Residual stress estimation in cryogenic milling of Ti6Al4V through finite element modelling

The purpose of this thesis is the estimation through a Finite Element Analysis of residual stresses in high feed milling of a titanium alloy (Ti6Al4V) using liquid nitrogen LN2 as lubricant. The results obtained with this numerical approach will then be compared to the experimental data available to understand the capabilities of the model and validate it. Titanium alloys are interesting metals for their performance and capabilities in different fields, like aerospace and biomedical, however they are hard to cut materials, and their processing is a challenge. Cryogenic cooling may represent a better choice with respect to conventional cutting strategies, so its potential benefits should be explored to understand its real advantages. From an environmental and health point of view, the use of liquid nitrogen erases the problems that are commonly present in flood cooling due to the used oils. The potentialities of cryogenic cooling should be compared to other options, like dry cutting or Minimum Quantity Lubrication (MQL), where little to no oil is used to avoid its danger and the pollutant formation but keeping part of the properties of flood cooling. The main effects of cryogenic machining are the reduction of friction in the contact between tool and chip and the temperature decrease during the cut. Both aspects concur in a better surface finishing, since from experimental campaigns it was found that this leads to an increase in superficial hardness in the machined surface and presence of compressive residual stresses. The latter represents an important parameter in the surface integrity of the final component. Presence of more compressive residual stresses on the surface and in the sub-surface creates an additional safety towards the generation and propagation of cracks in the material due to fatigue loading. Results of the FEM simulations show a good agreement with experimental data in the different cutting conditions that were studied. The mechanisms of generation of residual stresses in machining comes from the interaction between thermal and mechanical loads during the cutting and cooling phases. Among the tested conditions, feed and cutting velocity were varied to understand the impact of cutting parameters on the final characteristics of the workpiece. Regarding the residual stress distribution, feed seems to have a larger impact than cutting velocity. From both experimental tests and numerical simulations, the conclusion is that lower feed per tooth leads to higher values of compressive stress on both the component’s surface and deeper in the material. The presence of cryogenic coolant influences the residual stress distribution during both the cut and the next cooling phases. In the former phase, the effect is indirect, through the friction reduction and overall a lower temperature in the material. In the latter phase, the cryogenic flow induces a series of thermal cycles in the workpiece that cause the formation of additional compressive residual stress. This beneficial aspect shows the capability of liquid nitrogen, combined with high feed milling, to be a potential choice for working hard to cut materials.

L’obiettivo di questa tesi è la stima, attraverso un’analisi agli elementi finiti, degli sforzi residui presenti nella fresatura ad alto avanzamento di una lega di titanio (Ti6Al4V) utilizzando l’azoto liquido come fluido di taglio. I risultati ottenuti con questo approccio numerico saranno confrontati con i dati provenienti da una campagna sperimentale per capire le capacità del modello e validarlo. Le leghe di titanio sono metalli interessanti per le loro capacità e performance in diversi campi, come aerospaziale e biomedico, tuttavia sono materiali difficili da tagliare e la loro lavorazione rappresenta una sfida. Il raffredamento criogenico potrebbe rappresentare una migliore opzione rispetto a strategie convenzionali di taglio, quindi i suoi potenziali benfici dovrebbero essere esplorati per capirne i reali vantaggi. Da un punto di vista ambientale e della salute umana, l’uso dell’azoto liquido elimina i problemi comunumente presenti nel taglio convenzionale dove sono presenti gli oli lubrificanti. Le potenzialità del raffreddamento criogenico dovrebbe essere comparate con altre opzioni, come taglio a secco (senza lubrificanti) o Minimum Quantity Lubrication (MQL), dove quantità minime di olio sono usate per evitare i suoi pericoli e la formazione di specie inquinanti, ma comunque mantenendo parte delle proprietà di una lubrificazione convenzionale. Gli effetti principali dell’asportazione di truciolo criogenica sono la riduzione della frizione nell’area di contatto tra truciolo ed inserto e la diminuzione della temperatura durante il taglio. Entrambi questi aspetti concorrono in una migliore finitura superficiale, dato che dalle campagne sperimentali effettuate si sono resi evidenti l’aumento della durezza superficiale nel componente lavorato e la presenza di sforzi residui in compressione. Questi ultimi rappresentano un parametro importante nell’integrità superficiale del componente finale. La presenza di sforzi residui più compressivi sulla superficie esterna e subito al di sotto di essa creano un’ulteriore misura di sicurezza verso la generazione e propagazione di cricche nel materiale a causa di un sollecitamento a fatica. I risultati delle simulazioni FEM concordano con i dati sperimentali nelle diverse condizioni di taglio studiate. Il meccanismo di formazione degli sforzi residui nell’asportazione di truciolo deriva dall’interazione tra input meccanici e termici durante le fasi di taglio e raffreddamento. Tra le condizioni testate, avanzamento e velocità di taglio sono state variate per cogliere l’impatto dei parametri di taglio sulle caratteristiche finali del componente lavorato. Riguardo la distribuzione degli sforzi residui, l’avanzamento sembra avere un impatto più grande rispetto alla velocità di taglio. Sia dai test sperimentali che dalle simulazioni numeriche si può trarre la conclusione che un minor avanzamento al dente porti a valori di sforzi residui di compressione più alti sia sulla superficie del componente lavorato che più in profondità nel materiale. La presenza del fluido di raffreddamento criogenico influenza la distribuzione degli sforzi residui sia durante il taglio che nelle fasi successive di raffreddamento. Nella prima parte, l'effetto è indiretto, attraverso la riduzione di frizione e in generale la minore temperatura nel materiale. Nella seconda fase, il flusso criogenico induce una serie di cicli termici nel componente lavorato che causano la formazione di addizionali sforzi residui compressivi. Questo aspetto benefico mostra la capacità dell'azoto liquido impiegato assieme alla fresatura ad alto avanzamento di rappresentare una potenziale scelta per lavorare metalli difficili da tagliare.