Milling of Inconel 625 blanks fabricated by wire arc additive manufacturing (WAAM)

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Additive manufacturing technologies, in particular wire arc additive manufacturing (WAAM), have been gaining increasing popularity recently. This method allows for the production of blanks with significantly increased hardness compared to traditional methods such as forging, which in turn significantly increases the cutting force during subsequent machining. The present study is aimed at investigating the cutting forces during milling of samples made from the high-strength, heat-resistant alloy Inconel 625 obtained by WAAM. The aim of the work is to investigate the influence of microstructure and properties of Inconel 625 fabricated by WAAM, on cutting forces during milling. Particular attention is paid to the search for optimal cutting modes, providing minimization of cutting forces and vibrations in the “machine-utility-tool-part” system. Methods of research. Samples were produced by WAAM using wire made from heat-resistant nickel-based alloy Inconel 625. A comprehensive analysis of the microstructure of the obtained samples was carried out using modern materials science methods. The main attention is paid to the experimental study of cutting forces during milling using different machining modes (cutting speed, feed rate, and depth of cut) and types of cutters. Results and Discussion. The microstructure of Inconel 625 samples obtained by WAAM is characterized in detail. Optimal milling modes will be determined to ensure efficient machining of the material, taking into account its high hardness and strength. It is expected that machining of Inconel 625 blanks will require high-strength carbide milling cutters, possibly of special geometry and with increased wear resistance, with a larger diameter compared to milling of steel 0.4 C-13 Cr. The results of the study allow developing recommendations for selecting optimal cutting modes minimizing cutting force, cutting edge temperature, tool wear and vibrations in the “machine-utility-tool-part” system, thereby improving processing productivity and accuracy.

About the authors

N. V. Martyushev

Email: martjushev@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0003-0620-9561
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, martjushev@tpu.ru

V. N. Kozlov

Email: kozlov-viktor@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-9351-5713
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, kozlov-viktor@bk.ru

A. E. Boltrushevich

Email: aeb20@tpu.ru
ORCID iD: 0009-0004-0265-1680
National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, aeb20@tpu.ru

Y. S. Kuznetsova

Email: julx@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-1388-6125
Candidate of Education, Admiral Ushakov State Maritime University, 93 Lenin Ave., Novorossiysk, 353924, Russian Federation, julx@bk.ru

A. S. Bovkun

Email: Bovas87@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0623-4284
Candidate of Economics, Associate Professor, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov str., Irkutsk, 664074, Russian Federation, Bovas87@yandex.ru

