T4Aluminium. Alloy
1877-7058 © 2015 The Authors. Published by Elsevier Ltd.
Peer-review under responsibility of INEGI - Institute of Science and Innovation in Mechanical and Industrial
Engineering.
1st International Conference on Structural Integrity
5. Conclusion
Notre contribution première à ce domaine de la coupe des métaux réside dans la mise au point d’une méthodologie d’étude
de l’usinage à grande vitesse très rentable tant du point de vue moyen d’essai que celui de la réalisation des échantillons.
A l’issue des nombreuses observations microstructurales effectuées sur des copeaux obtenus à différentes conditions
d’essais, nous pouvons affirmer que le mécanisme de formation du copeau à grande vitesse, est diffèrent de celui observé
à des vitesses conventionnelles. Des instabilités par cisaillement adiabatique dues à la rapidité de la déformation
apparaissent sous forme de bandes blanches de faibles épaisseurs, entrainent la formation d’un copeau cisaillé.
L’apparition de ces bandes blanches ou autrement appelés bande de cisaillement adiabatique dépend de la vitesse de coupe
et des propriétés thermiques du matériau. L’alliage de titane par exemple présente le plus faible coefficient de conductivité
thermique fait apparaître un copeau cisaillé quelques soit la vitesse contrairement à l’alliage d’aluminium 6060 qui ne fait
apparaitre qu’un copeau continu. Les deux autres alliages (2024 et 35NCD16), montrent une évolution de la morphologie
du copeau depuis celui continu jusqu’au copeau entièrement cisaillé.
L’accroissement de la vitesse de coupe entraine une baisse significative de l’effort principal de coupe pour tous les
matériaux testés. Cette baisse est plus prononcée pour les grandes avances. Ce résultat à lui seul justifie l’intérêt de ce type
d’étude dans la mesure où il permet de réduire très significativement les coûts de production, d’exploitation ainsi que
l’investissement en usinage à grande vitesse.
6. References
[1] R. Komanduri, Chip segmentation: an experimental study with the aid of high speed photography. Proceeding of the
conference on production. Science in industry, institute of engineers, Australia, 1971, pp. 322.
[2] M. Lee, D.G Flom. Metallurgical aspects of chip formation at very high cutting speed. Proceeding of the 9th
N.A.M.R.C, May 1981, pp. 326-333.
[3] R. Komanduri, B.F.Von Turkovich, New observation of the mechanism of chip formation when machining Titanium
alloy. Wear journal 69, 1981, pp. 179- 188.
[4] R. Komanduri, T.A. Schroeder, D.K. Bandhopadhyay, J. Harza. Metallurgical Society of A.I.M.E. 1982, pp. 241-256.
[5] D. Lee, The effect of cutting speed on chip formation under orthogonal machining, Transactions of A.S.M.E., Journal
of engineering. For .Industry, Volume 107, November 1985, pp. 325-335.
[6] A. Molinari, C. Musquar, G. Sutter. Adiabatic shear banding in high speed machining of Ti–6Al–4V: experiments
and modeling, International Journal of Plasticity 18 (2002) 443–459.
[7] Xavier Soldani, Abdelhadi Moufki& Alain Molinari.18ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août
2007.
[8] J.D. Puerta Vel´ asqueza, B. Bollea, P. Chevrierb, G. Geandierc, A. Tidua, Materials Science and Engineering A 452–
453 (2007) 469–474.
[9] Tarik Mabrouki, Francois Girardin, Muhammad Asad, Jean-FrancoisRigal. International Journal of Machine Tools &
Manufacture 48 (2008) 1187– 1197.
[10] M. Lee, D.G Flom. Metallurgical aspects of chip formation at very high cutting speed. Proceeding of the 9th
N.A.M.R.C, May 1981, pp. 326-333.
1877-7058 © 2015 The Authors. Published by Elsevier Ltd.
Peer-review under responsibility of INEGI - Institute of Science and Innovation in Mechanical and Industrial
Engineering.