Comprehensive analysis of cryogenic machining application through the development of a finite element model for Ti6Al4V milling

The aim of this work consists in the simulation of cryogenically assisted milling of Titanium alloy Ti6Al4V to investigate the mechanisms responsible for inconsistent tool life performances. While cryogenic fluids have enhanced productivity for most studies in turning, in milling research is still at work due to increased process complexity. Titanium, Nickel, Cobalt alloys, Stainless steels are designed for superior strength, fatigue, corrosion, toughness properties. They retain those properties at high temperature and present lower conductivity with respect to common steels. Cutting zone heat build up increases, without softening the material, promoting high wear rates. High strength alloys have been increasingly adopted in aerospace, chemical, structural, automotive fields who demands for high material removal rate technologies withstanding hard materials. FE Simulations can provide information on machining processes hardly achievable with experiments. However, a numerical model needs to be trustful. A good knowledge of machining and cryogenic applications can steer simulation toward the wanted targets in a reduced amount of time and discriminate on the goodness of the produced results. An introduction to cutting processes and Ti6Al4V machining is presented. Many studies have analysed cutting performances considering various couples WP-Tool, but there are inconsistencies regarding cutting forces, friction coefficients, tool life. A critical analysis was made regarding experimental findings into the field of Cryogenic Machining application to Ti6Al4V. The improvements regarding cutting performances seem to be strongly dependent on the cryogen delivery design. A review on delivery design solutions in relation with achieved performances is undertaken. Many researchers focused on simulation of machining processes, trying to reproduce numerically their experimental findings, predict temperature and stress distributions in the tool-chip interface, combining them to forecast wear rates. A deep state of the art analyses (thermal, material and friction models) have been performed to help in the final model set up. Experimental tool life tests were performed for dry, emulsion and cryogenic cooling with square shoulder mill. Cutting performances proved poor for cryogenic cooling if compared with emulsion. Measured quantities helped in setting up a FE model to better understand the aroused problematic. Material models developed for orthogonal cutting simulations proved inefficient for heavy industrial-purpose numerical models. Stress flow response for Ti6Al4V were compared, exhibiting high variability. Simple Johnson-Cook material and Latham-Cockcroft damage models can predict square shoulder milling experimental results. The FE Model was able to reproduce experimental chip morphology and cutting force (∼ 10% error) for four different feed and speed combinations in dry and cryogenic cutting (8 different conditions). Lower friction needed to match cryogenic experiments. Results suggest the tendency of cryogenic machining to increase the local load on cutting edges. Tool geometries and materials need to be tougher. Attention should be given to smooth chip load evolution on cutting insert during engagement. A new interpretation of issues regarding tool wear and life results is therefore demonstrated. Work material exhibit lower plasticity. Simulated cutting temperature was slightly reduced. The portion of heat flowing into the tool increased due to lower temperature reached in the non-cutting phase rake face cooling. Consequently, the idle phase cooling action of jets on inserts is important.

Lo scopo di questo lavoro consiste nella simulazione della fresatura criogenica della lega di titanio Ti6Al4V al fine di studiare i meccanismi responsabili di prestazioni incoerenti di durata dell'utensile. Mentre i fluidi criogenici hanno migliorato la produttività per la maggior parte degli studi sulla tornitura, nella fresatura la ricerca è ancora al lavoro a causa della maggiore complessità del processo. Leghe di Titanio, nichel, cobalto, acciai inossidabili sono progettati per prestazioni superiori, fatica, corrosione, tenacità. Mantengono tali proprietà ad alta temperatura e presentano una minore conducibilità rispetto agli acciai comuni. Il calore della zona di taglio aumenta, senza ammorbidire il materiale, promuovendo alti tassi di usura. Le leghe ad alta resistenza sono sempre più adottate nei settori aerospaziale, chimico, strutturale, automobilistico, che richiedono tecnologie ad alta prestazione resistenti ai materiali duri. Le simulazioni ad elementi finiti possono fornire informazioni sui processi di lavorazione difficilmente realizzabili tramite esperimenti. Tuttavia, un modello numerico deve essere affidabile. Una buona conoscenza delle lavorazioni meccaniche e delle applicazioni criogeniche può indirizzare la simulazione verso gli obiettivi desiderati in un lasso di tempo ridotto e discriminare la bontà dei risultati prodotti. Per questo viene presentata un'introduzione ai processi di taglio e alla lavorazione Ti6Al4V. Molti studi hanno analizzato le prestazioni di taglio considerando varie coppie utensile-pezzo, ma ci sono incongruenze per quanto riguarda le forze di taglio, i coefficienti di attrito, la durata dell'utensile. Per ciò è stata effettuata un'analisi critica per quanto riguarda i risultati sperimentali nel campo dell'applicazione di lavorazione criogenica a Ti6Al4V. I miglioramenti relativi alle prestazioni di taglio sembrano dipendere fortemente dal design del sistema di applicazione dei liquidi criogenici. Dunque, una revisione delle soluzioni per l’applicazione dei fluidi in relazione alle prestazioni è intrapresa. Molti ricercatori si sono concentrati sulla simulazione dei processi di lavorazione, cercando di riprodurre numericamente i loro risultati sperimentali, prevedere le distribuzioni di temperatura e stress nell'interfaccia utensile-truciolo, combinandoli per prevedere i tassi di usura. Una profonda analisi di letteratura (modelli termici, materiali e di attrito) è stata eseguita per aiutare ad impostare il modello numerico. Sono stati eseguite prove sperimentali sulla durata dell'utensile con taglio a secco, emulsione e azoto liquido con fresa a spallamento retto. Le prestazioni di taglio si sono rivelate insufficienti per il criogenico rispetto all'emulsione. Le misurazioni ottenute, tuttavia, hanno contribuito alla creazione di un modello ad elementi finiti per comprendere meglio il problema. I modelli di materiali sviluppati per simulazioni di taglio ortogonale si sono rivelati inefficienti per pesanti simulazioni industriali tridimensionali. Gli stessi modelli materiale per Titanio Ti6Al4V sono stati analizzati rivelando un'elevata variabilità. Un semplice modello Johnson-Cook e Latham-Cockcroft ha dimostrato di saper prevedere accuratamente i risultati sperimentali. Il modello ad elementi finiti ha riprodotto la morfologia sperimentale del truciolo e la forza di taglio (∼10% di errore) per quattro diverse combinazioni di avanzamento e velocità di taglio a secco e con fluido criogenico (8 condizioni diverse). Un Minore attrito è stato necessario per riprodurre gli esperimenti con fluido criogenico. I risultati suggeriscono la tendenza della lavorazione criogenica ad aumentare il carico locale sul bordo tagliente. Le geometrie e i materiali degli utensili devono essere più resistenti. Si dovrebbe prestare attenzione verso un'evoluzione fluida del carico del truciolo sull'inserto durante l'innesto con il pezzo. Viene quindi dimostrata una nuova interpretazione delle questioni relative all'usura degli utensili e ai risultati sulla vita raggiunta. Il materiale di pezzo mostra una minore plasticità. La temperatura di taglio simulata è ridotta di un centinaio di gradi con l’applicazione di azoto liquido. La porzione di calore fluente nell'utensile è aumentata a causa della minore temperatura raggiunta nel raffreddamento dell’utensile in fase di non taglio. Di conseguenza, l'azione di raffreddamento in fase inattiva dei getti sugli inserti è importante.