Eco-efficient process based on conventional machining as an alternative technology to chemical milling of aeronautical metal skin panels

El fresado químico es un proceso diseñado para la reducción de peso de pieles metálicas que, a pesar de los problemas medioambientales asociados, se utiliza en la industria aeronáutica desde los años 50. Entre sus ventajas figuran el cumplimiento de las estrictas tolerancias de diseño de piezas aeroespaciales y que pese a ser un proceso de mecanizado, no induce tensiones residuales. Sin embargo, el fresado químico es una tecnología contaminante y costosa que tiende a ser sustituida. Gracias a los avances realizados en el mecanizado, la tecnología de fresado convencional permite alcanzar las tolerancias requeridas siempre y cuando se consigan evitar las vibraciones y la flexión de la pieza, ambas relacionadas con los parámetros del proceso y con los sistemas de utillaje empleados. Esta tesis analiza las causas de la inestabilidad del corte y la deformación de las piezas a través de una revisión bibliográfica que cubre los modelos analíticos, las técnicas computacionales y las soluciones industriales en estudio actualmente. En ella, se aprecia cómo los modelos analíticos y las soluciones computacionales y de simulación se centran principalmente en la predicción off-line de vibraciones y de posibles flexiones de la pieza. Sin embargo, un enfoque más industrial ha llevado al diseño de sistemas de fijación, utillajes, amortiguadores basados en actuadores, sistemas de rigidez y controles adaptativos apoyados en simulaciones o en la selección estadística de parámetros. Además se han desarrollado distintas soluciones CAM basadas en la aplicación de gemelos virtuales. En la revisión bibliográfica se han encontrado pocos documentos relativos a pieles y suelos delgados por lo que se ha estudiado experimentalmente el efecto de los parámetros de corte en su mecanizado. Este conjunto de experimentos ha demostrado que, pese a usar un sistema que aseguraba la rigidez de la pieza, las pieles se comportaban de forma diferente a un sólido rígido en términos de fuerzas de mecanizado cuando se utilizaban velocidades de corte cercanas a la alta velocidad. También se ha verificado que todas las muestras mecanizadas entraban dentro de tolerancia en cuanto a la rugosidad de la pieza. Paralelamente, se ha comprobado que la correcta selección de parámetros de mecanizado puede reducir las fuerzas de corte y las tolerancias del proceso hasta un 20% y un 40%, respectivamente. Estos datos pueden tener aplicación industrial en la simplificación de los sistemas de amarre o en el incremento de la eficiencia del proceso. Este proceso también puede mejorarse incrementando la vida de la herramienta al utilizar fluidos de corte. Una correcta lubricación puede reducir la temperatura del proceso y las tensiones residuales inducidas a la pieza. Con este objetivo, se han desarrollado diferentes lubricantes, basados en el uso de líquidos iónicos (IL) y se han comparado con el comportamiento tribológico del par de contacto en seco y con una taladrina comercial. Los resultados obtenidos utilizando 1 wt% de los líquidos iónicos en un tribómetro tipo pin-on-disk demuestran que el IL no halogenado reduce significativamente el desgaste y la fricción entre el aluminio, material a mecanizar, y el carburo de tungsteno, material de la herramienta, eliminando casi toda la adhesión del aluminio sobre el pin, lo que puede incrementar considerablemente la vida de la herramienta.Chemical milling is a process designed to reduce the weight of metals skin panels. This process has been used since 1950s in the aerospace industry despite its environmental concern. Among its advantages, chemical milling does not induce residual stress and parts meet the required tolerances. However, this process is a pollutant and costly technology. Thanks to the last advances in conventional milling, machining processes can achieve similar quality results meanwhile vibration and part deflection are avoided. Both problems are usually related to the cutting parameters and the workholding. This thesis analyses the causes of the cutting instability and part deformation through a literature review that covers analytical models, computational techniques and industrial solutions. Analytics and computational solutions are mainly focused on chatter and deflection prediction and industrial approaches are focused on the design of workholdings, fixtures, damping actuators, stiffening devices, adaptive control systems based on simulations and the statistical parameters selection, and CAM solutions combined with the use of virtual twins applications. In this literature review, few research works about thin-plates and thin-floors is found so the effect of the cutting parameters is also studied experimentally. These experiments confirm that even using rigid workholdings, the behavior of the part is different to a rigid body at high speed machining. On the one hand, roughness values meet the required tolerances under every set of the tested parameters. On the other hand, a proper parameter selection reduces the cutting forces and process tolerances by up to 20% and 40%, respectively. This fact can be industrially used to simplify workholding and increase the machine efficiency. Another way to improve the process efficiency is to increase tool life by using cutting fluids. Their use can also decrease the temperature of the process and the induced stresses. For this purpose, different water-based lubricants containing three types of Ionic Liquids (IL) are compared to dry and commercial cutting fluid conditions by studying their tribological behavior. Pin on disk tests prove that just 1wt% of one of the halogen-free ILs significantly reduces wear and friction between both materials, aluminum and tungsten carbide. In fact, no wear scar is noticed on the ball when one of the ILs is used, which, therefore, could considerably increase tool life

