Simulations of Ti6Al4V milling for assessing different cooling lubrication strategies

This work aims at a deeper understanding of the mechanisms that influence the performances of cryogenic milling on Ti6Al4V using high feed strategy, also comparing it with more common approaches as square shoulder milling, and this is done through finite element simulations (software: Forge NxT). Cryogenically assisted machining (with LN2 or LCO2) has high potentialities and it is one of the most promising technologies for future metal cutting procedures, especially in case of hard to cut materials (Titanium, Nickel, Cobalt alloys and Stainless steels) which find growing utilization in modern society. Anyway, these potentialities must be verified on the field to demonstrate the superiority of this approach over more conventional strategies as flood cooling or dry machining. Under a manufacturing point of view the first and most intuitive advantage of cryogenic machining is the reduction of the temperature in the cutting zone, fundamental parameter for the tool life. Also a reduction of friction between tool and workpiece is experienced. The manufactured products exhibit superior surface finishing, microhardness and compressive stresses on the surface able to enhance their mechanical performances. Using LN2 as coolant, no dangerous and pollutant substances contained in conventional metal cutting fluids are dispersed in the ambient and also energy consumption at shop floors' level is reduced, keeping competitive or enhancing the duration of the tools. If the superiority of cryogenic machining is consolidated over wet or dry turning in the majority of scientific works, passing to milling operations this trend is not often verified. In particular the cryogenic coolant applied to square shoulder mills can decrease their life if compared to conventional flood cooling. Passing to high feed milling the cryogenic approach can extend the tool life (especially at high cutting speeds) if compared to wet approach. From the FE simulations can be noticed that for a cutter of a square shoulder mill the most mechanically stressed zone is also the one in which the highest temperatures are developed during the cut, since it is the farthest zone from the centre of the tool, thus where the maximal tangential speed is experienced. In high feed cutters the most mechanically stressed spot is not on the external edge but is shifted towards the centre where lower tangential speeds are developed (with same nominal diameter and rotational speed). This spot does not coincide anymore with the maximum temperature spot, and the maximum temperature in case of square shoulder milling is higher. Another important difference is in the first part of the engagement between tool and workpiece. Square shoulder inserts in wall milling are subjected to intense hammering action when approaching the cut. The whole insert edge is engaged at once, the engagement is sudden and not gradual. Moreover the square shoulder concentrates the load on a thin rake area. This rapid and cyclic mechanical load could be the explanation of the poor results obtained with square shoulder mills, under cryogenic cooling. Largely positive rake angles can be detrimental for cryogenic milling, especially if the cryogenic fluid overhardens the workpiece and decreased the toughness of the cutter. On the contrary in high feed the engagement is more gradual and the chip thickness increases along the path guaranteeing smoother force profiles/stresses. In the FE simulations passing from square shoulder to high feed milling some important outputs as maximum cutting temperature, compressive stress on tool, Tool-WP relative tangential speed and tool abrasion index are decreased. Passing from wet machining to cryogenic machining there is a reduction of the contact area between tool and workpiece, locally increasing the mechanical stress on the tool. This phenomenon can favour two wear modalities as abrasion and fatigue. At the same time the lower temperature experienced in cryogenic machining can limit the effect of other wear modalities as atomic diffusion, oxidation and plastic deformation. The optimization of the cryogenic fluid's delivery system and of the process parameters should be finalized to the minimization of thermo-mechanical fatigue stresses, abrasion and embrittlement on the tool to favour superior tool life over conventional flood cooling, and for the reasons evidenced above high feed milling is more adapt to this scope than square shoulder milling.

