Tool–chip thermal conductance coefficient and heat flux in machining : Theory, model and experiment

This study proposes a technique for determining a tool–chip thermal conductance coefficient and heat flux in machining. The technique is based on solving an inverse heat transfer problem (IHTP). Because the IHTP is ill-posed, a priori information is required for its effective solution. To derive this information, substantial qualitative and quantitative analysis of a mixed boundary value problem for the heat equation and an illustrative test case for IHTP are provided. It has been established that the averaged interfacial chip temperature is needed for an effective IHTP solution. Thermal imaging combined with a special experimental setup was used to determine chip temperature. It was also found that a function describing the heat flux time dependency belongs to a set of decreasing functions. Tool–chip thermal conductance coefficients were obtained for high-speed steel and cemented carbide tooling. On the microscale, this data was interpreted in terms of a conforming rough surface contact conductance model, where tool wear was found to govern variations in the thermal conductance coefficient

Mechanical properties of superhard boron subnitride B₁₃N₂

Microstructure and mechanical properties of bulk polycrystalline rhombohedral boron subnitride B₁₃N₂ synthesized by crystallization from the B–BN melt at 7 GPa have been systematically studied by micro- and nanoindentation, atomic force microscopy and scanning electron microscopy. The obtained data on hardness, elastic properties and fracture toughness clearly indicate that B₁₃N₂ belongs to a family of superhard phases and can be considered as a promising superabrasive or binder for cubic boron nitride.Мікроструктура та механічні властивості об’ємного полікристалічного ромбоедричного субнітриду бору B₁₃N₂, синтезованого кристалізацією з розплаву B–BN при 7 ГПа, було систематично вивчено методом мікро- та наноіндентування, атомносилової мікроскопії та скануючої електронної мікроскопії. Отримані дані про твердість, еластичні властивості та в’язкість руйнування чітко вказують на те, що B₁₃N₂ належить до сімейства надтвердих фаз і може розглядатися як перспективний суперабразив або зв’язуючий матеріал для кубічного нітриду бору.Микроструктура и механические свойства объемного поликристаллического ромбоэдрического субнитрида бора B₁₃N₂, синтезированного кристаллизацией из расплава B–BN при 7 ГПа, были систематически изучены методом микро- и наноиндентирования, атомно-силовой микроскопии и сканирующей электронной микроскопии. Полученные данные о твердости, упругих свойствах и вязкости разрушения ясно показывают, что B₁₃N₂ принадлежит к семейству сверхтвердых фаз и может рассматриваться как перспективный суперабразив или связующее для кубического нитрида бора

HP-HT-спекание, микроструктура и свойства B₆O-, TiC-содержащих композитов на основе сBN

Изучена возможность использования в качестве связки в композитах с низким содержанием сBN сверхтвердого субоксида бора B₆O, характеризующегося более высокими механическими характеристиками, чем TiC, широко используемый в коммерческих материалах. С помощью аппарата высокого давления типа “тороид” при давлении 7,7 ГПа в диапазоне температур от 1500 до 2000° С были синтезированы композиты с содержанием сBN 60 % (по объему) и различным составом связок, включающих В6О и TiC. С использованием электронной микроскопии, а также ретгенофазового анализа, изучены микроструктура, фазовый и элементный состав полученных композитов. Методом индентирования изучены их механические свойства. Установлена работоспособность синтезированных композитов при точении закаленной холодноштамповой стали.Вивчено можливість використання в якості зв’язки в композитах з низьким вмістом cBN надтвердого субоксиду бору B₆O, який характеризується вищими за TiC, що широко використовується у комерційних матеріалах, механічними властивостями. За допомогою апарату високого тиску типу “тороїд” під тиском 7,7 ГПа у діапазоні температур від 1500 до 2000 °С було синтезовано композити із вмістом сBN 60 % (за об’ємом) і різним складом зв’язок, які включають в себе B₆O і TiC. З використанням електронної мікроскопії, а також ретгенофазового аналізу, вивчені мікроструктура, фазовий та елементний склад отриманих композитів. Методом індентування вивчено їх механічні властивості. Встановлено роботоздатність синтезованих композитів під час точіння загартованої холодно штампової сталі.The article presents a study of the potential for the use of B₆O superhard boron suboxide as a binder in composite materials with a low cBN content. Superhard B₆O is characterized by higher mechanical properties than TiC widely used in commercial materials today. Composites containing 60 vol % cBN and different binder compositions that included B₆O and TiC have been sintered in a toroid-type high-pressure apparatus at a pressure of 7.7 GPa in a temperature range from 1500 to 2000°C. The microstructure, phase and elemental composition of the sintered materials have been examined via electron microscopy and X-ray diffraction analysis. Mechanical properties have been analyzed via indentation techniques. The performance of the cutting tools produced from the sintered composites has been evaluated in turning hardened cold work tool steel

