An experimental study of the effect of high-pressure water jet assisted turning (HPWJAT) on the surface integrity

This study deals with the effect of High-Pressure Water Jet Assisted Turning (HPWJAT) of austenitic stainless steels on chip shape and residual stresses. The machining of the austenitic stainless steels represents several difficulties. Recently, research has shown that the introduction of a high-pressure water jet into the gap between the tool and the chip interface is a very satisfactory method for machining applications. In this article, the effect of a high-pressure water jet, directed into the tool–chip interface, on chip shapes breakage and surface integrity in face turning operations of AISI 316L steel has been investigated. Tests have been carried out with a standard cutting tool. The cutting speeds used were 80 and 150 m/min, with a constant feed rate of 0.1 mm/rev and a constant cutting depth of 1 mm. Three jet pressures were used: 20, 50 and 80 MPa. Residual stress profiles have been analysed using the X-ray diffraction method in both longitudinal and transversal directions. The results show that jet pressure and cutting parameters influence the residual stresses and the chip shapes. Using a high-pressure jet, it is possible to create a well fragmented chip in contrast to the continuous chip formed using dry turning. It is also possible to control the chip shape and increase tool life. When the jet pressure is increased the residual stress at the surface decreases; however it is increased by an increase in cutting speed. It can be concluded that surface residual stresses can be reduced by the introduction of a high-pressure water jet

An experimental study of the effect of high-pressure water jet assisted turning (HPWJAT) on the surface integrity

This study deals with the effect of High-Pressure Water Jet Assisted Turning (HPWJAT) of austenitic stainless steels on chip shape and residual stresses. The machining of the austenitic stainless steels represents several difficulties. Recently, research has shown that the introduction of a high-pressure water jet into the gap between the tool and the chip interface is a very satisfactory method for machining applications. In this article, the effect of a high-pressure water jet, directed into the tool–chip interface, on chip shapes breakage and surface integrity in face turning operations of AISI 316L steel has been investigated. Tests have been carried out with a standard cutting tool. The cutting speeds used were 80 and 150 m/min, with a constant feed rate of 0.1 mm/rev and a constant cutting depth of 1 mm. Three jet pressures were used: 20, 50 and 80 MPa. Residual stress profiles have been analysed using the X-ray diffraction method in both longitudinal and transversal directions. The results show that jet pressure and cutting parameters influence the residual stresses and the chip shapes. Using a high-pressure jet, it is possible to create a well fragmented chip in contrast to the continuous chip formed using dry turning. It is also possible to control the chip shape and increase tool life. When the jet pressure is increased the residual stress at the surface decreases; however it is increased by an increase in cutting speed. It can be concluded that surface residual stresses can be reduced by the introduction of a high-pressure water jet

Experimental analysis of the defects of drilling woven CFRP

International audienceIn this paper, experimental analysis has been done to study delamination phenomenon when drilling 4 shaft satin weave carbon fiber and epoxy matrix using twist drill. The composite is exposed to generate damage during processing due to delamination phenomenon. It was found that the increase of the feed rate was related to the apparition of superficial defects. Indeed, this increase gave birth to new types of drilling defects

Evaluation expérimentale du comportement d'un composite carbone/époxy en usinage

Les matériaux composites sont largement utilisés.Mais en raison de la complexité des phénomènes présents dans la zone de coupe, les connaissances actuelles sur leur usinage sont limitées et empêchent leur utilisation optimale. L'objectif de cette étude est d'analyser le comportement du composite carbone/époxy durant l'usinage. Des essais de coupe orthogonale et de détourage ont été réalisés sur des composites unidirectionnels. Trois orientations de fibres et différentes valeurs pour chaque paramètre de coupe ont été étudiées pour dégager les tendances d'évolution des conditions de coupe

Prédiction des contraintes résiduelles en tournage dur de l'acier 100Cr6 par la méthode des réseaux de neurones

La coupe génère des contraintes résiduelles qui peuvent influencer le comportement mécanique des pièces usinées.Dans le but de prédire l'intégrité de surface de ces pièces(contraintes résiduelles, Ra), une méthode de calcul basée sur les réseaux de neurones a été développée. Le réseau étudié est un feed-forward de type perceptron multi-couches avec rétro-propagation de gradient d'erreur. Une architecture comprenant d'entrée(Vc,f,ap,Ftotal,HRc)et sorties (Ra, contraintes résiduelles) a été utilisée.Les résultats ont mis en évidence les performances de la configuration étudiée

An optimized ANN approach for cutting forces prediction in AISI 52100 bearing steel hard turning