Review of current best-practices in machinability evaluation and understanding for improving machining performance

Machinability is a generalized framework that attempts to quantify the response of a workpiece material to mechanical cutting, which has been developed as one of the key factors that drive the final selection of cutting parameters, tools, and coolant applications. Over the years, there are many attempts have been made to develop a standard evaluation method of machinability. However, due to the complexity of the influence factors, i.e., from work material and cutting tool to machine tool, that can affect the materials machinability, currently there is no uniquely defined quantification of machinability. As one of the outcomes from the CIRP's Collaborative Working Group on “Integrated Machining Performance for Assessment of Cutting Tools (IMPACT)”, this paper conducts an extensive study to learn interacting machinability parameters to evaluate the overall machining performance. Specifically, attention is focused on recent advances made towards the determination of the machinability through tool wear, cutting force and temperature, chip form and breakability, as well as the surface integrity. Furthermore, the advanced methods that have been developed over the years to enable the improvement of machinability have been reviewed

Effects of Machining Parameters on the Quality in Machining of Aluminium Alloys Thin Plates

Nowadays, the industry looks for sustainable processes to ensure a more environmentally friendly production. For that reason, more and more aeronautical companies are replacing chemical milling in the manufacture of skin panels and thin plates components. This is a challenging operation that requires meeting tight dimensional tolerances and di ers from a rigid body machining due to the low sti ness of the part. In order to fill the gap of literature research on this field, this work proposes an experimental study of the e ect of the depth of cut, the feed rate and the cutting speed on the quality characteristics of the machined parts and on the cutting forces produced during the process. Whereas surface roughness values meet the specifications for all the machining conditions, an appropriate cutting parameters selection is likely to lead to a reduction of the final thickness deviation by up to 40% and the average cutting forces by up to a 20%, which consequently eases the clamping system and reduces machine consumption. Finally, an experimental model to control the process quality based on monitoring the machine power consumption is proposed

Process design for 5-axis ball end milling using a real-time capable dynamic material removal simulation

For repairing turbine blades or die and mold forms, additive manufacturing processes are commonly used to build-up new material to damaged sections. Afterwards, a subsequent re-contouring process such as 5-axis ball end milling is required to remove the excess material restoring the often complex original geometries. The process design of the re-contouring operation has to be done virtually, because the individuality of the repair cases prevents actual running-in processes. Hard-to-cut materials e.g. titanium or nickel alloys, parts prone to vibration and long tool holders complicate the repair even further. Thus, a fast and flexible material removal simulation is needed. The simulation has to predict suitable processes focusing shape deviations under consideration of process stability for arbitrary complex engagement conditions. In this paper, a dynamic multi-dexel based material removal simulation is presented, which is able to predict high-resolution surface topography and stable parameters for arbitrary processes such as 5-axis ball end milling. In contrast to other works, the simulation is able to simulate an unstable process using discrete cutting edges in real-time. © 2020, The Author(s)

High speed milling technological regimes, process condition and technological equipment condition influence on surface quality parameters of difficult to cut materials

