Tool wear in turning of titanium alloy Ti–6Al–4V

173 Pages·2016·9.41 MB·English

Examensarbete 30 hp
Oktober 2016
Tool wear in turning of titanium
alloy Ti–6Al–4V
Challenges and potential solutions for crater
wear, diffusion and chip formation
Erik Bamford

Abstract
Tool wear in turning of titanium alloy Ti–6Al–4V
Erik Bamford

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet
UTH-enheten Titanium alloys are major materials used in the airplane industry, and prospects show
that airplane production will double in the next 20 years. Consequently, the demand
Besöksadress: for cutting tools for machining of titanium alloys will increase. The primary problem
Ångströmlaboratoriet
when machining titanium alloys is their low thermal conductivity. Crater wear is the
Lägerhyddsvägen 1
Hus 4, Plan 0 main factor limiting tool life, and is generally caused by thermal diffusion due to high
temperatures in the tool-chip interface.
Postadress: This master’s thesis was performed in collaboration with Sandvik Coromant, with the
Box 536
prospect to increase knowledge of how diffusion and chip formation influences crater
751 21 Uppsala
wear progression. The aim was to study tool wear of cutting tools when turning

Telefon: Ti–6Al–4V. This was done by testing two different rake face geometries, both coated
018 – 471 30 03 and uncoated, at cutting speeds of 30–115 m/min. Diffusion was investigated to learn
about the impact it has on crater wear. Chips were examined to investigate chip
Telefax:
formation and shear strain.
018 – 471 30 00
The coated modified rake face insert showed less crater wear only for the initial few
Hemsida: seconds of machining. Uncoated inserts with a modified rake face showed higher

http://www.teknat.uu.se/student diffusion rate and faster crater wear progression than did standard inserts. The
standard inserts showed twice as long tool life as did the modified inserts. No
significant differences in the chip formation mechanism were found between modified
and standard inserts. Cracks were found within shear bands that were thinner than
usual, which suggest that the generation of cracks allows less shear deformation.
Handledare: Roland Bejjani
Ämnesgranskare: Staffan Jacobson
Examinator: Erik Lewin
ISSN: 1650-8297, UPTEC K 16021

“Man is a tool-using animal. Without tools he is
nothing, with tools he is all.”
–Thomas Carlyle