Abstract Cutting forces are classified among the important technological parameters in machin ing processes due to their significant impacts on product quality. A large number of interrelated machin ing parameters have a great influence on cutting forces so it is quite difficult to develop a proper theoretical model to describe efficiently and globally a machinin g process.In this paper, an artificial neural network (ANN) model is then proposed to predict cutting force components during hard turning of an AISI 52100 bearing steel using CBN cutting tools. This study is based on an experimental dataset of cutting forces measured during hard turning. Cutting s peed (Vc, m/ min), feed rate (f, mm/ rev), cutting depth (ap, mm) and workp iece hardness (HRc, MPa) are taken as input parameters in the ANN model, while the three cutting force co mponents (feed force Fa, radial force Fr and cutting force Ft, in N) are the o utput data.The ANN model consists of a mult i-layer feed-forward, trained by a back-propagation (BP) algorith m. The influence of a double hidden layer (instead of a single hidden layer) is investigated, and a comparison is carried out between Bayesian Regularization associated with Levenberg-Marquardt algorithm (BR/LM ) and simple Levenberg -Marquardt algorith m (LM ). A various number of neurons in the hidden layer are also tested.The best prediction accuracy is found while using a feed forward single hidden layer ANN trained by BR/ LM and using a sig moid activation function on hidden layer and a linear one on output layer. The best structure uses 11 neurons in the hidden layer and average pred iction errors on the testing dataset are given: 11.47% on Fa, 11.47% on Fr and 6.17% on Ft

MATHEMATICAL MODELING AND MULTI-OBJECTIVE OPTIMIZATION OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS IN HARD TURNING OPERATION USING RSM AND GENETIC ALGORITHMIC APPROACH

In the present research work, the effects of machining parameters such as cutting radius, cutting speed, feed rate and depth of cut on the surface roughness, cutting force, and material removal rate in finish hard turning of hardened hot work steel X38CrMoV5-1 [AISI H11] treated at 50 HRC using coated mixed ceramic tools CC6050 were experimentally investigated. The factorial experiment design was based on Taguchi's L36 orthogonal array. The response surface methodology (RSM) and analysis of variance (ANOVA) were used to check the validity of multiple linear regression models and to determine the significant parameter affecting the responses factors. A multi-objective optimization technique based on the RSM method and the genetic algorithmic approach (GA) was then applied to find optimal combinations of the cutting conditions to minimize the surface quality, cutting force and maximum the productivity. The experimental results reveal that the most significant machining parameter for surface roughness is the feed followed by cutting radius. However, the cutting speed affects considerably the metal removal rate. The (GA) allowed the optimization of the cutting conditions for minimal surface roughness, cutting force and maximal material removal rate

Etude de l'influence de la microstructure et des paramètres de coupe sur le comportement en tournage dur de l'acier à roulement 100Cr6

