[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一项关于Ti6Al4V和Ck45（AISI 1045）钢的干式正交切削试验的综合性实验数据库，覆盖了广泛的切削速度（10–500 m/min）和进给量（0.01–0.4 mm/rev）。该数据库提供了校准后的工艺力数据、实测的刀具刃口圆弧半径、芯片形貌以及Kienzle力模型系数，可实现对高应变率、高温金属切削过程数值模拟中本构材料参数的精确反向识别。

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.

研究动机与目标

• 为解决高应变率、高温金属切削模拟中本构模型缺乏可靠、可重复材料数据的问题。
• 克服基于文献的材料参数存在的局限性，这些参数因材料批次差异和加工历史不同而存在较大波动。
• 提供标准化、实验验证的数据集，用于数值切削模拟中材料参数的反向识别。
• 推导Ti6Al4V和Ck45在广泛切削条件下的Kienzle力模型系数。
• 通过提供包括刀具几何参数、芯片形成和材料表征在内的详细、可追溯的实验数据，实现干式正交切削的精确模拟。

提出的方法

• 在无润滑或冷却的受控环境中，对Ti6Al4V（Grade 5）和Ck45（AISI 1045）进行大规模干式正交切削实验。
• 在每次试验前使用3D形貌测量技术测量新刀具的刃口圆弧半径，以考虑几何因素对工艺力的影响。
• 在10–500 m/min的切削速度和0.01–0.4 mm/rev的进给量范围内，实时记录每次切削过程中的工艺力（Ft, Fr, Fn）。
• 分析芯片的几何形状、厚度及显微组织，包括蚀刻样品和EBSD分析，以检测各向异性。
• 对原始材料批次进行拉伸试验和硬度测量，以表征准静态条件下的力学行为。
• 利用实测的工艺力和芯片厚度数据，推导出Kienzle力模型系数随切削速度的变化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在广泛切削速度和进给量范围内，Ti6Al4V和Ck45干式正交切削的工艺力如何变化？
• RQ2 刃口圆弧半径和材料显微组织在多大程度上影响测量的工艺力和芯片形成？
• RQ3 在10–500 m/min的完整实验切削速度范围内，Ti6Al4V和Ck45的Kienzle力模型系数是多少？
• RQ4 材料特异性行为（如Ck45的动态应变时效和Ti6Al4V的高温强度）如何影响芯片形成和工艺力？
• RQ5 能否建立一个一致且可重复的实验数据集，以实现本构模型参数的可靠反向识别？

主要发现

• 该数据集包含100多次针对Ti6Al4V和Ck45的干式正交切削实验，覆盖10至500 m/min的切削速度和0.01至0.4 mm/rev的进给量。
• 每次试验前均通过3D形貌测量技术测得刃口圆弧半径，范围为0.01 mm至0.22 mm，证实其对工艺力具有显著影响。
• 测量了芯片厚度并将其与切削参数相关联，结果显示在不同材料和工况下均呈现一致趋势。
• 推导出两种材料的Kienzle力模型系数作为切削速度的函数，可提升模拟中的力预测精度。
• 显微组织分析表明，所测试批次中未发现明显的晶粒各向异性或择优取向，支持材料的均匀性。
• 拉伸试验结果确认了屈服强度和极限抗拉强度在预期范围内的一致性，其中Ck45表现出应变速率依赖性，而Ti6Al4V在高温下仍保持高强度。