Finite element modeling and analysis of microcutting process with dead metal cap

Dead Metal Cap (DMC) plays an important role in the microcutting process because this material piled up on the tool-chip-workpiece interface can alter the cutting geometry. Indeed, as the cutting process dimension are scaled down, the mechanics of the process become extremely sensitive to the interface between the tool edge and chip. Big portions of the contact area can be altered by the presence of DMC and therefore its study can lead to better understand the process mechanics. In addition, the interpretation of the micromachining mechanics with DMC has never been investigated to satisfactory extent. The target of this study is to model and simulate the micro orthogonal cutting process in presence of DMC in order to investigate the effects of this phenomenon on the micromachining process outputs (cutting force, thrust force, chip thickness) and fundamental variables such as stress distribution, equivalent plastic strain and temperature inside the workpiece shear zones and tool-tip. For this purpose, three different models have been developed considering different type of thermal analysis and mesh distortion control. In spite of the extensive research works dedicated to analysis of the machining process, the subject of DMC has been rarely studied and this could be caused either with the complexity associated with it and to the inability of available models through the literature to represent this phenomenon. This study tries to fill the lack of information in micromachining with presence of DMC by proposing novel approaches for modelling it in FEM simulations. The proposed different modelling approaches are illustrated in three main chapters with results and related discussion. Chapter 5 discusses results captured from modelling with explicit dynamic solution and adiabatic heating effect along with Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE), Chapter 6 discusses the results of Coupled Eulerian Lagrangian (CEL) model with consideration of adiabatic heating effects and Chapter 7 uses the same modelling approach for mesh motion control while considering a full thermal analysis of the process. It is shown that the FE models with current state of the art assumptions cannot take into account the DMC by default. In this thesis, it is argued that, in spite of many advancement of modelling techniques until now, each of these approaches suffer from drawbacks that limits their performance. For this reason in this study, DMC is artificially introduced on the rounded tool edge for carrying out a proper analysis. Several simulations with different DMC geometries are performed and the obtained results show that prediction of cutting force, thrust force and chip thickness are sensitive to the presence of DMC and its geometry. Micro orthogonal cutting experiments are carried out on tubular AISI 1045 workpieces for validating and interpreting simulated results. In fact, the resulting simulations of micromachining carbon steel with uncoated carbide tools are considered as a benchmark to evaluate the effect of DMC on mentioned process outputs. The error between predicted and experimental data is calculated and it is shown that simulation performances can be improved by considering the DMC into the process model. This comparison is made with two different cases of experiments. It is found that one DMC geometry for both experimental sets is providing acceptable error between predicted process outputs and experimental ones. It is shown that the artificially introduction of DMC into modelling setup offers such opportunity that prediction performance of models can be improved. This study points out how the target material, Von Mises stress, equivalent plastic strain and temperature distribution are sensitive to any alteration of the edge geometry due to the DMC. In fact, it is shown that this piled up material at interface which occupies the big part of tool-chip contact is affecting the mechanics of the process significantly. As an advancement of the modelling techniques and for the sake of better understanding over the mechanics of the microcutting process, Chapter 7 is designed to establish detailed analysis of the process with fully thermal properties of three main bodies (workpiece, DMC and tool). Furthermore, it is shown that DMC is reducing the conduction of temperature towards the tool tip, which may be the factor to protect it from the tool wear.