Page | III
Page | IV
POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNING

Verktygsslitage vid svarvning av titanlegeringen Ti–6Al–4V
Utmaningar och möjliga lösningar för gropförslitning, diffusion och spånbildning
Titanlegeringar används i stor utsträckning i flygplansindustrin, och prognoser tyder på att
flygplansproduktionen kommer att fördubblas under de kommande 20 åren. Följaktligen
kommer efterfrågan på skärande verktyg för bearbetning av titan att öka. Några gemensamma
fördelar med titanlegeringar är att de har låg densitet, hög styrka och är korrosionsbeständiga.
Ett stort problem är däremot att de har en mycket låg värmeledningsförmåga, vilket gör att
värmen koncentreras i skäreggen och leder till att skäreggen snabbt slits ut.
För att kunna forma ett arbetsmaterial måste skäret som bearbetar det vara hårdare. Vid
svarvning av titanlegeringar används ofta skär utan beläggning tillverkade av en metall- och
kerambaserad komposit av volframkarbid och kobolt. I andra skärprocesser använder man
vanligtvis skärverktyg med skyddande ytskikt för att ytterligare reducera nötningshastigheten
av det bearbetande skäret. Det finns fortfarande stora problem med att applicera tunna ytskikt
på skär för svarvning i titanlegeringar eftersom beläggningen snabbt slits bort. En vanlig
utslitningstyp vid svarvbearbetning av titanlegeringar är gropförslitning, vilket är den faktor
som huvudsakligen påverkar verktygets livslängd vid konventionella skärhastigheter inom
industrin. Gropförslitning orsakas av diffusion, det vill säga rörelse av atomer mellan det
bearbetade materialet och skärverktyget, vilket orsakas av höga temperaturer i skäreggen.
Detta leder till att bindningar mellan atomer försvagas och att skärverktyget nöts ut. Det är
således viktigt att undersöka denna nötningsmekanism för att kunna utveckla nya skärande
verktyg med längre livslängd.
Detta examensarbete utfördes i samarbete med Sandvik Coromant, ett världsledande företag
som är specialiserade på skärverktyg för bearbetning i metaller. Syftet var att öka kunskapen
om hur kemisk diffusion och spånbildning påverkar gropförslitning.
Svarvtester genomfördes på ett cylinderformat ämne av titanlegeringen Ti–6Al–4V med skär
Page | V
med och utan ytbeläggning vid skärhastigheter mellan 30–115 m/min. Eggen på de
undersökta skären hade en modifierad spånsida, och jämfördes mot standardskär med en plan
spånsida. Gropförslitningen undersöktes med mätinstrumentet Alicona för att få en tydlig bild
av skärytans topografi, vilket visade hur ytan påverkats efter svarvning vid olika tidpunkter
och skärhastigheter. Titan fastnar i gropen på skäret och diffusionen leder till att bitar
avlägsnas från skärverktyget, vilket bidrar till förslitningsprocessen. Detta studerades genom
att titta på tvärsnitt av skären med svepelektronmikroskop. Diffusionen av titan och kol
studerades med elektronmikrosond för att mäta halten av titan och kol vid gränssnittet av
titanskiktet och skärverktyget, samt för att undersöka skärets nötningshastighet.
Under bearbetningsprocessen bildas svinn i form av spånor. Tvärsnitt av spånor kan studeras
för att få en inblick i hur spånbildningsprocessen påverkar gropförslitningen. Titanspånor har
en segmenterad geometri, det vill säga att de är sågtandade. Interna spänningar under
bearbetningsprocessen bidrar till att materialet skjuvas och kan avslöja hur materialet
påverkas av deformationen under bearbetningen. Skjuvning är ett mått på hur mycket
materialet deformeras utan volymförändring och uppkommer genom att två motsatta
spänningar påfrestar materialet, vilket leder till att materialet töjs ut. Specifika dimensioner
och vinklar i titanspånorna uppmättes med hjälp av ljusoptiskt mikroskop och graden av
segmentering, segmentfrekvensen och skjuvningen i spånorna beräknades. Skjuvningen kan
avbildas med ljusoptiskt- och svepelektronmikroskop och visar sig som smala skjuvningsband
mellan segmenten. Energiröntgenspektroskop användes för att studera diffusion av partiklar
från skärverktyg till titanspånor.
Tillämpning av beläggning på spånsidan av skärverktyget bidrog till en minskad kemisk
diffusion, men beläggningen kan orsaka andra förslitningsmekanismer som påskyndar
gropförslitning. Belagda skärverktyg med modifierad spånsida visade på en mindre
gropförslitning de första sekunderna av bearbetning, vilket troligtvis beror på att beläggningen
var kvar på en större yta än för standardskär. Skär utan beläggning med en modifierad
spånsida visade högre diffusionshastighet och snabbare gropförslitningshastighet än
standardskär. Mätning av fasförslitning visade att standardskär hade dubbelt så lång livslängd
som modifierade skär. Förändringar i spånbildningen kan påverka gropförslitningen och
bestäms genom att undersöka spångeometrin. Dock kunde inga signifikanta skillnader
bekräftas mellan modifierade och standardskär.
Page | VI
TABLE OF CONTENTS