[ES] La calidad superficial en las piezas mecanizadas depende del acabado superficial, resultado de las marcas dejadas por la herramienta durante el proceso de corte. Las aproximaciones teóricas tradicionales indican que estas marcas están relacionadas con los parámetros de corte (velocidad de corte, avance, profundidad de corte...), el tipo de máquina, el material de la pieza, la geometría de la herramienta, etc. Pero no todos los tipos de mecanizado y selección de materiales pueden dar un resultado ambiguo. Hoy en día, de manera progresiva, se están utilizando las técnicas de fresado de Alta Velocidad sobre materiales de difícil mecanizado cada vez más. El fresado de Alta Velocidad implica a un considerable número de parámetros del proceso que pueden afectar a la formación topográfica 3D de la superficie. La hipótesis de que los parámetros de rugosidad superficial dependen de las huellas dejadas por la herramienta, determinadas por las condiciones de trabajo y las propiedades del entorno, condujo al desarrollo de una metodología de investigación personalizada. Este trabajo de investigación muestra como la combinación de los parámetros, inclinación del eje de la herramienta, deflexión geométrica de la herramienta y comportamiento vibracional del entorno, influencian sobre el parámetro de rugosidad superficial 3D, Sz. El modelo general fue dividido en varias partes, donde se ha descrito la influencia de parámetros del proceso adicionales, siendo incluidos en el modelo general propuesto. El proceso incremental seguido permite al autor desarrollar un modelo matemático general, paso a paso, testeando y añadiendo los componentes que más afectan a la formación de la topografía de la superficie. En la primera parte de la investigación se seleccionó un proceso de fresado con herramientas de punta plana. Primero, se analiza la geometría de la herramienta, combinada con múltiples avances, para distinguir los principales parámetros que afectan a la rugosidad superficial. Se introduce un modelo de predicción con un componente básico para la altura de la rugosidad, obtenida por la geometría de la herramienta de corte. A continuación, se llevan a cabo experimentos más específicamente diseñados, variando parámetros tecnológicos. Esto empieza con el análisis de la inclinación del eje de la herramienta contra la mesa de fresado. Los especímenes de análisis son muestras con cuatro recorridos de corte rectos con corte en sentido contrario. Las trayectorias lineales con diferentes direcciones dan la oportunidad de analizar la inclinación del husillo de fresado en la máquina. Un análisis visual reveló diferencias entre direcciones de corte opuestas, así como marcas dejadas por el filo posterior de la herramienta. Considerando las desviaciones de las marcas de corte observadas en las imágenes de rugosidad superficial obtenidas a partir de las medidas, se introdujo un análisis sobre el comportamiento dinámico del equipo y de la herramienta de corte. Las vibraciones producen desviaciones en la mesa de fresado y en la herramienta de corte. Estas desviaciones fueron detectadas e incluidas en el modelo matemático para completar la precisión en la predicción del modelo. Finalmente, el modelo de predicción del parámetro de rugosidad Sz fue comprobado con un mayor número de parámetros del proceso. Los valores de Sz medidos y predichos, fueron comparados y analizados estadísticamente. Los resultados revelaron una mayor desviación de la rugosidad predicha en las muestras fabricadas con diferentes máquinas y con diferentes avances. Importantes conclusiones sobre la precisión del equipo de fabricación han sido extraídas y de ellas se desprende que la huella de la herramienta de corte está directamente relacionada con los parámetros de la topografía de la superficie. Además, la influencia de la huella está afectada por la geometría de la herramienta de corte, la rigidez de la herramienta y la precisión del equipo. La geometría de la herramienta conforma la base del parámetro Sz, desviación de la altura de la superficie. Las conclusiones alcanzadas son la base para recomendaciones prácticas, aplicables en la industria.[CA] La qualitat superficial en les peces mecanitzades depèn de l'acabat superficial, resultat de les marques deixades per l'eina durant el procés de tall. Les aproximacions teòriques tradicionals indiquen que aquestes marques estan relacionades amb els paràmetres de tall (velocitat de tall, avanç, profunditat de tall...), el tipus de màquina, el material de la peça, la geometria de l'eina, etc. Però no tots els tipus de mecanitzat i selecció de materials poden donar un resultat ambigu. Avui en dia, de manera progressiva, s'estan utilitzant les tècniques de fresat d'Alta Velocitat sobre materials de difícil mecanització cada vegada més. El fresat d'Alta Velocitat implica un considerable nombre de paràmetres del procés que poden afectar la formació topogràfica 3D de la superfície. La hipòtesi que els paràmetres de rugositat superficial depenen de les empremtes deixades per l'eina, determinades per les condicions de treball i les propietats de l'entorn, va conduir al desenvolupament d'una metodologia d'investigació personalitzada. Aquest treball de recerca mostra com la combinació dels paràmetres, inclinació de l'eix de l'eina, deflexió geomètrica de l'eina i comportament vibracional de l'entorn, influencien sobre el paràmetre de rugositat superficial 3D, Sz. El model general va ser dividit en diverses parts, on s'ha descrit la influència de paràmetres addicionals del procés, sent inclosos en el model general proposat. El procés incremental seguit permet a l'autor desenvolupar un model matemàtic general, pas a pas, testejant i afegint els components que més afecten a la formació de la topografia de la superfície. En