3D finite element modeling of micro end-milling by considering tool run-out, temperature distribution, chip and burr formation

The micro manufacturing processes for producing miniaturized components are increasingly demanded and have been used by a variety of applications in industries. Micro machining is a process with great potential compared to other manufacturing process mainly due to the producing three-dimensional components with a wide range of materials. This study presents a 3D finite element modeling (3D FEM) approach for the micro end-milling process on Al6082-T6. The proposed model employs a Lagrangian explicit finite element formulation that can perform coupled thermo-mechanical transient analysis. A number of FE simulations were performed at different cutting conditions to obtain realistic numerical predictions of chip flow, temperature distribution, cutting forces and burr formation with additional 3D FEM prediction capabilities. In order to correctly model the exact geometry of 0.5 mm micro end-mills, a 3D tool modeling was carried out based on the acquired tool geometry. The Johnson–Cook material model was used as constitutive material model and its constants were determined by an inverse methodology from cutting tests. The FE model prediction capability was validated by comparing the numerical model results with experimental tests. 3D chip flow shapes, temperature distribution in cutting area, cutting forces and burr generation were compared against the experiments and good correlations were observed.

I processi di fabbricazione per la produzione di micro componenti miniaturizzati sono sempre più richiesti e utilizzati per una grande varietà di applicazioni nell’industria. La micro lavorazione è una tipologia di processo con grande potenzialità rispetto ad altri processi di fabbricazione, dovuto principalmente alla sua capacità di produrre componenti tridimensionali utilizzando una vasta gamma di materiali. Questo studio presenta una modellazione agli elementi finiti 3D (3D FEM) di un approccio per un micro processo di fresatura di Al 6082-T6. Il modello proposto si avvale di una esplicita formulazione agli elementi finiti di Lagrange in grado di eseguire un’ analisi transitoria termo-meccanica. Svariate simulazioni FE sono state eseguite in diverse condizioni di taglio, per ottenere previsioni numeriche realistiche di evacuazione del truciolo, distribuzione della temperatura, forze di taglio e formazione di bave con capacità di previsione 3D FEM aggiuntive. Per modellare correttamente l'esatta geometria di una micro fresa da 0,5 mm, una modellazione 3D è stata effettuata sulla base della geometria dell'utensile acquisita. Il modello di materiale Johnson-Cook è stato utilizzato come modello fondamentale, le sue costanti sono stati determinate utilizzando una metodologia inversa sulla base di diverse prove di taglio. La capacità di previsione del modello FE è stato validato confrontando i risultati del modello numerici con prove sperimentali. La predizione della forma tridimensionale del truciolo, della distribuzione della temperatura nella zona di taglio, delle forze di taglio e della generazione di bave sono stati confrontate con gli esperimenti, ottenendo buone correlazioni.