High speed milling technological regimes, process condition and technological equipment condition influence on surface quality parameters of difficult to cut materials

Abstract

[ES] La calidad superficial en las piezas mecanizadas depende del acabado superficial, resultado de las marcas dejadas por la herramienta durante el proceso de corte. Las aproximaciones teóricas tradicionales indican que estas marcas están relacionadas con los parámetros de corte (velocidad de corte, avance, profundidad de corte...), el tipo de máquina, el material de la pieza, la geometría de la herramienta, etc. Pero no todos los tipos de mecanizado y selección de materiales pueden dar un resultado ambiguo. Hoy en día, de manera progresiva, se están utilizando las técnicas de fresado de Alta Velocidad sobre materiales de difícil mecanizado cada vez más. El fresado de Alta Velocidad implica a un considerable número de parámetros del proceso que pueden afectar a la formación topográfica 3D de la superficie. La hipótesis de que los parámetros de rugosidad superficial dependen de las huellas dejadas por la herramienta, determinadas por las condiciones de trabajo y las propiedades del entorno, condujo al desarrollo de una metodología de investigación personalizada. Este trabajo de investigación muestra como la combinación de los parámetros, inclinación del eje de la herramienta, deflexión geométrica de la herramienta y comportamiento vibracional del entorno, influencian sobre el parámetro de rugosidad superficial 3D, Sz. El modelo general fue dividido en varias partes, donde se ha descrito la influencia de parámetros del proceso adicionales, siendo incluidos en el modelo general propuesto. El proceso incremental seguido permite al autor desarrollar un modelo matemático general, paso a paso, testeando y añadiendo los componentes que más afectan a la formación de la topografía de la superficie. En la primera parte de la investigación se seleccionó un proceso de fresado con herramientas de punta plana. Primero, se analiza la geometría de la herramienta, combinada con múltiples avances, para distinguir los principales parámetros que afectan a la rugosidad superficial. Se introduce un modelo de predicción con un componente básico para la altura de la rugosidad, obtenida por la geometría de la herramienta de corte. A continuación, se llevan a cabo experimentos más específicamente diseñados, variando parámetros tecnológicos. Esto empieza con el análisis de la inclinación del eje de la herramienta contra la mesa de fresado. Los especímenes de análisis son muestras con cuatro recorridos de corte rectos con corte en sentido contrario. Las trayectorias lineales con diferentes direcciones dan la oportunidad de analizar la inclinación del husillo de fresado en la máquina. Un análisis visual reveló diferencias entre direcciones de corte opuestas, así como marcas dejadas por el filo posterior de la herramienta. Considerando las desviaciones de las marcas de corte observadas en las imágenes de rugosidad superficial obtenidas a partir de las medidas, se introdujo un análisis sobre el comportamiento dinámico del equipo y de la herramienta de corte. Las vibraciones producen desviaciones en la mesa de fresado y en la herramienta de corte. Estas desviaciones fueron detectadas e incluidas en el modelo matemático para completar la precisión en la predicción del modelo. Finalmente, el modelo de predicción del parámetro de rugosidad Sz fue comprobado con un mayor número de parámetros del proceso. Los valores de Sz medidos y predichos, fueron comparados y analizados estadísticamente. Los resultados revelaron una mayor desviación de la rugosidad predicha en las muestras fabricadas con diferentes máquinas y con diferentes avances. Importantes conclusiones sobre la precisión del equipo de fabricación han sido extraídas y de ellas se desprende que la huella de la herramienta de corte está directamente relacionada con los parámetros de la topografía de la superficie. Además, la influencia de la huella está afectada por la geometría de la herramienta de corte, la rigidez de la herramienta y la precisión del equipo. La geometría de la herramienta conforma la base del parámetro Sz, desviación de la altura de la superficie. Las conclusiones alcanzadas son la base para recomendaciones prácticas, aplicables en la industria.