On the function of lead (Pb) in machining brass alloys

Lead has traditionally been added to brass alloys to achieve high machinability, but the exact mechanisms at work are still debated. Lead-free brass alternatives could be developed if these mechanisms were better understood. Accordingly, machinability characteristics were investigated for two brass alloys with similar mechanical properties and phase composition, but with very different machining characteristics because one has 3 wt.% lead (CuZn38Pb3) while the other has only 0.1 wt.% (CuZn42). The effect of the lead was investigated using infrared temperature measurement, electron microscopy, secondary ion mass spectroscopy, quick-stop methods, and high-speed filming. Neither melting of lead nor its deposition on the tool rake surface takes place during machining thus confirming its limited lubrication and tribological effects. Instead, the main role of lead is to promote discontinuous chip formation. Lead deforms to flake-like shapes that act as crack initiation points when the workpiece material passes through the primary deformation zone. This effect prevents the development of stable tool–chip contact, thus lowering cutting forces, friction, and process temperature

Influence of tool material and tool wear on tool temperature in hard turning reconstructed via inverse problem solution

In this work the cutting tool temperature distribution that develops during turning of hardened cold-work tool steel is modeled on the basis of experimental data. The data obtained from a series of thermocouples, placed on a PCBN insert, into an anvil, and into a toolholder, were used as the input for the model. An inverse problem was solved, where the heat fluxes were computed. The temperature distribution was modeled for the case of new tools, as well as for the case of its development in the course of a tool wear. The reconstructed temperature distributions were in good agreement with the measured data. The heat flux through rake face was found to be reducing with the decrease of thermal conductivity of the tool material.Отримано розподіл температури різального інструменту при точінні загартованої холодно-штампованої сталі інструменту моделюванням на основі експериментальних даних. Дані, що отримано для ряду термопар, розміщених безпосередньо на пластині з ПКНБ, всередині підкладки і в державці, було використано в якості вхідних даних для моделі. Теплові потоки при різанні було отримано розв’язанням оберненої задачі. Розподіл температури в різці було отримано як для випадку нового інструменту, так і для випадку розвитку зносу інструменту в процесі зносу. Отримані розподіли температури добре узгоджуються з виміряними даними. Було виявлено, що тепловий потік через передню поверхню інструменту зменшується при зниженні теплопровідності матеріалу інструменту.Получено распределение температуры режущего инструмента при точении закаленной холодно-штамповой стали моделированием на основе экспериментальных данных. Данные, полученные для ряда термопар, расположенных непосредственно на пластине из ПКНБ, внутри подложки и в державке, были использованы в качестве входных данных для модели. Тепловые потоки при резании были получены решением обратной задачи. Распределение температуры в резце было получено как для случая нового инструмента, так и для случая развития износа инструмента в процессе резания. Полученные распределения температур хорошо согласуются с измеренными данными. Было обнаружено, что тепловой поток через переднюю поверхность инструмента уменьшается при снижении теплопроводности материала инструмента

Sensitivity of Colding tool life equation on the dimensions of experimental dataset

