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

Cutting force sensor based on digital image correlation for segmented chip formation analysis

Conventional piezoelectric sensors cannot record the force fluctuations at high frequencies to monitor serrated chip formation. Recently, force measurements by using digital image correlation (DIC) have been reported thanks to imaging devices that become more and more efficient, thereby opening possibilities of high rate acquisition. This study proposes to apply DIC based on closed-form solutions in order to measure cutting forces at camera acquisition frequency. The considered displacement fields are obtained from the Flamant–Boussinesq solution. This method is first applied to picture pairs shot during the cut and then to a full sequence of pictures recorded upon orthogonal cutting of hardened AISI 52100 steel with a c-BN tool. To validate part of the corresponding mechanism, the change of cutting forces is finally investigated when chip segments are formed

Cutting Forces Modeling in Finish Turning of Inconel 718 Alloy with Round Inserts

In turning, the applied forces have to be known as accurately as possible, especially in the case of difficult-to-cut materials for aircraft workpieces finishing operations. Traditionally, edge discretisation methodology based on local cutting laws is used to determine the cutting forces and results are usually considered suitable. Nevertheless, only the rake face is considered in most of studies and the cutting relations are determined by direct identification with a straight edge. This study deals with finishing operations of Inconel 718 alloy with one type of round insert. The main objective is to formulate a novel cutting forces model, taking into account the clearance face. First, a generic model based on a geometrical description using homogeneous matrix transformation is presented. Then, cutting coefficients are identified by inverse identification from experimental measurements distributed with an orthogonal design experiment including tool wear. Finally, modeling and experimental values of the cutting forces are compared and the identified model is analysed

Génération de trajectoires pour la fabrication additive par dépôt de fil robotisé multi-axes - Application à une tubulure torique

National audienceLa fabrication additive est en plein essor pour la fabrication directe de pièces fonctionnelles. Toutefois, les technologies actuelles-comme la fusion sur lit de poudre-présentent un coût élevé et des limites dimensionnelles qui freinent leur diffusion dans certains secteurs industriels comme l'aéronautique ou le naval. La fabrication additive par dépôt de fil métallique sur robots industriels multi-axes équipés de torches de soudage représente un procédé d'avenir peu onéreux et plus ouvert, qui permettra notamment de faire varier l'orientation du dépôt afin de supprimer les supports de fabrication. Néanmoins, cela nécessite de pouvoir générer une trajectoire de dépôt tridimensionnelle complexe permettant la fabrication correcte de la pièce. Cet article présente les problématiques relatives à la génération de trajectoires tridimensionnelles de dépôt de fil, ainsi que des premiers développements dans ce domaine illustrés par l'exemple d'une tubulure torique décrite analytiquement

Mesure de champs cinématiques par corrélation en coupe orthogonale : Possibilités et précision de l'imagerie double-frame avec éclairage laser pulsé

Dans le but de valider les simulations de la coupe visant à prédire l'intégrité de surface, une instrumentation basée sur une caméra double-frame et un éclairage laser pulsé a été développée. A partir des doublets d'images obtenus par ce moyen d'acquisition, les dépouillements possibles par corrélation d'images sont détaillés, accompagnés d'estimations d'incertitudes de mesure

Kinematic Field Measurements During Orthogonal Cutting Tests via DIC with Double-frame Camera and Pulsed Laser Lighting

The measurement of machined-part strain fields induced by the cutting process remains a challenge because of the presence of highly intensive and localised strains. In this study, a high-speed double-frame imaging device with pulsed laser lighting is used in order to obtain sharp and highly resolved images during orthogonal cutting tests performed in an aluminium alloy. The displacement fields are then measured using a global Q4–digital-image-correlation (DIC) method and several strategies, facilitating calculation of the total displacements due to the cut, along with the residual strains in the machined part. Numerical procedures are developed to manage the removed material that disturbs the DIC. An automatic primary shear angle detection procedure using DIC is also proposed. Five different markings, which are produced via chemical etching and micro blasting, are applied to the observed surfaces. Their effects on the kinematic fields and the uncertainties are then studied. Three surface parameters are proposed as indicators for determining the surface preparation suitability for the DIC. The repeatability of the kinematic fields induced during the cutting process is studied, because of the ease with which testing can be performed. Finally, the plastically deformed layer engendered by the cutting process is measured using the calculated residual strains

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

A framework for future CAM software dedicated to additive manufacturing by multi-axis deposition

International audienceDeposition processes, such as Wire & Arc Additive Manufacturing (WAAM), have important perspectives in industry, due to their capacity to produce large near-shape parts with high productivity. Beyond process-material issues, deposition path planning is one of the major challenges to allow a wide use of these processes using multi-axis machines or robots. Early CAM software solutions dedicated to multi-axis additive manufacturing have been already commercialised. However, few elementary deposition strategies are currently available. In this article, the possibilities of multi-axis deposition and the developments needed to improve deposition path generation are highlighted through the analysis of a hollow half-sphere as a case study. Deposition strategies are experimentally tested on two different robotised polymer deposition systems. Based on the comparison of the trials, the issues related to the portability of technology from a specific machine setup to a different one are discussed. Finally, a framework for future Computer-Aided Multi-Axis Additive Manufacturing (CAMAAM) software is proposed

Effect of rake angle on strain field during orthogonal cutting of hardened steel with c-BN tools

In the case of hard machining of steels, negative rake tools generate compressive deformation and high temperature under the cutting edge, leading to phase transformation or ”white layers”. The resulting surface integrity can be predicted by numerical simulations which may be validated by comparing simulated and measured strain fields. Recent high speed imaging devices have facilitated strain field measurement by Digital Image Correlation (DIC), even at high strain rates. However, the analyse is generally restricted to the primary shear zone and not to the workpiece under the machined surface. For this study, a double-frame camera and a pulsed Nd:YAG laser, generally used in the field of fluid mechanics, have been employed to record images during an orthogonal cutting operation of a hardened steel. The effect of the rake angle and the edge preparation of c-BN tools on the subsurface displacement field, which has been experimentally investigated by using DIC, are presented in this paper together with an analysis on the origins of the strains. The results of these measurements will be used to validate cutting numerical simulations or to improve hybrid modelling of surface integrity.WindProcess - ADEM

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