[CA] La qualitat superficial en les peces mecanitzades depèn de l'acabat superficial, resultat de les marques deixades per l'eina durant el procés de tall. Les aproximacions teòriques tradicionals indiquen que aquestes marques estan relacionades amb els paràmetres de tall (velocitat de tall, avanç, profunditat de tall...), el tipus de màquina, el material de la peça, la geometria de l'eina, etc. Però no tots els tipus de mecanitzat i selecció de materials poden donar un resultat ambigu. Avui en dia, de manera progressiva, s'estan utilitzant les tècniques de fresat d'Alta Velocitat sobre materials de difícil mecanització cada vegada més. El fresat d'Alta Velocitat implica un considerable nombre de paràmetres del procés que poden afectar la formació topogràfica 3D de la superfície. La hipòtesi que els paràmetres de rugositat superficial depenen de les empremtes deixades per l'eina, determinades per les condicions de treball i les propietats de l'entorn, va conduir al desenvolupament d'una metodologia d'investigació personalitzada. Aquest treball de recerca mostra com la combinació dels paràmetres, inclinació de l'eix de l'eina, deflexió geomètrica de l'eina i comportament vibracional de l'entorn, influencien sobre el paràmetre de rugositat superficial 3D, Sz. El model general va ser dividit en diverses parts, on s'ha descrit la influència de paràmetres addicionals del procés, sent inclosos en el model general proposat. El procés incremental seguit permet a l'autor desenvolupar un model matemàtic general, pas a pas, testejant i afegint els components que més afecten a la formació de la topografia de la superfície. En la primera part de la investigació es va seleccionar un procés de fresat amb eines de punta plana. Primer, s'analitza la geometria de l'eina, combinada amb múltiples avanços, per distingir els principals paràmetres que afecten la rugositat superficial. S'introdueix un model de predicció amb un component bàsic per a l'altura de la rugositat, obtinguda a través de la geometria de l'eina de tall. A continuació, es duen a terme experiments més específicament dissenyats, variant paràmetres tecnològics. Això comença amb l'anàlisi de la inclinació de l'eix de l'eina contra la taula de fresat. Els espècimens d'anàlisi són mostres amb quatre recorreguts de tall rectes amb tall en sentit contrari. Les trajectòries lineals amb diferents direccions donen l'oportunitat d'analitzar la inclinació del fus de fresat en la màquina. Una anàlisi visual revelà diferències entre direccions de tall oposades, així com marques deixades pel tall posterior de l'eina. Considerant les desviacions de les marques de tall observades en les imatges de rugositat superficial obtingudes a partir de les mesures, es va introduir una anàlisi sobre el comportament dinàmic de l'equip i de l'eina de tall. Les vibracions produeixen desviacions en la taula de fresat i en l'eina de tall. Aquestes desviacions van ser detectades i incloses en el model matemàtic per completar la precisió en la predicció de el model. Finalment, el model de predicció de el paràmetre de rugositat Sz va ser comprovat amb un major nombre de paràmetres del procés. Els valors de Sz mesurats i predits, van ser comparats i analitzats estadísticament. Els resultats van revelar una major desviació de la rugositat predita en les mostres fabricades amb diferents màquines i amb diferents avanços. Importants conclusions sobre la precisió de l'equip de fabricació han estat extretes i d'elles es desprèn que l'empremta de l'eina de tall està directament relacionada amb els paràmetres de la topografia de la superfície. A més, la influència de la empremta està afectada per la geometria de l'eina de tall, la rigidesa de l'eina i la precisió de l'equip. La geometria de l'eina conforma la base del paràmetre Sz, desviació de l'altura de la superfície. Les conclusions assolides són la base per recomanacions pràctiques, aplicables en la indústria.

[EN] Surface quality of machined parts highly depends on the surface texture that reflects the marks, left by the tool during the cutting process. The traditional theoretical approaches indicate that these marks are related to the cutting parameters (cutting speed, feed, depths of cut...), the machining type, the part material, the tool geometry, etc. But, different machining type and material selection can give a variable result. In nowadays, more progressively, High Speed milling techniques have been applied on hard-to-cut materials more and more extensively. High-speed milling involves a considerable number of process parameters that may affect the 3D surface topography formation. The hypothesis that surface topography parameters depends on the traces left by the tool, determined by working conditions and environmental properties, led to the development of a custom research methodology. This research work shows how the parameters combination, tool axis inclination, tool geometric deflection, cutting tool geometry and environment vibrational behavior, influence on 3D surface topography parameter Sz. The general model was divided in multiple parts, where additional process parameters influence has been described and included in general model proposed. The incremental process followed allows the author to develop a general mathematical model, step by step, testing and adding the components that affect surface topography formation the most. In the first part of the research a milling procedure with flat end milling tools was selected. First, tool geometry, combined with multiple cutting feed rates, is analyzed to distinguish the main parameters that affect surface topography. A prediction model is introduced with a basic topography height component, performed by cutting tool geometry. Next, specifically designed experiments were conducted, varying technological parameters. That starts with cutting tool axis inclination against the milling table analysis. The specimens of analysis are samples with 4 contrary aimed straight cutting paths. Linear paths in different directions give a chance to analyze milling machine spindle axis topography, as well as marks left from cutting tool back cutting edge. Considering the deviations of cutting marks observed in the images of the surface topography obtained through the measurements, the milling equipment and cutting tool dynamical behavior analysis were introduced. Vibrations produce deviations in the milling table and cutting tool. These deviations were detected and included in the mathematical model to complete the prediction model accuracy. Finally, the prediction model of the topography parameter SZ was tested with increased number of process parameters. Measured and predicted SZ values were compared and analyzed statistically. Results revealed high predicted topography deviation on samples manufactured with different machines and with different feed rates. Relevant conclusions about the manufacturing equipment accuracy have been drawn and they state that cutting tool's footprint is directly related with surface topography parameters. Besides, footprint influence is affected by cutting tool geometry, tool stiffness and equipment accuracy.