[論文レビュー] Dry Cutting Experiments Database Ti6Al4V and Ck45

Hagen Klippel, Stefan Süssmaier+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2022

Advanced machining processes and optimization被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Ti6Al4VおよびCk45（AISI 1045）鋼の乾切削における広範な実験データベースを提示しており、切削速度（10–500 m/min）および送り量（0.01–0.4 mm/rev）の広い範囲をカバーしている。プロセス力データ、測定済みの切削エッジ半径、チップの形状、Kienzle力モデルの係数を提供することで、高ひずみ率・高温金属切削プロセスの数値シミュレーションにおける構成材料パラメータの正確な逆同定が可能になる。

ABSTRACT

The numerical simulation of metal cutting processes requires material data for constitutive equations, which cannot be obtained with standard material testing procedures. Instead, inverse identifications of material parameters within numerical simulation models of the cutting experiment itself are necessary. The intention of the present report is the provision of results of a large scale experimental study of dry orthogonal cutting experiments of Ti6Al4V (3.7165 Grade 5) and Ck45 (AISI 1045) along with their documentation and interpretation. The process forces are evaluated and each cutting insert geometry has been measured prior to the experiments to determine the cutting edge radii for each experiment. The resulting chip forms are analysed and the averaged chip thicknesses are determined. A material characterization is performed, which includes microstructural investigations on the raw materials and is reported together with tensile test results. The assembled data set can be used for parameter identification when the experimental conditions are reproduced in numerical simulations. The cutting test results are finally used to derive coefficients for Kienzle's force model. The data is stored in the pCloud and contains process force measurement data, cutting edge radii scans, pictures of chip geometries and etched chips.

研究の動機と目的

• 高ひずみ率・高温金属切削シミュレーションにおける構成モデルの信頼性の高い再現性のある材料データの不足に対処すること。
• 材料のバッチ差異や処理履歴の影響により、文献に依存する材料パラメータに大きなばらつきが生じるという限界を克服すること。
• 数値切削シミュレーションにおける材料パラメータの逆同定に向けた標準化・実験的検証済みデータセットを提供すること。
• 広範な切削条件におけるTi6Al4VおよびCk45のKienzle力モデル係数を導出すること。
• 工具幾何、チップ形成、材料特性を含む詳細で追跡可能な実験データを提供することで、乾切削の正確なシミュレーションを可能にすること。

提案手法

• 潤滑・冷却なしの制御環境下で、Ti6Al4V（グレード5）およびCk45（AISI 1045）の大型スケール乾切削実験を実施。
• 各実験前に3Dメトラノロジーを用いて新規インサートの切削エッジ半径を測定し、プロセス力に及ぼす幾何的影響を考慮。
• 10–500 m/minの切削速度および0.01–0.4 mm/revの送り量の範囲で、各切削走行中にリアルタイムのプロセス力（Ft、Fr、Fn）を記録。
• チップ幾何、厚さ、および微細組織を分析し、染色試料およびEBSD分析を用いて異方性の有無を特定。
• 準静的条件下での材料の機械的挙動を特徴付けるために、原料バッチに対して引張試験および硬度測定を実施。
• 測定済みのプロセス力およびチップ厚さデータを用いて、切削速度関数としてKienzle力モデル係数を導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ti6Al4VおよびCk45の乾切削におけるプロセス力は、広範な切削速度および送り量の範囲でどのように変化するか？
• RQ2 切削エッジ半径および材料微細組織は、測定されたプロセス力およびチップ形成にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 10–500 m/minの切削速度範囲における、Ti6Al4VおよびCk45のKienzle力モデル係数は何か？
• RQ4 Ck45の動的加工硬化およびTi6Al4Vの高温強度といった材料固有の挙動は、チップ形成およびプロセス力にどのように影響するか？
• RQ5 一貫性があり再現性のある実験データセットを確立することで、構成モデルパラメータの信頼性のある逆同定が可能になるか？

主な発見

• 本データセットには、Ti6Al4VおよびCk45の乾切削実験が100件以上含まれており、切削速度は10～500 m/min、送り量は0.01～0.4 mm/revの範囲をカバーしている。
• 各実験前に3Dメトラノロジーを用いて切削エッジ半径を測定した結果、0.01 mm～0.22 mmの範囲にあり、プロセス力に顕著な影響を及ぼすことが確認された。
• チップ厚さは測定され、切削パラメータと相関づけられ、材料および条件に関係なく一貫した傾向を示した。
• 両材料について、切削速度関数としてKienzle力モデル係数が導出され、シミュレーションにおける力の予測精度が向上した。
• 微細組織分析から、試験バッチには顕著な結晶粒の異方性や優先配向は認められず、材料の均質性が裏付けられた。
• 引張試験により、期待される範囲内で降伏強度および破断強度が一貫して確認され、Ck45は速度依存性の挙動を示し、Ti6Al4Vは高温でも高い強度を示した。