Machinability of Advanced Materials

247 Pages·2014·11.958 MB·English

by  Davim, J. Paulo

MachinabilityofAdvancedMaterials

Machinability of
Advanced Materials
Edited by
J. Paulo Davim
Firstpublished2014inGreatBritainandtheUnitedStatesbyISTELtdandJohnWiley&Sons,Inc.
Apart from any fair dealing for the purposes of research or private study, or criticism or review, as
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©ISTELtd2014
TherightsofJ.PauloDavimtobe identifiedastheauthorofthisworkhavebeenassertedbyhimin
accordancewiththeCopyright,DesignsandPatentsAct1988.
LibraryofCongressControlNumber: 2013955373
BritishLibraryCataloguing-in-PublicationData
ACIPrecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary
ISBN978-1-84821-396-8
PrintedandboundinGreatBritainbyCPIGroup(UK)Ltd.,Croydon,SurreyCR04YY
Table of Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Chapter1.Machinability:ExistingandAdvancedConcepts . . . . . . . . . 1
ViktorP.ASTAKHOV
1.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.Traditionalconceptsofmachinabilityandmethodsforitsassessment. 3
1.2.1.Commonperceptions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2.Non-standardizedtestsformachinabilityassessment. . . . . . . . . 5
1.2.3.Standardtests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.4.Assessmentsusedinmachiningpractice . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.5.Themeritoftheknownconceptsofmachinability . . . . . . . . . . 16
1.3.Knowledge-basedfoundationsofmachinability . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.1.Practicalneed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.2.Abilityoftheprevailingmetalcuttingtheory . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.3.Notionoftwokindsofmachinability . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.4.Machinabilityoftheworkmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.5.Processmachinability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.3.6.Improvementtheprocessmachinability . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.4.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Chapter2.MillingBurrFormationandAvoidance. . . . . . . . . . . . . . . 57
SeyedA.NIKNAM,WaleryWYGOWSKI,MarekBALAZINKSIand
VictorSONGMENE
2.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.1.1.Definitionandclassificationofburrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.1.2.Factorsgoverningmillingburrformation . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.1.3.Burrformationmodelingandcontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.1.4.Burravoidanceandremoval(deburring) . . . . . . . . . . . . . . . . 64
vi MachinabilityofAdvancedMaterials
2.2.Casestudy1:burrformationduringslotmillingofaluminumalloys. . 69
2.2.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.3.Casestudy2:burrlimitationandtoolpathplanningstrategies–
applicationtotheslotmillingofAM6414steel . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.3.1.Burrsizeestimationduringslotmilling(approachesCH1,CH2
andCH3). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.3.2.Conclusiononcasestudy2burrlimitationduringslotting . . . . 86
2.4.Generalconcludingremarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.5.Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Chapter3.MachinabilityofTitaniumandItsAlloys. . . . . . . . . . . . . . 95
AliHOSSEINI,HossamA.KISHAWYandHusseinM.HUSSEIN
3.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.Titanium:abriefoverview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.3.Titaniumalloys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.4.Challengestowardmachiningtitanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4.1.Lowmodulusofelasticity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4.2.Poorthermalconductivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4.3.Chemicalreactivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.4.4.Hardeningcharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.5.Mechanicsofchipformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.6.Cuttingforcesandpowerconsumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.7.Cuttingtoolsandwearphenomenon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.7.1.High-speedsteeltools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.7.2.Carbidetools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.7.3.Ceramictools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.7.4.Cubicboronnitride(CBN)tools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.8.Applicationofcoolant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.9.Surfaceintegrity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.10.Concludingremarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.11.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Chapter4.EffectsofAlloyingElementsontheMachinabilityof
Near-EutecticAl-SiCastingAlloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
YasserZEDAN,SalehA.ALKAHTANIandFawzyH.SAMUEL
4.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2.Alloypreparationandcastingprocedures. . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.2.1.Metallography-microstructuralexamination. . . . . . . . . . . . . . 123
4.2.2.Mechanicaltests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.2.3.Machiningprocedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.2.4.Totaldrillingforce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
TableofContents vii
4.2.5.Toollifecriteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.3.Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.3.1.Microstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.3.2.Hardnessandtensileproperties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.3.3.Machiningbehavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.4.Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.5.Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.6.Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Chapter5.TheMachinabilityofHardMaterials–AReview. . . . . . . . . 145
PauloCAMPOS, J.PauloDAVIM,J.RobertoFERREIRA,A.PauloPAIVA
andP.PauloBALESTRASSI
5.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.1.1.Definitionofhardmachining. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.1.2.Applicationofhardmachiningprocesses. . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.2.Cuttingtools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.2.1.Ceramics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.2.2.Cubicboronnitride(CBN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.3.Wipertechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.4.Machinability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.4.1.Cuttingparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.4.2.Cuttingforces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.4.3.Chipformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.4.4.Cuttingtemperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.5.Surfaceintegrityinhardmachiningprocesses . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.5.1.Surfaceintegrity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.5.2.Surfaceroughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.5.3.Residualstresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.5.4.White-layereffect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.6.Optimizationofhardmachiningprocesses . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.7.Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.8.Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.9.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Chapter6.AnInvestigationofDuctileRegimeMachiningof
SiliconNitrideCeramics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
VijayanKRISHNARAJandS.SenthilKUMAR
6.1.Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.2.Ceramicmachining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.2.1.Machiningforces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.2.2.Surfacequality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
viii MachinabilityofAdvancedMaterials
6.2.3.Machiningmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6.3.Ductileregimemachining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.3.1.Factorscontributingtotheductile-regimemachiningofceramics. 182
6.4.Developmentsinsimulationsofceramicmachining. . . . . . . . . . . . 185
6.4.1.Materialmodelforsimulations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.4.2.Elasticandplasticbehavior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.4.3.Heattransferandthermalsoftening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.4.4.Strainratesensitivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.4.5.Determinationofinitialyieldstress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.4.6.Materialmodelvalidation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.4.7.SimulationmodelofAdvantEdge®. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.4.8.Workmaterialproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.4.9.Wearmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
6.4.10.Processparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
6.4.11.Convergence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.5.Designofexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.5.1.Tabulationofresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.5.2.Resultsanddiscussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.6.Effectofthedepthofcut. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.7.Effectofthefeedrate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.7.1.Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.8.Materialsandmeans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.8.1.Hardnesstest. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.8.2.FracturetoughnessK –microindentationtest. . . . . . . . . . . . 208
IC
6.8.3.Elasticmodulus–semi-empiricalrelation . . . . . . . . . . . . . . . 209
6.8.4.Materialpreparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.8.5.Fixturebase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.8.6.Gluingtheceramictothefixturebase. . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6.8.7.PCDendmilltool. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6.9.Experimentalset-up. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.9.1.Resultsanddiscussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.9.2.Effectofthedepthofcut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
6.9.3.Effectofthefeedrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.9.4.Surfaceroughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.9.5.Analysisofvariance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.9.6.Resultantforce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.9.7.Surfaceroughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
6.9.8.Summary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
6.10.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
ListofAuthors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233