Lo scopo di questo lavoro è fare luce sui meccanismi che determinano le prestazioni della fresatura criogenica ad alto avanzamento del Ti6Al4V, facendo anche una comparazione con tecniche di fresatura più diffuse come la fresatura a spallamento retto; questo è fatto tramite simulazioni agli elementi finiti (software: Forge NxT). Le lavorazioni in cui si usa come lubro-refrigerante un fluido criogenico (azoto liquido o anidride carbonica liquida) hanno grandi potenzialità e sono guardate con interesse specialmente per applicazioni future su materiali difficili da tagliare come leghe in titanio, nichel, cobalto o acciai inossidabili, materiali sempre più utilizzati nell'industria moderna. Le potenzialità di questo approccio devono essere verificate sul campo per poterne dimostrare la superiorità rispetto a strategie di lubro-refrigerazione più convenzionali come emulsione o lavorazione a secco. Il vantaggio più intuitivo delle lavorazioni criogeniche è la riduzione della temperatura nella zona di taglio, parametro fondamentale per la durata dell'utensile. Spesso si evidenzia anche una riduzione della frizione tra pezzo e utensile. I prodotti finiti sono caratterizzati da una migliore finitura superficiale, microdurezza e sforzi residui di compressione sulla superficie che garantiscono migliori prestazioni meccaniche. Utilizzando l'azoto liquido non vengono liberate nell'ambiente sostanze inquinanti o pericolose per la salute dell'uomo solitamente contenute nei refrigeranti convenzionali, inoltre si riduce il consumo di energia elettrica da parte dei macchinari mantenendo comunque a buon livello o migliorando la durata degli utensili. In letteratura la superiorità delle lavorazioni criogeniche è ampiamente consolidata se si tratta di tornitura, passando alla fresatura non è possibile affermare lo stesso. In particolare nel caso di utensili con geometria a spallamento retto, l'utilizzo di fluidi criogenici può diminuire anche drasticamente la vita dei taglienti se comparato al lubro-refrigerante tradizionale. Passando però alla fresatura ad alto avanzamento è possibile invertire questa tendenza specialmente ad alte velocità di taglio. Dai risultati ottenuti nelle simulazioni FEM, si può notare come per un tagliente a spallamento retto la zona più stressata meccanicamente sia anche quella dove si sviluppano le temperature maggiori durante il taglio, poichè è la zona più lontana dal centro dell'utensile, perciò caratterizzata da maggior velocità tangenziale. Nei taglienti ad alto avanzamento la zona più sollecitata meccanicamente non è più sul profilo esterno ma è spostata verso il centro dove a parità di diametro nominale e giri al minuto, si svilupperanno velocità tangenziali minori. Questo punto non coinciderà più con la zona di massima temperatura, e la temperatura massima in caso di utensile a spallamento retto è superiore. Un'altra differenza rilevante tra i due approcci sta nella parte iniziale d'ingaggio tra pezzo e utensile. Inserti a spallamento retto sono soggetti ad un'intensa azione di “martellamento” quando iniziano il taglio. Tutto il tagliente viene ingaggiato nello stesso istante, in maniera improvvisa e non graduale. Inoltre la geometria a spallamento retto concentra lo sforzo in una sottile porzione del petto dell'inserto. Questo carico ciclico e rapido può essere la spiegazione dei risultati non soddisfacenti ottenuti applicando fluido criogenico a questa tecnica di fresatura. Angoli di spoglia altamente positivi inoltre possono essere dannosi in caso di fresatura criogenica, specialmente nel caso in cui il fluido porti all'indurimento del materiale da tagliare e all'infragilimento del materiale del tagliente. Al contrario con l'alto avanzamento l'ingaggio è più graduale e lo spessore di truciolo indeformato sul suo cammino cresce gradualmente garantendo un profilo di forze/stress più dolce. Dai risultati delle simulazioni, passando da spallamento retto ad alto avanzamento alcune grandezze significative come temperatura massima nella zona di taglio, sforzo compressivo sull'utensile, velocità tangenziale relativa tra pezzo/tagliente e indice di abrasione sono ridotte. Quando si passa da lubro-refrigerante convenzionale a criogenico si nota una riduzione dell'area di contatto tra pezzo e utensile, questo a livello locale si traduce in uno sforzo meccanico superiore sull'utensile. Vengono così favorite due modalità di usura come l'abrasione e la fatica. Allo stesso tempo però una riduzione della temperatura nella zona di taglio può limitare l'effetto usurante di diffusione atomica, ossidazione e deformazione plastica. Da qui ne deriva che l'ottimizzazione del sistema di adduzione del refrigerante e dei parametri di lavorazione deve essere finalizzato alla minimizzazione della fatica termo-meccanica, dell'abrasione e dell'infragilimento dell'utensile per favorire una sua durata superiore rispetto al caso di fluido refrigerante convenzionale e per le ragioni sopra citate la fresatura ad alto avanzamento si presta meglio a questo scopo.