la primera part de la investigació es va seleccionar un procés de fresat amb eines de punta plana. Primer, s'analitza la geometria de l'eina, combinada amb múltiples avanços, per distingir els principals paràmetres que afecten la rugositat superficial. S'introdueix un model de predicció amb un component bàsic per a l'altura de la rugositat, obtinguda a través de la geometria de l'eina de tall. A continuació, es duen a terme experiments més específicament dissenyats, variant paràmetres tecnològics. Això comença amb l'anàlisi de la inclinació de l'eix de l'eina contra la taula de fresat. Els espècimens d'anàlisi són mostres amb quatre recorreguts de tall rectes amb tall en sentit contrari. Les trajectòries lineals amb diferents direccions donen l'oportunitat d'analitzar la inclinació del fus de fresat en la màquina. Una anàlisi visual revelà diferències entre direccions de tall oposades, així com marques deixades pel tall posterior de l'eina. Considerant les desviacions de les marques de tall observades en les imatges de rugositat superficial obtingudes a partir de les mesures, es va introduir una anàlisi sobre el comportament dinàmic de l'equip i de l'eina de tall. Les vibracions produeixen desviacions en la taula de fresat i en l'eina de tall. Aquestes desviacions van ser detectades i incloses en el model matemàtic per completar la precisió en la predicció de el model. Finalment, el model de predicció de el paràmetre de rugositat Sz va ser comprovat amb un major nombre de paràmetres del procés. Els valors de Sz mesurats i predits, van ser comparats i analitzats estadísticament. Els resultats van revelar una major desviació de la rugositat predita en les mostres fabricades amb diferents màquines i amb diferents avanços. Importants conclusions sobre la precisió de l'equip de fabricació han estat extretes i d'elles es desprèn que l'empremta de l'eina de tall està directament relacionada amb els paràmetres de la topografia de la superfície. A més, la influència de la empremta està afectada per la geometria de l'eina de tall, la rigidesa de l'eina i la precisió de l'equip. La geometria de l'eina conforma la base del paràmetre Sz, desviació de l'altura de la superfície. Les conclusions assolides són la base per recomanacions pràctiques, aplicables en la indústria.[EN] Surface quality of machined parts highly depends on the surface texture that reflects the marks, left by the tool during the cutting process. The traditional theoretical approaches indicate that these marks are related to the cutting parameters (cutting speed, feed, depths of cut...), the machining type, the part material, the tool geometry, etc. But, different machining type and material selection can give a variable result. In nowadays, more progressively, High Speed milling techniques have been applied on hard-to-cut materials more and more extensively. High-speed milling involves a considerable number of process parameters that may affect the 3D surface topography formation. The hypothesis that surface topography parameters depends on the traces left by the tool, determined by working conditions and environmental properties, led to the development of a custom research methodology. This research work shows how the parameters combination, tool axis inclination, tool geometric deflection, cutting tool geometry and environment vibrational behavior, influence on 3D surface topography parameter Sz. The general model was divided in multiple parts, where additional process parameters influence has been described and included in general model proposed. The incremental process followed allows the author to develop a general mathematical model, step by step, testing and adding the components that affect surface topography formation the most. In the first part of the research a milling procedure with flat end milling tools was selected. First, tool geometry, combined with multiple cutting feed rates, is analyzed to distinguish the main parameters that affect surface topography. A prediction model is introduced with a basic topography height component, performed by cutting tool geometry. Next, specifically designed experiments were conducted, varying technological parameters. That starts with cutting tool axis inclination against the milling table analysis. The specimens of analysis are samples with 4 contrary aimed straight cutting paths. Linear paths in different directions give a chance to analyze milling machine spindle axis topography, as well as marks left from cutting tool back cutting edge. Considering the deviations of cutting marks observed in the images of the surface topography obtained through the measurements, the milling equipment and cutting tool dynamical behavior analysis were introduced. Vibrations produce deviations in the milling table and cutting tool. These deviations were detected and included in the mathematical model to complete the prediction model accuracy. Finally, the prediction model of the topography parameter SZ was tested with increased number of process parameters. Measured and predicted SZ values were compared and analyzed statistically. Results revealed high predicted topography deviation on samples manufactured with different machines and with different feed rates. Relevant conclusions about the manufacturing equipment accuracy have been drawn and they state that cutting tool's footprint is directly related with surface topography parameters. Besides, footprint influence is affected by cutting tool geometry, tool stiffness and equipment accuracy.Logins, A. (2021). High speed milling technological regimes, process condition and technological equipment condition influence on surface quality parameters of difficult to cut materials [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/164122TESI

