ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2023-4-645-654KHEWIQipolytech-753Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGРасчёт силовых параметров процесса формообразования заготовок концевыми фрезамиCalculation of force parameters of workpiece machining process with end mill cuttersЛеквеишвилиМ. А.LekveishviliM. A.

Леквеишвили Мария Анатольевна, младший научный сотрудник

600014, г. Владимир, ул. Белоконской, 3Б

Maria A. Lekveishvili, Junior Researcher

3B, Belokonskaya St., Vladimir 600014

 

m.shaparovskaya@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1523-0637ЛюхтерА. Б.LyukhterA. B.

Люхтер Александр Борисович, к.т.н., директор Научно-образовательного центра внедрения лазерных технологий

600014, г. Владимир, ул. Белоконской, 3Б

Alexander B. Lyukhter, Cand. Sci. (Eng.), Director

3B, Belokonskaya St., Vladimir 600014

3699137@mail.ruДавыдовН. Н.DavydovN. N.

Давыдов Николай Николаевич, д.т.н., доцент, ведущий научный сотрудник

600014, г. Владимир, ул. Белоконской, 3Б

Nikolay N. Davydov, Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Leading Researcher

3B, Belokonskaya St., Vladimir 600014

n.n.davydov@mail.ruНаучно-образовательный центр внедрения лазерных технологий Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича СтолетовыхРоссияResearch and Educational Center for Laser Technology Implementation of Vladimir State University named after Alexander and Nikolay StoletovsRussian Federation202310012024274645654Copyright © Леквеишвили М.А., Люхтер А.Б., Давыдов Н.Н., 20242024Леквеишвили М.А., Люхтер А.Б., Давыдов Н.Н.Lekveishvili M.A., Lyukhter A.B., Davydov N.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/753

Цель – создание и апробация оперативной методики расчета силовых параметров и характеристик инструмента и процесса фрезерования конструкционных материалов концевыми фрезами. При разработке методики предварительного расчета суммарной осевой силы, действующей на режущей кромке концевых фрез, использованы структурные схемы механообработки и силовые модели процессов косоугольного резания в режимах осевой подачи инструмента и непрерывного пластического деформирования обрабатываемого материала. Опыты с вращающимся инструментом проведены на 3-осевом обрабатывающем центре UWF 1202 H фирмы «Hermle», дополненном пьезоэлектрическим динамометром фирмы «Kistler» (модель 9272). Предложена, разработана и апробирована методика предварительного расчета силовых характеристик процесса механической обработки заготовок концевыми фрезами, учитывающая влияние величины энергетической мощности вязкого разрушения обрабатываемого материала. Обусловлено, что контактное трение, возникающее на передней и задней поверхностях режущего инструмента, не достигает предельной величины и подчиняется закону Кулона-Амонтона, то есть оценивается зависимостью прямо пропорциональной нормальному давлению. В результате выполненных вычислений предопределены материалы заготовки для фрезерной обработки – сталь 45 (AISI 1045), и концевой двузубой фрезы – сплав Т14К8 без покрытия, из которого были изготовлены опытные образцы. Установлены режимы фрезерной обработки: глубина засверливания – 4 мм; скорости резания – 50, 100 и 150 м/мин; подача режущего инструмента – 0,05 и 0,1 мм/об. Выявлено, что отклонение измеренных значений осевой силы резания от расчетных в диапазоне изменения значений скорости подачи инструмента составляет не более 11%, а в диапазоне изменения значений скорости резания не более 15%. Разработанная расчетно-аналитическая методика оценки силовых параметров процесса формообразования заготовок концевыми фрезами обеспечивает повышение оперативности и достоверности предварительного прогностического расчета рабочих параметров и характеристик режущих элементов концевых фрез.

