Tornitura del titanio aeronautico : simulazione e sperimentazione

Titanium and its alloys are attractive materials due to their unique high strength–weight ratio that is maintained at elevated temperatures and their exceptional corrosion resistance. On the other hand, titanium and its alloys are notorious for their low thermal conductivity and are classified as difficult-to-machine materials. Due to the low machinability of the alloys under study, selecting the machining conditions and parameters is crucial. After a preliminary study of scientific papers about experimental and simulated cutting of titanium alloys, a material constitutive law for Ti6Al4V is implemented in a 2D finite element model to analyze the chip formation, cutting forces and temperature distribution along the rake face when machining titanium alloys. A variable cutting speed simulation (Sinusoidal Spindle Speed Variation) is also studied and implemented. The numerical simulations use a commercial finite element software (Deform2D™) able to solve complex thermo-mechanical problems. The comparison between the predicted chip morphology and principal cutting force at varying of cutting parameters with those experimentally found are presented and discussed. Moreover, turning tests are carried out on Ti6Al4V, with both constant cutting speed and SSSV, using three different coated carbide tools with the same geometry, one of which is also cryogenically treated. The experiments are carried out trying to reproduce real industrial conditions: use of water based cutting fluid and cutting speeds of 40 and 50 m/min. The depth of cut is kept constant at 1.2 mm. The feed rates used in the experiments are 0.2 and 0.3 mm per revolution. Several machining results are observed: cutting forces, temperature, lathe power input, workpiece roughness and tool wear. Chip morphology is also analyzed. The effect of different cutting parameters, SSSV and different tools are observed and discussed.

Il titanio e le sue leghe sono materiali interessanti dal punto di vista ingegneristico per il loro elevato rapporto resistenza-peso, che si mantiene tale anche a temperature elevate, e per la loro eccezionale resistenza alla corrosione. D'altra parte, il titanio e le sue leghe sono note per bassa conducibilità termica e sono classificati come materiali difficili da lavorare. A causa della scarsa lavorabilità delle leghe oggetto di questo studio, la scelta delle condizioni di lavorazione e dei parametri di taglio è cruciale. Dopo una prima fase di studio dello stato dell’arte riguardo il taglio, sperimentale e simulato, delle leghe di titanio, si implementa una legge costitutiva per il Ti6Al4V in un modello 2D ad elementi finiti con l’obiettivo di analizzare la morfologia del truciolo, le forze di taglio e la distribuzione di temperatura lungo il petto. Viene anche studiata e implementata una simulazione di taglio a velocità variabile (Sinusoidal Spindle Speed Variation). Per le simulazioni numeriche si utilizza un software commerciale agli elementi finiti (Deform2D™) in grado di risolvere complessi problemi termo-meccanici. Vengono presentati e discussi i risultati della simulazione ed effettuato un confronto con i dati sperimentali. Vengono inoltre effettuate prove sperimentali di tornitura su barre di Ti6Al4V, sia a velocità di taglio constante che con SSSV, utilizzando tre diversi inserti in carburo rivestito, della stessa geometria, di cui uno trattato criogenicamente. Gli esperimenti sono condotti cercando di riprodurre le reali condizioni industriali: uso di emulsione acqua-olio come fluido da taglio e velocità di taglio di 40 e 50 m/min. La profondità di passata è mantenuta costante e pari a 1,2 mm. Le velocità di avanzamento utilizzate sono 0,2 e 0,3 mm/giro. Durante la lavorazione si raccolgono numerose grandezze: forza di taglio, di avanzamento e di repulsione, temperatura, potenza elettrica assorbita dal tornio, rugosità del pezzo e livello di usura degli utensili. È stata inoltre analizzata la morfologia del truciolo. Vengono osservati e discussi gli effetti dei parametri di taglio, della SSSV e del tipo di inserto.