Due to environmental and economic constraints, machining is currently a field under development. Hard turning is a recently developed process which makes it possible to machine hardened steels (i.e. with hardnesses higher than 45 HRc). It is possible to obtain, without lubrication, a part with a precision and surface quality near to those resulting from grinding. The control of the machining process requires the comprehension of the mechanisms intervening in the cutting zone. These depend both on the nature of the tool used and on the material. This study is principally concerned with the effect of the microstructure on the machinability of bearing steel and the resulting surface integrity. The bearing steel (100Cr6) was studied in various metallurgical states characterized by the presence or absence of carbides in a bainitic or martensitic matrix. The two metallurgical states were studied for identical hardnesses ranging between 45 HRc and 59 HRc. Several mechanical and thermal analyses techniques were used to better understand the driving mechanisms during the formation of chips. In particular, a thermotribometer was used to describe the influence of the microstructure and hardness on the tribology of the interface 100Cr6-cBN. Indeed, it is shown that the presence of carbides increases the coefficient of friction. Hopkinson bar tests made it possible to identify, by a reverse approach, the Johnson-Cook material behaviour laws for different metallurgical states. The tests were carried out on hat-shaped specimens. With this type of test it is possible to reproduce the dynamic shearing in the primary shear zone generated in the cut. The influence of hardness on the yield values was highlighted. Conventional straight turning tests (3D turning) were then carried out. The results showed that the cutting force is relatively insensitive to the metallurgical state of the material. Three different types of behaviour were observed with the cutting speed. The evolution of the surface integrity with respect to the cutting parameters was quantified by the resulting surface quality and residual stress measurements. The surface quality is improved for slow advances, a hardness of 55 HRc and with the presence of carbides. High hardness and the absence of carbides tend to generate more compressive surface residual stresses. Complementary orthogonal cutting tests (2D turning) made it possible to examine the thermal aspects of the cutting zone, by using a CCD-Near Infra-red camera. In addition, the analysis of the chips and white layers were carried out. It is shown that the presence of carbides increase the temperature of the secondary shear zone, whereas they decrease the temperature at the emergence of the primary shear zone. The existence of a white layer on the reverse faces of the chips and on the machined surfaces was established. It is shown that the white layer is more intense for high speeds and more homogeneous for the metallurgical state without carbide. Very localised shearing and a rise in the temperature support its appearance. Lastly, we will explain these influences through a comparison of the results obtained with those of the material behaviour study.Aujourd'hui, en raison des contraintes environnementales et économiques, l'usinage fait parti des domaines en plein développement. Le tournage dur est un procédé récent qui permet d'usiner des aciers traités avec des duretés élevées supérieures à 45 HRc. Il permet en particulier d'obtenir, sans lubrification, des pièces avec un état de surface et une précision proche de ceux issus de la rectification. La maîtrise du procédé d'usinage nécessite la compréhension des mécanismes intervenant dans la zone de coupe. Ces derniers dépendent d'une part de la nature de l'outil utilisé et d'autre part du matériau. Cette étude concerne principalement l'effet de la microstructure d'un acier à roulement sur l'usinabilité et les caractéristiques d'intégrité de surface. Cet acier (100Cr6) a été étudié avec différents états métallurgiques caractérisés par la présence ou non de carbures dans une matrice bainitique ou martensitique. Les deux états métallurgiques ont été étudiés pour des duretés identiques comprises entre 45 HRc et 59 HRc. Plusieurs techniques d'analyses mécaniques et thermiques ont permis de mieux comprendre les mécanismes moteurs lors de la formation des copeaux en usinage dur. En particulier, un thermotribomètre a été utilisé pour décrire l'influence de la microstructure et la dureté sur la tribologie du couple 100Cr6-cBN. En effet, il est montré que le coefficient de frottement augmente avec la présence de carbures. Un banc d'essais de barres Hopkinson a permis d'identifier par approche inverse les lois de comportement de type Johnson-Cook pour les différents états métallurgiques. Les essais ont été conduits sur des éprouvettes chapeaux permettant de reproduire le cisaillement dynamique de la zone primaire de cisaillement générée dans la coupe. L'influence de la dureté sur les constantes d'écoulement a été mise en évidence. Des essais de chariotage ont été ensuite menés. Les résultats ont montré une faible sensibilité des efforts de coupe suivant l'état métallurgique du matériau. Trois comportements différents ont été observés avec la vitesse de coupe. L'évolution de l'intégrité de surface en fonction des paramètres de coupe a été quantifiée par l'analyse de l'état de surface et des contraintes résiduelles. L'état de surface est amélioré pour de faibles avances, pour une dureté de 55 HRc et avec la présence de carbures. Une dureté élevée et l'absence de carbure ont tendance à générer des contraintes superficielles de plus en plus en compression. Des essais complémentaires en coupe orthogonale ont permis d'examiner les aspects thermiques, par caméra CCD-Proche Infrarouge, de la zone de coupe. De plus, l'analyse des copeaux et des couches blanches a été menée. Il est montré que la présence des carbures fait augmenter la température de l'émergence de la zone de cisaillement secondaire alors qu'elle fait diminuer la température de l'émergence de la zone primaire de cisaillement. L'existence de la couche blanche sur la face arrière des copeaux et sur les surfaces usinées a été établie. Il est montré qu'elle est d'autant plus intense pour des vitesses élevées et plus homogène pour l'état métallurgique sans carbure. Un cisaillement très localisé et une élévation de la température favorisent son apparition. Enfin, nous expliquons ces influences à travers une comparaison des résultats obtenus avec ceux de l'étude comportementale

Etude de l'influence de la microstructure et des paramètres de coupe sur le comportement en tournage dur de l'acier à roulement 100Cr6

