[논문 리뷰] Dry Cutting Experiments Database Ti6Al4V and Ck45

Hagen Klippel, Stefan Süssmaier외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 09.

Advanced machining processes and optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Ti6Al4V 및 Ck45(ASIS 1045) 스틸에 대한 건조 직각 cutting 실험의 종합적인 실험 데이터베이스를 제시한다. 이 데이터베이스는 절삭 속도(10–500 m/min)와 진전(0.01–0.4 mm/rev)의 광범위한 범위를 포함하며, 校정된 공정력 데이터, 측정된 절삭 모서리 반지름, 칩 형태 및 Kienzle 공정력 모델 계수를 제공하여 고변형률 속도, 고온 절삭 공정의 수치 시뮬레이션을 위한 구성 물성 매개변수의 정확한 역식 식별을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고변형률 속도, 고온 절삭 공정 시뮬레이션을 위한 구성 모델에 대한 신뢰할 수 있고 재현 가능한 물성 데이터의 부족을 해결하기 위해.
• 재료 배치의 차이와 가공력사에 기인한 큰 변동성을 보이는 문헌 기반 물성 매개변수의 한계를 극복하기 위해.
• 수치 절삭 시뮬레이션에서 물성 매개변수의 역식 식별을 위한 표준화되고 실험적으로 검증된 데이터셋을 제공하기 위해.
• 10–500 m/min의 광범위한 절삭 조건에서 Ti6Al4V 및 Ck45에 대한 Kienzle 공정력 모델 계수를 도출하기 위해.
• 도구 기하학, 칩 형성, 재료 특성 등의 상세하고 추적 가능한 실험 데이터를 제공하여 건조 직각 절삭의 정확한 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 윤활 또는 냉각 없이 제어된 환경에서 Ti6Al4V(Grade 5) 및 Ck45(AISI 1045)에 대해 대규모 건조 직각 절삭 실험을 수행하였다.
• 각 실험 전에 3D 미세 측정 기법을 사용해 신규 인서트의 절삭 모서리 반지름을 측정하여 기하학적 영향을 고려하였다.
• 10–500 m/min의 절삭 속도와 0.01–0.4 mm/rev의 진전 범위에서 각 절삭 조건에서 실시간 공정력(Ft, Fr, Fn)을 기록하였다.
• 칩 기하학, 두께 및 미세 구조를 분석하였으며, 등방성의 존재 여부를 확인하기 위해 에칭 처리된 표본과 EBSD 분석을 실시하였다.
• 준비된 재료 배치에 대해 인장 시험과 경도 측정을 실시하여 준정적 조건에서의 기계적 거동을 특성화하였다.
• 측정된 공정력 및 칩 두께 데이터를 바탕으로 절삭 속도에 따라 함수적으로 Kienzle 공정력 모델 계수를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ti6Al4V 및 Ck45의 건조 직각 절삭에서 공정력은 절삭 속도와 진전의 광범위한 범위에서 어떻게 변화하는가?
• RQ2 절삭 모서리 반지름과 재료 미세 구조는 측정된 공정력과 칩 형성에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 10–500 m/min의 절삭 속도 범위에서 Ti6Al4V 및 Ck45에 대한 Kienzle 공정력 모델 계수는 무엇인가?
• RQ4 Ck45의 동적 변형률 노화 및 Ti6Al4V의 고온에서의 강도 등 재료 특성에 기인한 행동이 칩 형성과 공정력에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 신뢰할 수 있고 재현 가능한 실험 데이터셋을 구축하여 구성 모델 매개변수의 정확한 역식 식별을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• Ti6Al4V 및 Ck45에 대한 100개 이상의 건조 직각 절삭 실험이 수행되었으며, 절삭 속도는 10~500 m/min, 진전은 0.01~0.4 mm/rev의 범위를 커버하였다.
• 각 실험 전에 3D 미세 측정 기법을 사용해 절삭 모서리 반지름을 측정하였으며, 그 값은 0.01 mm에서 0.22 mm까지 변동하여 공정력에 미치는 중대한 영향을 확인하였다.
• 칩 두께는 측정되었고 절삭 조건과 상관관계를 보였으며, 재료 및 조건에 관계없이 일관된 경향을 보였다.
• 두 재료에 대해 절삭 속도의 함수로 Kienzle 공정력 모델 계수를 유도하여 시뮬레이션에서의 공정력 예측을 향상시켰다.
• 미세 구조 분석 결과, 테스트한 배치에서 주요 결정립의 이방성 또는 우선 정렬이 발견되지 않아 재료의 균일성을 뒷받침하였다.
• 인장 시험 결과, 예상 범위 내에서 일관된 항복 강도 및 최대 인장 강도를 확인하였으며, Ck45는 속도 의존적 거동를 보였고, Ti6Al4V는 고온에서 높은 강도를 나타내었다.