Tool life modelling with spindle speed variation in turning process

Chatter is still one of the most challenging problems in machining vibrations, which limits the productivity and product quality. Several studies have focused their attention to prevent, avoid or reduce chatter vibration by introducing different techniques. Among them, the technique based on the spindle speed variation (SSV) have gained great attention, which allows higher depth of cuts, and so higher material removal rates. Nevertheless, a lack of knowledge regarding the effects of non-stationary cutting conditions is still limiting its diffusion in the industrial scenario. Further, previous researches have revealed that the implementation of the SSV has a negative influence on tool life, although the cutting operations were performed in stable or stabilized conditions. The scenario is to verify if it is more convenient to apply SSV systematically increasing the MRR and accepting lower tool life on less rigid and cheaper machine or to perform the same cutting operation in constant speed machining (CSM) with same MRR but higher tool life, on more rigid and expensive machine. In order to analyze this scenario, tool life models need to be developed. The objective of this thesis is to identify and validate such models. Set of experiments have been conducted following two factorial design: one in CSM mode and second in SSV mode, where cutting speed, feed rate and speed modulation parameter were the investigated factors. The flank wear has been chosen as the end of life criteria for the tool. Once the tool life data was gathered from the experiments, a statistical analysis was carried out for developing the tool life models. More in details, three models have been formulated: one for describing the tool life during CSM, the second one for predicting the tool duration in SSV regime and a generalized model that can be used in any cutting condition. Then, further experimental campaign has carried out for validating the proposed models.

Nelle lavorazioni a taglio, il chatter rigenerativo è ancora uno dei principali fattori che limitano la produttività e la qualità dei prodotti. Diversi studi si sono focalizzati nella ricerca di specifiche tecniche che permettessero di prevenire o attenuare queste vibrazioni. Tra queste, una tecnica che è stata vista con grande interesse è la variazione della velocità del mandrino (SSV), che permettere di adottare una maggiore profondità di taglio e quindi un maggiore material removal rate (MRR). Nonostante ciò, la SSV non si è ancora diffusa a livello industriale data la mancanza di conoscenza nelle lavorazioni di taglio in condizioni dinamiche. Inoltre, precedenti studi hanno rilevato che l’implementazione della SSV causa un effetto negativo sulla vita utile del utensile, nonostante le operazioni di taglio fossero condotte in condizioni di taglio stabile o stabilizzate. Un interessante scenario è la verifica se è più conveniente applicare la SSV sistematicamente aumentando il MRR ed accettare una vita utile ridotta con una macchina meno rigida e più economica oppure eseguire le stesse operazioni a velocità di taglio costante (CSM) con lo stesso MRR ma una maggiore vita utile dell’utensile, su una macchina più rigida e costosa. Per analizzare questo scenario, i modelli di vita utile dell’utensile sono necessari. L’obbiettivo della presente tesi è di identificare e validare questi modelli. Gli esperimenti sono stati condotti seguendo due piani fattoriali: uno in modalità CSM e l’altro in SSV, dove la velocità di taglio, l’avanzamento, e i parametri della modulazione della velocità erano i fattori d’indagine. L’usura del labbro è stata scelta come criterio di fine vita. Una volta ricavata la durata degli utensili in condizioni di taglio differenti, un analisi statistica è stata condotta per identificare tre modelli: primo per descrivere la durata dell’utensile in CSM, secondo per predire la vita utile in un regime SSV e un modello generale, applicabile indistintamente dalla tipologia di lavorazione. Successivamente, altre prove sono state eseguite per validare i modelli proposti.