An Innovative Experimental Study of Corner Radius Effect on Cutting Forces

The cutting forces are often modelled using edge discretisation methodology. In finish turning, due to the smaller corner radii, the use of a local cutting force model identified from orthogonal cutting tests poses a significant challenge. In this paper, the local effect of the corner radius on the forces is investigated using a new experimental configuration: corner cutting tests involving the tool nose. The results are compared with inverse identifications based on cylindrical turning tests and elementary cutting tests on tubes. The results obtained from these methods consistently show the significant influence of the corner radius on the cutting forces

A force model for superfinish turning of pure copper with rounded edge tools at low feed rate

International audienceThis paper presents a model for force prediction of superfinish turning operation on pure copper. The model is divided in two parts. The first part computes the forces acting on the rake face of the tool. The second part computes the forces on the clearance face that are much more important in superfinish machining than in conventional machining

Identification d'un modèle d'efforts de coupe mécanistique et application dans le cas d'un contournage de cuivre pur

L'obtention des caractéristiques des pièces usinées ainsi que la bonne maîtrise du procédé d'usinage sont liées aux efforts de coupe. De nombreux modèles d'efforts de coupe ont déjà été développés, mais ils sont souvent appliqués dans le cas d'opérations d'usinage élémentaires (coupe orthogonale ou oblique), ce qui limite leur utilisation à la communauté scientifique. La méthode de discrétisation d'arête permet de généraliser les applications de ces modèles à des géométries d'outils plus complexes. Néanmoins, les applications restent généralement limitées à des opérations d'usinage simples (chariotage, dressage, fraisage flanc...) plutôt éloignées des besoins industriels. D'autre part, les modèles mécanistiques sont généralement critiqués car nécessitant d'être calibrés à partir d'un trop grand nombre d'essais. La présente étude propose de minimiser le nombre d'essais nécessaires à l'identification. Pour cela, les coefficients d'un modèle mécanistique ont été estimés par identification inverse, à partir de différents nombres d'essais de chariotage. Le modèle ainsi identifié est comparé, pour chaque couple de coefficients, à des essais couvrant une large plage de conditions de coupe. Ce modèle est ensuite appliqué dans le cas d'une opération de contournage. Les résultats obtenus par modélisation à partir de la trajectoire théorique, mais aussi de la trajectoire mesurée à vide sur la machine, sont comparés avec les efforts mesurés lors de l'opération de contournage

Impact des conditions d'usinage sur la zone du matériau affectée par le procédé

Les procédés d'usinage peuvent créer des contraintes résiduelles à la surface des pièces usinées et ainsi modifier la microstructure et la texture de la matière proche de la surface. De tels changements sont importants pour l'étude du comportement des pièces au cours du temps. Il est alors nécessaire de quantifier les contraintes résiduelles, les composantes de texture et de déterminer la microstructure induite par l'usinage pour comprendre et prédire le comportement des surfaces considérées. Dans cette étude, le matériau cuivre pur a été choisi et considéré comme un "système modèle". En tournage, l'influence du rayon de bec, de la vitesse de coupe et de la présence de lubrifiant sur le champ de contraintes et la texture a été quantifiée à l'aide de techniques DRX. Les modifications micro-structurales ont été évaluées à l'aide de la microscopie électronique à balayage. Enfin, le comportement électrochimique de la surface a été étudié en utilisant la technique de la micro-cellule électrochimique

Développement d'un modèle d'efforts de coupe multi-opérations et multi-matériaux. Application au tournage du cuivre pur dans différents états métallurgiques.