References

  1. Alvarez L.F., Garcia C., Lopez V. Continuous cooling transformations in martensitic stainless steels // ISIJ International. – 1994. – vol. 34 (6). – P. 516–521. – doi: 10.2355/isijinternational.34.516.
  2. On the microstructure and corrosion behavior of wire arc additively manufactured AISI 420 stainless steel / M. Kazemipour, J.H. Lunde, S. Salahi, A. Nasiri // TMS 2020: 149th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. – Cham: Springer, 2020. – P. 435–448. – doi: 10.1007/978-3-030-36296-6_41.
  3. Liverani E., Fortunato A. Additive manufacturing of AISI 420 stainless steel: process validation, defect analysis and mechanical characterization in different process and post-process conditions // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2021. – Vol. 117 (3–4). – P. 809–821. – doi: 10.1007/s00170-021-07639-6.
  4. Ultra-high strength martensitic 420 stainless steel with high ductility / K. Saeidi, D.L. Zapata, F. Lofaj, L. Kvetkova, J. Olsen, Z. Shen, F. Akhtar // Additive Manufacturing. – 2019. – Vol. 29. – P. 100803. – doi: 10.1016/j.addma.2019.100803.
  5. In situ heat treatment in selective laser melted martensitic AISI 420 stainless steels / P. Krakhmalev, I. Yadroitsava, G. Fredriksson, I. Yadroitsev // Materials & Design. – 2015. – Vol. 87. – P. 380–385. – doi: 10.1016/j.matdes.2015.08.045.
  6. Characterization of wire arc additive manufacturing 2Cr13 part: Process stability, microstructural evolution, and tensile properties / J. Ge, J. Lin, Y. Chen, Y. Lei, H. Fu // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 748. – P. 911–921. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.03.222.
  7. Process parameters effect on weld beads geometry deposited by Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) / S. Manokruang, F. Vignat, M. Museau, M. Limousin // Advances on Mechanics, Design Engineering and Manufacturing III: Proceedings of the International Joint Conference on Mechanics, Design Engineering & Advanced Manufacturing, JCM 2020, June 2–4, 2020. – Cham: Springer, 2021. – P. 9–14. – doi: 10.1007/978-3-030-70566-4_3.
  8. Grzesik W. Hybrid additive and subtractive manufacturing processes and systems: a review // Journal of Machine Engineering. – 2018. – vol. 18 (4). – p. 5–24. – doi: 10.5604/01.3001.0012.7629.
  9. Effect of milling parameters on HSLA steel parts produced by Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) / J.G. Lopes, C.M. Machado, V.R. Duarte, T.A. Rodrigues, T.G. Santos, J.P. Oliveira // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 59. – P. 739–749. – doi: 10.1016/j.jmapro.2020.10.007.
  10. New observations on wear characteristics of solid Al2O3/Si3N4 ceramic tool in high speed milling of additive manufactured Ti6Al4V / J. Dang, H. Zhang, W. Ming, O. An, M. Chen // Ceramics International. – 2020. – vol. 46 (5). – p. 5876–5886. – doi: 10.1016/j.ceramint.2019.11.039.
  11. Analysis of tool wear in cryogenic machining of additive manufactured Ti6Al4V alloy / A. Bordin, S. Bruschi, A. Ghiotti, P.F. Bariani // Wear. – 2015. – Vol. 328–329. – P. 89–99. – doi: 10.1016/j.wear.2015.01.030.
  12. Influence of finish machining on the surface integrity of Ti6Al4V produced by selective laser melting / S. Milton, A. Morandeau, F. Chalon, R. Leroy // Procedia Cirp. – 2016. – Vol. 45. – P. 127–130. – doi: 10.1016/j.procir.2016.02.340.
  13. Keist J.S., Palmer T.A. Development of strength-hardness relationships in additively manufactured titanium alloys // Materials Science and Engineering: A. – 2017. – Vol. 693. – P. 214–224. – doi: 10.1016/j.msea.2017.03.102.
  14. The effect of finish-milling operation on surface quality and wear resistance of Inconel 625 produced by selective laser melting additive manufacturing / E. Tascioglu, Yu. Kaynak, Ö. Poyraz, A. Orhangül, S. Ören // Advanced Surface Enhancement (INCASE 2019). – Singapore: Springer, 2020. – P. 263–272. – doi: 10.1007/978-981-15-0054-1_27.
  15. Cutting forces analysis in additive manufactured AISI H13 alloy / F. Montevecchi, N. Grossi, H. Takagi, A. Scippa, H. Sasahara, G. Campatelli // Procedia CIRP. – 2016. – Vol. 46. – P. 476–479. – doi: 10.1016/j.procir.2016.04.034.
  16. Study on machinability of additively manufactured and conventional titanium alloys in micro-milling process / F. Hojati, A. Daneshi, B. Soltani, B. Azarhoushang, D. Biermann // Precision Engineering. – 2020. – Vol. 62. – P. 1–9. – doi: 10.1007/s00170-020-06391-7.