The aim is to develop and validate an operational methodology for calculating the force parameters and characteristics of the tool and the process of milling structural materials with end milling cutters. The structural schemes of machining and force models of oblique cutting processes in the modes of axial tool feed and continuous plastic deformation of the processed material were used when developing the method of preliminary calculation of the total axial force working on the cutting edge of end milling cutters. The rotating tool tests were conducted on a Hermle UWF 1202 H 3-axis machining center supplemented with a Kistler piezoelectric dynamometer (model 9272). Authors suggested, developed and tested the preliminary calculation method applied to the force characteristics of the machining process of workpieces by end milling cutters, considering how the energy power of ductile fracture of the machined material affects the process. Contact friction arising on the front and rear surfaces of the cutting tool does not reach the limiting value being subject to the Coulomb – Amonton law, that is, it is estimated by the dependence directly proportional to the normal pressure. After calculations, we defined the materials of the workpiece for milling, that is 45 steel (AISI 1045), and the end two-tooth cutter, uncoated T14K8 alloy, which was used to produce samples. The following milling modes were established: 4 mm boring depth; 50, 100 and 150 m/min cutting speeds; 0.05 and 0.1 mm/rev cutting tool feed. Deviation of the measured values of axial cutting force from the calculated values in the range of changing values of tool feed rate was found to be no more than 11%, and in the range of changing values of cutting speed no more than 15%. The developed calculation and analytical methodology for estimating force parameters of the machining process by end milling cutters provides an increase in the efficiency and reliability of the preliminary prognostic calculation of operating parameters and characteristics of cutting elements of end milling cutters.