La modélisation des efforts de coupe en usinage est nécessaire pour prédire certaines caractéristiques de la pièce usinée comme sa géométrie, son état de surface ou encore l'intégrité de la matière en sub-surface.Les nombreux modèles d'efforts de coupe déjà développés sont souvent appliqués dans le cas d'opérations d'usinage simples, ce qui limite leur diffusion vers le milieu industriel, alors qu'il existe un réel besoin de modélisation d'opérations d'usinage complexes et variées, et prenant en compte d'éventuels changements métallurgiques au niveau du matériau usiné.L'objectif de ces travaux est de proposer un modèle d'efforts de coupe appliqué à toute opération de tournage d'une part et considérant certaines propriétés mécaniques du matériau usiné d'autre part.Concernant l'aspect multi-opérations, un modèle géométrique utilisant des transformations homogènes a été développé et permet de décrire à la fois la trajectoire et la géométrie de l'outil. Les effets de paramètres originaux, tels que le diamètre de la pièce, l'angle de direction d'arête et le rayon de bec, sont étudiés, notamment à l'aide de nouvelles configurations de coupe élémentaires. La prise en compte de ces paramètres dans les relations de coupe locales permet finalement d'améliorer la simulation des efforts de coupe lors d'un contournage.L'approche utilisée pour l'aspect multi-matériaux consiste à modifier progressivement le matériau usiné. Ainsi, le matériau initial, le cuivre pur, a été étudié dans différents états métallurgiques, obtenus par des traitements thermo-mécaniques. En particulier, le procédé d'extrusion coudée à aires égales (ECAE) a été utilisé afin d'écrouir le matériau dans la masse. Ainsi, trois matériaux aux caractéristiques mécaniques différentes mais conservant plusieurs caractéristiques communes (thermiques notamment) ont pu être comparés en termes d'efforts de coupe. Les coefficients des relations de coupe sont finalement mis en regard des propriétés mécaniques obtenues par des essais de traction et de compression à grande vitesse.The cutting forces have to be known as accurately as possible in order to predict the characteristics of the workpiece as the geometry, the roughness or the material integrity.Numerous models have been yet developed; however, the majority cannot be used for the various industrial cutting operations and remain confined for a single machined material.The objective of this study is to develop a cutting forces model applied to any turning operation and taking into account some mechanical characteristics of the machined material.First, a geometrical model based on homogeneous transformations is presented. Then, the effects of some parameters, like the workpiece diameter, the cutting edge angle and the nose radius, are studied by using new cutting configurations, in order to improve the cutting laws.The multi-material aspect is approached by modifying the metallurgical state with thermo-mechanical treatments, especially by using the equal channel angular extrusion process in order to harden the material in the mass. Finally, the coefficients of the local cutting relations are compared to mechanical characteristics obtained from tensile and high compression tests.PARIS-Arts et Métiers (751132303) / SudocSudocFranceF

A generalised geometrical model of turning operations for cutting force modelling using edge discretisation

The knowledge of cutting forces is of prime importance to ensure the success of cutting operations, the desired properties of the machined parts and therefore the functionality of the workpieces. Edge discretisation is one way to model cutting forces. Traditionally used in milling, this methodology enables local changes in uncut chip thickness or cutting geometry to be taken into account and then gives suitable results in the three directions. A key point of this method is the geometrical transformation that enables the description of various tool geometries. This study proposes a geometrical model based on homogeneous matrices, whose main interest is to decompose the transformations step-by-step. The method, generalisable to all machining operations, is detailed for turning operations. Inserted cutters are modelled considering both the positioning of the insert and the local geometry of the insert. The cutting geometry and the edge are described using the same model in the machine coordinates system, allowing forces and moments to be calculated easily

Towards cutting force evaluation without cutting tests

Mechanistic cutting force modelling generally involves coefficients identification from machining tests. In order to develop multi-material cutting force models avoiding identification, several studies have tried to link cutting forces to mechanical properties from databases, whose relevance remains questionable. In this study, the cutting coefficients obtained by inverse identification from turning tests are compared with properties obtained from several mechanical tests.The correlations show that cutting forces can be estimated, without cutting tests, using hat-shaped shear tests.The originality of the approach is the behaviour proximity of the five machined materials used: thermal and mechanical treated pure coppers, brass and bronze

A force model for superfinish turning of pure copper with rounded edge tools at low feed rate