Il Dead Metal Cap (DMC) gioca un ruolo importante nel processo di taglio micro perché la formazione di questo materiale sull'interfaccia strumento-chip-pezzo può alterare la geometria di taglio. Infatti, quando le dimensioni del processo di taglio vengono scalate, la meccanica dell’asportazione di truciolo diventa estremamente sensibile alle condizioni di interfaccia tra tagliente e flusso del truciolo. Dato che in queste condizioni il DMC occupa la grande porzione del contatto, lo studio in dettaglio di questo fenomeno porta ad una migliore comprensione della meccanica di processo. Inoltre, l'interpretazione della meccanica delle microlavorazioni ad asportazione di truciolo affette dal DMC non è mai stata studiata in modo soddisfacente. L'obiettivo di questo studio è quello di modellare e simulare il micro processo di taglio ortogonale in presenza di DMC al fine di indagare gli effetti di questo fenomeno sugli effetti principali del processo (es. forze di taglio, spessore del truciolo) e su altre variabili fondamentali come la distribuzione degli sforzi, la deformazione plastica equivalente, la temperatura all'interno della zona di taglio. A questo scopo, sono stati sviluppati tre diversi modelli che considerano diverse tipologie di analisi termiche e diversi metodi di controllo della distorsione delle mesh. Nonostante i grandi lavori di ricerca dedicato all'analisi del processo di lavorazione, oggetto di DMC è stato raramente studiata in cui questo potrebbe essere causa di complessità associata o incapacità di modelli disponibili nella letteratura per rappresentare questo fenomeno. Questo studio cerca di colmare la mancanza di informazioni, nella letteratura riguardo alla modellazione delle lavorazioni di microasportazione di truciolo in presenza di DMC, proponendo nuovi approcci di modellazione di questo aspetto nelle simulazioni FEM. I diversi approcci di modellazione proposti sono illustrati in tre capitoli principali che trattano i risultati con relative discussioni di dettaglio. In particolare, in Capitolo 5 discute i risultati acquisiti dalla modellazione con soluzione dinamica esplicita e l'effetto di riscaldamento adiabatico ottenuto mediante l’applicazione del cosiddetto metodo Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE). Il Capitolo 6 discute i risultati del metodo Coupled Eulerian Lagrangian (CEL) che include gli effetti del riscaldamento adiabatico mentre il Capitolo 7 utilizza lo stesso approccio di modellazione per il controllo del movimento della mesh considerando una analisi termica completa del processo di taglio. Dallo studio emerge che i modelli FE allo stato dell’arte attuale non riescono a tener conto del DMC di default. A questo riguardo, questa tesi evidenzia come, nonostante la presenza di un elevato numero di avanzati approcci di modellazione, ognuno di questi soffra di svantaggi che limita le loro prestazioni. Al fine di condurre un’analisi del DMC questo studio propone di introdurre artificialmente il DMC sul tagliente arrotondato. Sono state eseguite alcune simulazioni con diverse geometrie del DMC, e i risultati ottenuti mostrano che la previsione delle forze di taglio e dello spessore del truciolo sono sensibili alla presenza di DMC ed alla sua geometria. Sono stati effettuati Micro esperimenti di taglio ortogonale su provini tubolari di AISI 1045 al fine di validare e interpretare i risultati di simulazione. L’effetto del DMC sulle uscite del processo di microasportazione è stato indagato mediante simulazioni di taglio di acciaio al carbonio lavorato con utensili in metallo duro non rivestiti. L'errore tra i dati previsti e quelli sperimentali dimostra che le prestazioni di simulazione possono essere migliorate considerando il DMC nel modello di processo. Questo confronto è stato fatto con due differenti set di esperimenti. Si è constatato quindi che esiste una geometria DMC per entrambi i set sperimentali investigati, che garantisce errori accettabili nella predizione delle uscite di processo. Viene quindi dimostrato che l’introduzione artificiale del DMC nel setup di modellazione offre l’opportunità di migliorare le perfomance dei modelli. Questo studio sottolinea come il materiale studiato, i Von Mises stress, la deformazione plastica equivalente e la distribuzione della temperatura sono sensibili a qualsiasi alterazione della geometria del filo tagliente a causa del DMC. Si è dimostrato che questo materiale ammucchiato all'interfaccia, che occupa la gran parte di contatto utensile-truciolo colpisce la meccanica del processo in modo significativo. Il Capitolo 7 è stato progetto per studiare l’avamzamento della tecnica di modellazione e per meglio comprendere la meccanica della microasportazione di truciolo. In esso viene proposto uno studio che comprenda in modo completo tutte le proprietà termiche dei 3 principali componenti (pezzo, DMC e utensile). Infine, si è dimostrato che il DMC riduce la conduzione della temperatura verso la zona limite dell'utensile, giocando un possibile ruolo nel processo di usura dell’utensile.