фрезерная обработкаконцевые фрезыкосоугольное резаниедеформационное упрочнениеКулоново трениеудельная работа разрушенияmillingend millsoblique cuttingstrain hardeningCoulomb frictionspecific work of fractureРабота выполнена в рамках государственного задания в сфере научной деятельности Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема FZUN-2020-0015, госзадание ВлГУ).The research was carried out under the state assignment in the field of scientific activity of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (theme FZUN-2020-0015, state assignment of Vladimir State University).ReferencesJawahir I.S., Schoop J., Kaynak Y., Balaji A.K., Ghosh R., Lu T. Progress toward modeling and optimization of sustainable machining processes // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2020. Vol. 142. Iss. 11. P. 110811. https://doi.org/10.1115/1.4047926.Jawahir I.S., Schoop J., Kaynak Y., Balaji A.K., Ghosh R., Lu T. Progress toward modeling and optimization of sustainable machining processes. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2020;142(11):110811. https://doi.org/10.1115/1.4047926.Aslantas K., Ülker S., Şahan Ö., Pimenov D.Y., Giasin K. Mechanistic modeling of cutting forces in high-speed microturning of titanium alloy with consideration of nose radius // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022. Vol. 119. P. 2393–2408. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08437-w.Aslantas K., Ülker S., Şahan Ö., Pimenov D.Y., Giasin K. Mechanistic modeling of cutting forces in high-speed microturning of titanium alloy with consideration of nose radius. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022;119:2393-2408. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08437-w.Sim Choonggun, Yang Minyang. The prediction of cutting force in ball end milling // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1993. Vol. 33. Iss. 2. P. 267–284. https://doi.org/10.1016/0890-6955(93)90079-a.Sim Choonggun, Yang Minyang. The prediction of cutting force in ball end milling. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1993;33(2):267-284. https://doi.org/10.1016/0890-6955(93)90079-a.Budak E., Altintaş Y., Armarego E.J.A. Prediction of milling force coefficients from orthogonal cutting data // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 1996. Vol. 118. Iss. 2. P. 216–224. https://doi.org/10.1115/1.2831014.Budak E., Altintaş Y., Armarego E.J.A. Prediction of milling force coefficients from orthogonal cutting data. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 1996;118(2):216-224. https://doi.org/10.1115/1.2831014.Engin S., Altintas Y. Mechanics and dynamics of general milling cutters. Part I: helical end mills // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2001. Vol. 41. Iss. 15. P. 2195–2212. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(01)00045-1.Engin S., Altintas Y. Mechanics and dynamics of general milling cutters. Part I: helical end mills. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2001;41(15):2195-2212. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(01)00045-1.Lee P., Altintaş Y. Prediction of ball-end milling forces from orthogonal cutting data // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1996. Vol. 36. Iss. 9. P. 1059–1072. https://doi.org/10.1016/0890-6955(95)00081-x.Lee P., Altintaş Y. Prediction of ball-end milling forces from orthogonal cutting data. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1996;36(9):1059-1072. https://doi.org/10.1016/0890-6955(95)00081-x.Sahoo P., Patra K., Singh V.K., Gupta M.K., Song Qinghua, Mia M., et al. Influences of TiAlN coating and limiting angles of flutes on prediction of cutting forces and dynamic stability in micro milling of die steel (P-20) // Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 278. P. 116500. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116500.Sahoo P., Patra K., Singh V.K., Gupta M.K., Song Qinghua, Mia M., et al. Influences of TiAlN coating and limiting angles of flutes on prediction of cutting forces and dynamic stability in micro milling of die steel (P-20). Journal of Materials Processing Technology. 2020;278:116500. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116500.Arrazola P.J., Özel T., Umbrello D., Davies M., Jawahir I.S. Recent advances in modelling of metal machining processes // CIRP Annals. 2013. Vol. 62. Iss. 2. P. 695–718. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2013.05.006.Arrazola P.J., Özel T., Umbrello D., Davies M., Jawahir I.S. Recent advances in modelling of metal machining processes. CIRP Annals. 2013;62(2):695-718. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2013.05.006.Ozlu E., Molinari A., Budak E. Two-zone analytical contact model applied to orthogonal cutting // Machining Science and Technology: An International Journal. 2010. Vol. 14. Iss. 3. P. 323–343. https://doi.org/10.1080/10910344.2010.512794.Ozlu E., Molinari A., Budak E. Two-zone analytical contact model applied to orthogonal cutting. Machining Science and Technology: An International Journal. 2010;14(3):323-343. https://doi.org/10.1080/10910344.2010.512794.Sonawane H.A., Joshi S.S. Analytical modeling of chip geometry and cutting forces in helical ball end milling of superalloy Inconel 718 // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2010. Vol. 3. Iss. 3. P. 204–217. https://doi. org/10.1016/j.cirpj.2010.11.003.Sonawane H.A., Joshi S.S. Analytical modeling of chip geometry and cutting forces in helical ball end milling of superalloy Inconel 718. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2010;3(3):204-217. https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2010.11.003.Wang S., Zhang T., Deng W., Sun Z., Sandy T. Analytical modeling and prediction of cutting forces in orthogonal turning: a review // The international journal of advanced manufacturing technology. 2022. Vol. 119. P. 1407–1434. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08114-y.Wang S., Zhang T., Deng W., Sun Z., Sandy T. Analytical modeling and prediction of cutting forces in orthogonal turning: a review. The international journal of advanced manufacturing technology. 2022;119:1407-1434. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08114-y.Бобров В.Ф. Влияние угла наклона главной режущей кромки инструмента на процесс резания металлов. М.: Машгиз, 1962. 152 с.Bobrov V.F. Influence of tool major cutting edge inclination angle on metal cutting. Moscow: Mashgiz; 1956, 152 p. (In Russ.).Li H.Z., Zhang W.B., Li X.P. Modelling of cutting forces in helical end milling using a predictive machining theory // International Journal of Mechanical Sciences. 2001. Vol. 43. Iss. 8. P. 1711–1730. https://doi.org/10.1016/S00207403(01)00020-0.Li H.Z., Zhang W.B., Li X.P. Modelling of cutting forces in helical end milling using a predictive machining theory. International Journal of Mechanical Sciences. 2001;43(8):1711-1730. https://doi.org/10.1016/S0020-7403(01)00020-0.Moufki A., Dudzinski D., Coz G. Le. An analytical thermomechanical modelling of peripheral milling process using a predictive machining theory // Advanced Materials Research. 2011. Vol. 223. P. 93–100. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.223.93.Moufki A., Dudzinski D., Coz G. Le. An analytical thermomechanical modelling of peripheral milling process using a predictive machining theory. Advanced Materials Research. 2011;223:93-100. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.223.93.Fontaine M., Devillez A., Moufki A., Dudzinski D. Predictive force model for ball-end milling and experimental validation with a wavelike form machining test // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2006. Vol. 46. Iss. 3-4. P. 367–380. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2005.05.011.Fontaine M., Devillez A., Moufki A., Dudzinski D. Predictive force model for ball-end milling and experimental validation with a wavelike form machining test. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2006;46(3-4):367-380. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2005.05.011.Fu Zhongtao, Yang Wenyu, Wang Xuelin, Leopold J. Analytical modelling of milling forces for helical end milling based on a predictive machining theory // Procedia CIRP. 2015. Vol. 31. P. 258–263. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.013.Fu Zhongtao, Yang Wenyu, Wang Xuelin, Leopold J. Analytical modelling of milling forces for helical end milling based on a predictive machining theory. Procedia CIRP. 2015;31:258-263. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.013.Atkins A.G. Modelling metal cutting using modern ductile fracture mechanics: quantitative explanation for some longstanding problems // International Journal of Mechanical Sciences. 2003. Vol. 45. Iss. 2. P. 373–396. https://doi. org/10.1016/S0020-7403(03)00040-7.Atkins A.G. Modelling metal cutting using modern ductile fracture mechanics: quantitative explanation for some longstanding problems. International Journal of Mechanical Sciences. 2003;45(2):373-396. https://doi.org/10.1016/S0020-7403(03)00040-7.Dargnat F., Darnis Ph., Cahuc O. On the adaptability of cutting model to drilling // 12th CIRP conference on modelling of machining operations. 2009. Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/296705241_On_the_adaptability_of_cutting_model_to_drilling (дата обращения: 11.06.2023).Dargnat F., Darnis Ph., Cahuc O. On the adaptability of cutting model to drilling. In: 12th CIRP conference on modelling of machining operations. 2009. Available from: https://www.researchgate.net/publication/296705241_On_the_adaptability_of_cutting_model_to_drilling [Accessed 11th June 2023].Оленин Л.Д. К анализу механики резания упрочняемого материала. Стружкообразование // Известия МГТУ «МАМИ». 2008. № 1. С. 183–190.Olenin L.D. Analysis of mechanics of the process of cutting hardened material. Chip formation. Izvestiya Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta «MAMI» = Scientific Journal "Izvestiya MGTU "MAMI". 2008;1:183-190. (In Russ.).Оленин Л.Д., Сторчак М.Г., Леквеишвили М.А. К разработке аналитической модели косоугольного резания // Известия МГТУ «МАМИ». 2014. T. 8. № 1-2. С. 123–128. https://doi.org/10.17816/2074-0530-67804.Olenin L.D., Storchak M.G., Lekveishvili M.A. Developing of analytical model for bevel cutting. Izvestiya Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta «MAMI» = Scientific Journal "Izvestiya MGTU "MAMI". 2014;8(1-2):123-128. https://doi.org/10.17816/2074-0530-67804. (In Russ.).Merchant M.E. Mechanics of the metal cutting process II. Plasticity conditions in orthogonal cutting // Journal of Applied Physics. 1945. Vol. 16. Iss. 6. P. 318–324. https://doi.org/10.1063/1.1707596.Merchant M.E. Mechanics of the metal cutting process II. Plasticity conditions in orthogonal cutting. Journal of Applied Physics. 1945;16(6):318-324. https://doi.org/10.1063/1.1707596.Оленин Л.Д. К анализу механики процесса резания. Резание инструментом с притупленной режущей кромкой // Известия МГТУ «МАМИ». 2009. № 2. С. 143–151.Olenin L.D. On the analysis of cutting process mechanics. Cutting with a flattened edge tool. Izvestiya Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta «MAMI» = Scientific Journal "Izvestiya MGTU "MAMI". 2009;2:143-151. (In Russ.).Tsai Chung-Liang, Liao Yunn-Shiuan. Prediction of cutting forces in ball-end milling by means of geometric analysis // Journal of Materials Processing Technology. 2008. Vol. 205. Iss. 1-3. P. 24–33. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.11.083.Tsai Chung-Liang, Liao Yunn-Shiuan. Prediction of cutting forces in ball-end milling by means of geometric analysis. Journal of Materials Processing Technology. 2008;205(1-3):24-33. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.11.083.Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1956. 368 с.Zorev N.N. Mechanical issues of the metal cutting process. Moscow: Mashgiz; 1956, 368 р. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.