This paper presents a model for force prediction of superfinish turning operation on pure copper. The model is divided in two parts. The first part computes the forces acting on the rake face of the tool. The second part computes the forces on the clearance face that are much more important in superfinish machining than in conventional machining.thèse CEA financement CEA/SNECM

Développement d'un modèle d'efforts de coupe applicable à des familles d'outils: cas du fraisage des aciers traités thermiquement

This research work deals with the study and the modelisation of cutting forces in milling of hard materials. The knowledge of cutting forces, and their time evolution, are useful data for optimisation and monitoring of the manufacturing process. The prediction of the cutting forces time evolution could allow to optimise the tool design, or to better adapt the cutting conditions and the machine tool to the considered machining operation; in order to minimise the force level or to stabilise it, and then to avoid the force "peeks" with high amplitudes that are dangerous for the tool life and for the capacities of the machine. The knowledge of cutting forces could also help optimisation of tools trajectories in a CAM software for example. The objective of this study is to improve the procedure of qualification of a tool machining a given material, considering as first step the local geometry of the cutting edge, and going back then to the global geometry of the tool or of the considered tool family. This method has the advantage of being adapted to any global shape of tool, even in the case of milling cutters with complex geometries. Only the cutting edge definition must be conserved to apply the procedure to several tools of the same family. Finally, this study has been possible in high speed conditions thanks to a dynamometric sensor with inertial compensation allowing to obtaining good quality signals even at high frequencies.L'objet des travaux de recherche porte sur l'étude et la modélisation des efforts de coupe en fraisage de matériaux durs. La connaissance des efforts de coupe, ainsi que leurs évolutions au cours du temps, sont des signatures utiles à l'optimisation et au suivi du procédé d'usinage. La prédiction de l'évolution temporelle des efforts de coupe peut permettre d'optimiser la géométrie des outils lors de leur conception, ou de mieux adapter les conditions de coupe et la machine utilisée à l'opération d'usinage envisagée; ceci dans le but de minimiser le niveau d'effort ou de le stabiliser, et ainsi d'éviter les pics d'efforts importants néfastes à la tenue de l'outil et aux capacités de la machine. La connaissance des efforts de coupe favoriserait également l'optimisation des trajectoires d'outils au sein d'un logiciel de FAO par exemple.Cette étude vise donc à améliorer la procédure de qualification d'un outil pour l'usinage d'un matériau donné, en considérant comme point de départ la géométrie locale de l'arête coupante, et en "remontant" ensuite à la géométrie globale de l'outil ou de la famille d'outils considérée. Cette méthode présente l'avantage de pouvoir être adaptée à toutes les formes globales d'outils, notamment dans le cas de fraises à géométrie complexe. Seule la définition de l'arête coupante doit être conservée pour appliquer la procédure à plusieurs outils de la même famille. Enfin, cette étude est rendue possible en Usinage Grande Vitesse par la mise au point d'un capteur dynamométrique à compensation inertielle permettant l'obtention de signaux de bonne qualité à haute fréquence

Improvement of Cutting Forces Modeling Based on Oriented Cutting Tests

In order to predict the characteristics of the machined part, such as geometry, surface roughness and fatigue or corrosion resistance, the cutting forces values should be known as precisely as possible. The edge discretisation methodology can be used to model the three components of the cutting forces. The results are generally considered as suitable, even if the considered cutting operation is complex, because the geometry is well described. Usually, the local cutting forces model is identified from orthogonal or oblique cutting tests and the local contributions are assumed to be independent of the orientation of the elementary edge in the reference plane Pr. However, when turning in the tool nose or with round inserts, the tool cutting edge angle Kr (or Side Cutting Edge Angle) evolves along the active cutting edge and the values of this angle are very small compared to that of 90° used in orthogonal/oblique cutting. For this study, a new elementary cutting operation, called “oriented cutting”, has been tested. In this configuration, the active cutting edge is rectilinear, without inclination, but oriented by an angle Kr different from 90°. In addition, cylindrical turning tests have been done. The measurements, performed in pure copper, show an influence of the tool cutting edge angle on the cutting forces. An interaction between Kr and the workpiece radius is also highlighted