In this work, 22 sets of cutting data and tool life for longitudinal turning of steel are analyzed using the Colding equation. When modeling tool life with a limited number of tool performance data points, the model error may be low for these points. Evaluating the model for test points not used when computing the model coefficients may give larger errors for these points. This work proves that the Colding model also provides sufficient precision when modelling data points not being used to create the model, and is therefore a well-functioning instrument for tool life modelling. The results also prove that for the selected data, the precision of the model can be greatly improved when the dimension of the data set is increased from 5 to 10 data points. Above 13 data points the precision improvements are negligible.Проаналізовано 22 набору режимів різання і стійкість інструменту при поздовжньому точінні стали при застосуванні моделі Колдінга. При моделюванні стійкості інструменту при обмеженій кількості даних про робочі характеристики помилка моделі може бути незначною в заданих точках. Оцінка моделі для тестових точок, які не використовуються при обчисленні коефіцієнтів моделі, може показати більші помилки в цих точках. Доведено, що модель Колдінга забезпечує достатню точність при моделюванні даних, що не використовуються для створення моделі, і тому може бути застосована для моделювання періоду стійкості інструменту. Результати також доводять, що для даних, що використовуються, точність моделі може бути значно поліпшена при збільшенні набору точок з 5 до 10, а при збільшенні понад 13 точок поліпшення точності моделювання незначні.Проанализированы 22 набора режимов резания и стойкость инструмента при продольном точении стали с применением модели Колдинга. При моделировании стойкости инструмента при ограниченном количестве данных о рабочих характеристиках ошибка модели может быть незначительной в заданных точках. Оценка модели для тестовых точек, не используемых при вычислении коэффициентов модели, может показать бóльшие ошибки в этих точках. Доказано, что модель Колдинга обеспечивает достаточную точность при моделировании данных, не используемых для создания модели, и поэтому может быть применена для моделирования периода стойкости инструмента. Результаты также доказывают, что для используемых данных точность модели может быть значительно улучшена при увеличении набора точек с 5 до 10, а при увеличении более 13 точек улучшения точности моделирования незначительны

Correlation between edge radius of the cBN cutting tool and surface quality in hard turning

In this study, the attempt has been made to investigate the correlation between the cutting tool edge radius and surface quality in terms of the surface roughness and subsurface deformation through a FE simulation and experiment. Machining tests under different machining conditions were also conducted and the surface roughness and subsurface deformation were measured. Surface roughness and subsurface deformation were produced by the cutting tools with different edge radii under various cutting parameters. Both results from the FE simulation and machining tests confirmed that there was a significant influence on the surface quality in terms of both the surface roughness and subsurface quality from the edge radius. There is a critical edge radius of cBN tools in hard turning in terms of surface quality generated.У даному дослідженні було зроблено спробу дослідити взаємозв’язок між радіусом закруглення крайки різального інструменту і якістю поверхні, які оцінюються шорсткістю поверхні і деформацією підповерхневого шару, методами скінчено-елементного моделювання і експериментально. Було здійснено низку експериментів при різних умовах обробки з одночасним вимірюванням шорсткості поверхні і деформації підповерхневих шарів. Також застосовували різальні інструменти з різними радіусами різальної крайки при різних режимах різання. Результати моделювання і випробувань підтвердили значний вплив радіуса закруглення крайки на якість і шорсткість поверхні, а також якість підповерхневого шару. Виявлено оптимальний радіус округлення крайки інструменту з КНБ, який треба застосовувати при обробці надтвердих матеріалів для отримання найкращої якості поверхні.В данном исследовании была сделана попытка изучить взаимосвязь между радиусом скругления кромки режущего инструмента и качеством поверхности, оцениваемой шероховатостью поверхности и деформацией подповерхностного слоя, методами конечно-элементного моделирования и экспериментально. Были проведены испытания при различных условиях обработки с одновременным измерением шероховатости поверхности и деформации подповерхностного слоя. Применялись режущие инструменты с различными радиусами режущей кромки при различных режимах резания. Результаты моделирования и испытаний подтвердили значительное влияние радиуса скругления кромки на шероховатость поверхности, а также на качество подповерхностного слоя. При точении закаленной стали инструментом из сBN имеется оптимальный радиус режущей кромки инструмента, который следует применять при обработке сверхтвердых материалов для получения наилучшего качества поверхности

Using Barkhausen Noise to Measure Coating Depth of Coated High-Speed Steel

Coated high-speed steel tools are widely used in machining processes as they offer an excellent tool life to cost ratio, but they quickly need replacing once the coated layer is worn away. It would be therefore useful to be able to measure the tool life remaining non-destructively and cheaply. To achieve this, the work presented here aims to measure the thickness of the coated layer of high-speed cutting tools by using Barkhausen noise (BHN) techniques. Coated high-speed steel specimens coated with two different materials (chromium nitride (CrN), titanium nitride (TiN)) were tested using a cost-effective measuring system developed for this study. Sensory features were extracted from the signal received from a pick-up coil and the signal features, Root mean square, peak count, and signal energy, were successfully correlated with the thickness of the coating layer on high-speed steel (HSS) specimens. The results suggest that the Barkhausen noise measuring system developed in this study can successfully indicate the different thickness of the coating layer on CrN/TiN coated HSS specimens