Aujourd'hui, en raison des contraintes environnementales et économiques, l'usinage fait parti des domaines en plein développement. Le tournage dur est un procédé récent qui permet d usiner des aciers traités avec des duretés élevées supérieures à 45 HRc. Il permet en particulier d obtenir, sans lubrification, des pièces avec un état de surface et une précision proche de ceux issus de la rectification. La maîtrise du procédé d usinage nécessite la compréhension des mécanismes intervenant dans la zone de coupe. Ces derniers dépendent d une part de la nature de l outil utilisé et d autre part du matériau. Cette étude concerne principalement l effet de la microstructure d un acier à roulement sur l usinabilité et les caractéristiques d intégrité de surface. Cet acier (100Cr6) a été étudié avec différents états métallurgiques caractérisés par la présence ou non de carbures dans une matrice bainitique ou martensitique. Les deux états métallurgiques ont été étudiés pour des duretés identiques comprises entre 45 HRc et 59 HRc. Plusieurs techniques d analyses mécaniques et thermiques ont permis de mieux comprendre les mécanismes moteurs lors de la formation des copeaux en usinage dur. En particulier, un thermotribomètre a été utilisé pour décrire l influence de la microstructure et la dureté sur la tribologie du couple 100Cr6-cBN. En effet, il est montré que le coefficient de frottement augmente avec la présence de carbures. Un banc d essais de barres Hopkinson a permis d identifier par approche inverse les lois de comportement de type Johnson-Cook pour les différents états métallurgiques. Les essais ont été conduits sur des éprouvettes chapeaux permettant de reproduire le cisaillement dynamique de la zone primaire de cisaillement générée dans la coupe. L influence de la dureté sur les constantes d écoulement a été mise en évidence. Des essais de chariotage ont été ensuite menés. Les résultats ont montré une faible sensibilité des efforts de coupe suivant l état métallurgique du matériau. Trois comportements différents ont été observés avec la vitesse de coupe. L évolution de l intégrité de surface en fonction des paramètres de coupe a été quantifiée par l analyse de l état de surface et des contraintes résiduelles. L état de surface est amélioré pour de faibles avances, pour une dureté de 55 HRc et avec la présence de carbures. Une dureté élevée et l absence de carbure ont tendance à générer des contraintes superficielles de plus en plus en compression. Des essais complémentaires en coupe orthogonale ont permis d examiner les aspects thermiques, par caméra CCD-Proche Infrarouge, de la zone de coupe. De plus, l analyse des copeaux et des couches blanches a été menée. Il est montré que la présence des carbures fait augmenter la température de l émergence de la zone de cisaillement secondaire alors qu elle fait diminuer la température de l émergence de la zone primaire de cisaillement. L existence de la couche blanche sur la face arrière des copeaux et sur les surfaces usinées a été établie. Il est montré qu elle est d autant plus intense pour des vitesses élevées et plus homogène pour l état métallurgique sans carbure. Un cisaillement très localisé et une élévation de la température favorisent son apparition. Enfin, nous expliquons ces influences à travers une comparaison des résultats obtenus avec ceux de l étude comportementale.Due to environmental and economic constraints, machining is currently a field under development. Hard turning is a recently developed process which makes it possible to machine hardened steels (i.e. with hardnesses higher than 45 HRc). It is possible to obtain, without lubrication, a part with a precision and surface quality near to those resulting from grinding. The control of the machining process requires the comprehension of the mechanisms intervening in the cutting zone. These depend both on the nature of the tool used and on the material. This study is principally concerned with the effect of the microstructure on the machinability of bearing steel and the resulting surface integrity. The bearing steel (100Cr6) was studied in various metallurgical states characterized by the presence or absence of carbides in a bainitic or martensitic matrix. The two metallurgical states were studied for identical hardnesses ranging between 45 HRc and 59 HRc. Several mechanical and thermal analyses techniques were used to better understand the driving mechanisms during the formation of chips. In particular, a thermotribometer was used to describe the influence of the microstructure and hardness on the tribology of the interface 100Cr6-cBN. Indeed, it is shown that the presence of carbides increases the coefficient of friction. Hopkinson bar tests made it possible to identify, by a reverse approach, the Johnson-Cook material behaviour laws for different metallurgical states. The tests were carried out on hat-shaped specimens. With this type of test it is possible to reproduce the dynamic shearing in the primary shear zone generated in the cut. The influence of hardness on the yield values was highlighted. Conventional straight turning tests (3D turning) were then carried out. The results showed that the cutting force is relatively insensitive to the metallurgical state of the material. Three different types of behaviour were observed with the cutting speed. The evolution of the surface integrity with respect to the cutting parameters was quantified by the resulting surface quality and residual stress measurements. The surface quality is improved for slow advances, a hardness of 55 HRc and with the presence of carbides. High hardness and the absence of carbides tend to generate more compressive surface residual stresses. Complementary orthogonal cutting tests (2D turning) made it possible to examine the thermal aspects of the cutting zone, by using a CCD-Near Infra-red camera. In addition, the analysis of the chips and white layers were carried out. It is shown that the presence of carbides increase the temperature of the secondary shear zone, whereas they decrease the temperature at the emergence of the primary shear zone. The existence of a white layer on the reverse faces of the chips and on the machined surfaces was established. It is shown that the white layer is more intense for high speeds and more homogeneous for the metallurgical state without carbide. Very localised shearing and a rise in the temperature support its appearance. Lastly, we will explain these influences through a comparison of the results obtained with those of the material behaviour study.ST ETIENNE-ENISE (422182303) / SudocPARIS-Arts et Métiers (751132303) / SudocSudocFranceF