Predicting the dynamic behaviour of torus milling tools when climb milling using the stability lobes theory

This paper investigates stability and dynamic behaviour of torus tool in climb milling on 5 positioned axes. The stability lobes theory is used to enable stable cutting conditions to be chosen. As the adaptation of such a theory to complex milling configurations is a difficult matter, new methods are presented to identify the dynamic parameters. Tool dynamic characteristics (stiffness and natural pulsation) are determined with an original coupled calculations-tests method. Start and exit angles are computed exactly using an original numerical model. A sensitivity analysis highlights the influence of machining parameters on stability of climb milling. This shows that a third region of “potential instability” must be taken into account in plotting stability lobes, due to the uncertainty of prediction due to modelling and identification of parameters. The results were validated experimentally with an innovative approach, especially through the use of high-speed cameras. Analysis of vibrations and the surface roughness allowed the analytical model to be verified so as to optimise the inclination of the tool on the surface

Tooling performance in micro milling: Modelling, simulation and experimental study

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.With the continuing trend towards miniaturization, micro milling plays an increasingly important role in fabrication of freeform and high-accuracy micro parts or components directly and cost-effectively. The technology is in kinematics scaled down from the conventional milling, however, existing knowledge and experiences are limited and comprehensive studies on the micro tooling performance are essential and much needed particularly for the process planning and optimization. The cutting performance of micro tools is largely dependent on the dynamic performance of machine tools, tooling characteristics, work material properties and process conditions, and the latter three aspects will be focused in the study. The state of the art of micro milling technology with respect to the tooling performance has been critically reviewed, together with modelling work for performance prediction as well as metrology and instrumentation for the performance characterization. A novel 3D finite element method taking into account the geometry of a micro tool, including the tool diameter, rake angle, relief angle, cutting edge radius and helix angle, has been proposed for modelling and simulation of the micro milling process. Validation through well-designed micro milling trials demonstrates that the approach is capable of characterizing the milling process effectively. With the support of FEM simulation developed, the tooling geometrical effects, including those from helix angle, rake angle and cutting edge radius with influences on cutting forces, tool stresses, tool temperatures, milling chip formation and temperatures have been comprehensively studied and compared for potential micro tool design and optimization purposes. In an effort to prolong the tool life and enhance the tooling efficiency, DLC and NCD coatings have been deposited on micro end mills by PE-CVD and HF-CVD processes respectively. Corresponding cutting performance of these coated tools have been assessed and compared with those of WC micro tools in both dry and wet cutting conditions so as for better understanding of the coating influence on micro tools. Furthermore, the cutting characteristics of the DLC coated and uncoated tools have been analysed through verified plane-strain simulations. The effects of coating friction coefficient, coating thickness and UCT have been determined and evaluated by design of simulation method. Mechanical, chemical and physical properties of a work material have a direct influence on its micro-machinability. Five most common engineering materials including Al 6061-T6, C101, AISI 1045, 304 and P20, have been experimentally investigated and their micro milling behaviours in terms of the cutting forces, tool wear, surface roughness, and micro-burr formation have been compared and characterized. Feed rate, cutting speed and axial depth of cut constitute the complete set of process variables and they have significant effects on the tooling performance. Fundamental understanding of their influences is essential for production engineers to determine optimum cutting parameters so as to achieve the maximum extension of the tool life. 3D FE-based simulations have been carried out to predict the process variable effects on the cutting forces, tool stresses, tool temperatures as well as micro milling chip formation and temperatures. Furthermore, experimental approach has been adopted for the surface roughness characterization. Suggestions on selecting practical cutting variables have been provided in light of the results obtained. Conclusions with respect to the holistic investigation on the tooling performance in micro milling have been drawn based on the research objectives achieved. Recommendations for future work have been pointed out particularly for further future research in the research area.This study is funded by Brunel University and the UK Technology Strategy Board (TSB)