  17. Gong Y., Li P. Analysis of tool wear performance and surface quality in post milling of additive manufactured 316L stainless steel // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2019. – Vol. 33 (5). – P. 2387–2395. – doi: 10.1007/s12206-019-0237-x.
  18. Ni Ch., Zhu L., Yang Zh. Comparative investigation of tool wear mechanism and corresponding machined surface characterization in feed-direction ultrasonic vibration assisted milling of Ti–6Al–4V from dynamic view // Wear. – 2019. – Vol. 436. – p. 203006. – doi: 10.1016/j.wear.2019.203006.
  19. Xiong X., Haiou Z., Guilan W. A new method of direct metal prototyping: hybrid plasma deposition and milling // Rapid Prototyping Journal. – 2008. – Vol. 14 (1). – P. 53–56. – doi: 10.1108/13552540810841562.
  20. SLS setup and its working procedure / R. Ahmetshin, V. Fedorov, K. Kostikov, N. Martyushev, V. Ovchinnikov, A. Rasin, A. Yakovlev // Key Engineering Materials. – 2016. – Vol. 685. – P. 477–481. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.685.477' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.685.477.
  21. Martyushev N., Petrenko Yu. Effects of crystallization conditions on lead tin bronze properties // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 880. – P. 174–178. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMR.880.174' target='_blank'>www.scientific.net/AMR.880.174.
  22. Thermal pulse processing of blanks of small-sized parts made of beryllium bronze and 29 NK alloy / M.E. Isametova, N.V. Martyushev, Y.I. Karlina, R.V. Kononenko, V.Y. Skeeba, B.N. Absadykov // Materials. – 2022. – Vol. 15 (19). – P. 6682. – doi: 10.3390/ma15196682.
  23. Provision of rational parameters for the turning mode of small-sized parts made of the 29 NK alloy and beryllium bronze for subsequent thermal pulse deburring / N.V. Martyushev, D.A. Bublik, V.V. Kukartsev, V.S. Tynchenko, R.V. Klyuev, Y.A. Tynchenko, Y.I. Karlina // Materials. – 2023. – Vol. 16 (9). – P. 3490. – doi: 10.3390/ma16093490.
  24. Cahoon J.R., Broughton W.H., Kutzak A.R. The determination of yield strength from hardness measurements // Metallurgical Transactions. – 1971. – Vol. 2 (7). – P. 1979–1983. – doi: 10.1007/bf02913433.
  25. Abootorabi Zarchi M.M., Razfar M.R., Abdullah A. Influence of ultrasonic vibrations on side milling of AISI 420 stainless steel // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2013. – Vol. 66. – P. 83–89. – doi: 10.1007/s00170-012-4307-9.
  26. Lou X., Andresen P.L., Rebak R.B. Oxide inclusions in laser additive manufactured stainless steel and their effects on impact toughness and stress corrosion cracking behavior // Journal of Nuclear Materials. – 2018. – Vol. 499. – P. 182–190. – doi: 10.1016/j.jnucmat.2017.11.036.
  27. Effect of heat treatment on microstructure, mechanical and corrosion properties of austenitic stainless steel 316L using arc additive manufacturing / X. Chen, J. Li, X. Cheng, H. Wang, Z. Huang // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 715. – P. 307–314. – doi: 10.1016/j.msea.2017.10.002.
  28. Production of workpieces from martensitic stainless steel using electron-beam surfacing and investigation of cutting forces when milling workpieces / N.V. Martyushev, V.N. Kozlov, M. Qi, V.S. Tynchenko, R.V. Kononenko, V.Y. Konyukhov, D.V. Valuev // Materials. – 2023. – Vol. 16 (13). – P. 4529. – doi: 10.3390/ma16134529.
  29. Возможности атомно-силовой микроскопии для исследования микроструктуры нержавеющей стали при различных видах термообработки / Г.В. Шляхова, А.В. Бочкарёва, С.А. Баранникова, Л.Б. Зуев, Е.В. Мартусевич // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. – 2017. – Т. 60 (2). – С. 133–139. – doi: 10.17073/0368-0797-2017-2-133-139.
  30. Хайдоров А.Д., Юнусов Ф.А. Вакуумная термическая обработка высоколегированных коррозионностойких сталей // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – 2017. – Т. 23, № 1. – С. 226–235.
  31. Mathematical modeling and multi-criteria optimization of design parameters for the gyratory crusher / V.P. Kondrakhin, R.V. Klyuev, S.N. Sorokova, E.A. Efremenkov, D.V. Valuev, Q. Mengxu // Mathematics. – 2023. – Vol. 11. – P. 2345. – doi: 10.3390/math11102345.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».