ABSTRACT ............................................................................................................................................................... I
POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNING........................................................................................................ V
ACKNOWLEDGEMENTS ......................................................................................................................................... XI
LIST OF ABBREVIATIONS ....................................................................................................................................... XII
LIST OF NOMENCLATURE..................................................................................................................................... XIII
LIST OF FIGURES .................................................................................................................................................. XIV
IN CHAPTER 1: INTRODUCTION .................................................................................................................. XIV
IN CHAPTER 2: THEORY .............................................................................................................................. XIV
IN CHAPTER 3: LITERATURE REVEIW ........................................................................................................... XIV
IN CHAPTER 4: METHODOLOGY................................................................................................................... XV
IN CHAPTER 5: RESULTS AND DISCUSSIONS ................................................................................................. XV
IN APPENDIX B ........................................................................................................................................... XVI
IN APPENDIX C ........................................................................................................................................... XVI
IN APPENDIX D .......................................................................................................................................... XVI
IN APPENDIX F .......................................................................................................................................... XVII
IN APPENDIX G ......................................................................................................................................... XVII
IN APPENDIX H ......................................................................................................................................... XVII
LIST OF TABLES .................................................................................................................................................. XVIII
IN CHAPTER 1: INTRODUCTION ................................................................................................................ XVIII
IN CHAPTER 3: LITERATURE REVEIW ......................................................................................................... XVIII
IN CHAPTER 4: METHODOLOGY................................................................................................................ XVIII
IN CHAPTER 5: RESULTS AND DISCUSSIONS .............................................................................................. XVIII
IN APPENDIX A......................................................................................................................................... XVIII
IN APPENDIX C ........................................................................................................................................... XIX
IN APPENDIX E ........................................................................................................................................... XIX
IN APPENDIX G .......................................................................................................................................... XIX
IN APPENDIX H .......................................................................................................................................... XIX
LIST OF EQUATIONS ............................................................................................................................................. XX

Page | VII
CHAPTER 1 INTRODUCTION ................................................................................................................................ 1
1.1 PROJECT BACKGROUND .......................................................................................................................... 1
1.1.1 HISTORY OF METAL MACHINING ..................................................................................................... 2
1.1.2 APPLICATIONS AND COSTS OF TITANIUM ALLOYS ............................................................................ 3
1.2 PROJECT DESIGN ..................................................................................................................................... 3
1.2.1 PROBLEM STATEMENT .................................................................................................................... 4
1.2.2 PROJECT OBJECTIVES AND ORGANIZATION ...................................................................................... 4
1.3 SCOPE OF THE PROJECT ........................................................................................................................... 5
CHAPTER 2 THEORY ............................................................................................................................................. 7
2.1 TITANIUM MACHINING ........................................................................................................................... 7
2.1.1 MACHINABILITY OF TITANIUM AND ITS ALLOYS ............................................................................... 7
2.1.2 LONGITUDINAL TURNING OPERATION ............................................................................................. 8
2.1.3 CLASSIFICATION OF TITANIUM ALLOYS .......................................................................................... 10
2.2 TOOL WEAR .......................................................................................................................................... 11
2.2.1 BASICS OF DIFFUSION .................................................................................................................... 12
2.2.2 CRATER WEAR ............................................................................................................................... 13
2.2.3 FLANK WEAR ................................................................................................................................. 14
2.2.4 TOOL LIFE ...................................................................................................................................... 15
2.3 CHIP FORMATION ................................................................................................................................. 15
2.3.1 REASONS BEHIND CHIP SEGMENTATION ........................................................................................ 16
2.3.2 CATASTROPHIC SHEAR MODEL ...................................................................................................... 17
2.3.3 DESCRIPTION OF CHIP GEOMETRY ................................................................................................. 19
2.3.4 CALCULATIONS REGARDING CHIP ANALYSIS ................................................................................... 20
2.3.5 DEFINITIONS OF SHEAR STRESS AND SHEAR STRAIN ....................................................................... 21
2.3.6 CALCULATIONS OF SHEAR STRAIN IN SHEAR-LOCALIZED CHIPS....................................................... 21
2.4 ANALYTICAL METHODS ......................................................................................................................... 22
2.4.1 FOCUS VARIATION WITH ALICONA................................................................................................. 23
2.4.2 LIGHT OPTICAL- AND STEREO MICROSCOPE ................................................................................... 23
2.4.3 SCANNING ELECTRON MICROSCOPE .............................................................................................. 24
2.4.4 ELECTRON MICROPROBE ANALYZER .............................................................................................. 24
2.4.5 ENERGY-DISPERSIVE X-RAY SPECTROSCOPE ................................................................................... 25
CHAPTER 3 LITERATURE REVIEW.........................................................................................................................26
3.1 PREVIOUS RESEARCH ON CRATER WEAR ................................................................................................ 27
3.2 PREVIOUS RESEARCH ON DIFFUSION WEAR ........................................................................................... 30
3.3 PREVIOUS RESEARCH ON CHIP FORMATION .......................................................................................... 32

Page | VIII