Investigation of cutting forces and machinability during milling of corrosion-resistant powder steel produced by laser metal deposition

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Additive manufacturing technologies for the production of geometrically approximate workpieces require post-processing. This applies to the use of cutting tools in milling operations when machining critical surfaces. The latter are specified strict requirements to accuracy of linear and angular dimensions and quality of the surface layer. An urgent task remains to increase machining productivity when recording cutting forces and surface roughness to develop technological recommendations. Purpose of work: experimental determination of cutting modes providing the highest productivity when milling LMD-workpieces (Laser Metal Deposition) made of steel 0.12-Cr18-Ni10-Ti (AISI 321) by carbide end mill, while maintaining the milling cutter operability and required roughness. The properties and microstructure of the specimens along and across the build direction are investigated. The influence of feed (when the mill moves across and along the build direction), depth and width of milling, speed on the components of the cutting force and roughness of the machined surfaces during counter milling of LMD-workpieces made of steel 0.12-Cr18-Ni10-Ti (AISI 321) with end mill made of H10F carbide with a diameter of 12 mm without wear-resistant coating is established and formalized. The research methods are the dynamic measurement of all three components of the cutting force using a three-component dynamometer and the measurement of roughness with a profilometer. The condition and microgeometry of the cutting edges were monitored before and after milling using scanning optical and scanning electron microscopy. Results and Discussion. The difference in cutting forces depending on the milling pattern (along and across the build direction) was shown. Studies showed that the milling depth and cutting speed have little effect on the lateral and axial components of the cutting force. The feed force increases significantly with increasing depth of cut, especially when feeding across the specimen build direction. It is found that all three components of the cutting force are directly proportional to the value of the minute feed. The equations for calculating all three components of the cutting force with a change in the minute feed are obtained.

About the authors

A. S. Babaev

Email: temkams@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2334-1679
Ph.D. (Engineering), National Research Tomsk State University, 36 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, temkams@mail.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. R. Semenov

Email: artems2102@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8663-4877
National Research Tomsk State University, 36 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, artems2102@yandex.ru

A. S. Shevchuk

Email: shvpro@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0003-5272-4350
National Research Tomsk State University, 36 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, shvpro@yandex.ru

V. A. Ovcharenko

Email: vag14@tpu.ru
ORCID iD: 0009-0000-4797-5604
National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, vag14@tpu.ru

E. A. Sudarev

Email: sudarev@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0002-5596-4048
Ph.D. (Engineering), National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, sudarev@tpu.ru

References

  1. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. – М.: Техносфера, 2022. – 648 с. – ISBN 978-5-94836-447-6.
  2. Post-processing of additively manufactured metallic alloys – A review / A. Malakizadi, D. Mallipeddi, S. Dadbakhsh, R. M’;Saoubi, P. Krajnik // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2022. – Vol. 179 (8). – doi: 10.1016/j.ijmachtools.2022.103908.
  3. Shiyas K.A., Ramanujam R. A review on post processing techniques of additively manufactured metal parts for improving the material properties // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 46 (2). – P. 1429–1436. – doi: 10.1016/j.matpr.2021.03.016.
  4. Hällgrena S., Pejryd L., Ekengren J. Additive manufacturing and high speed machining – Cost comparison of short lead time manufacturing methods // Procedia CIRP. – 2016. – Vol. 50. – P. 384–389. – doi: 10.1016/j.procir.2016.05.049.
  5. Steels in additive manufacturing: A review of their microstructure and properties / P. Bajaj, A. Hariharan, A. Kini, P. Kürnsteiner, D. Raabe, E.A. Jägle // Materials Science and Engineering A. – 2020. – Vol. 772 (4). – doi: 10.1016/j.msea.2019.138633.
  6. D printing as an alternative to casting, forging and machining technologies? / M. Fousová, D. Vojtech, J. Kubásek, D. Dvorský, M. Machová // Manufacturing Technology. – 2015. – Vol. 15 (5). – P. 809–814. – doi: 10.21062/ujep/x.2015/a/1213-2489/MT/15/5/809.
  7. Uhlmann E., Rasper P. Influences on specific cutting forces and their impact on the stability behaviour of milling processes // Production Engineering Research and Development. – 2011. – Vol. 5. – P. 175–181. – doi: 10.1007/s11740-010-0296-4.
  8. Fuchs C., Fritz C., Zaeh M.F. Impact of wire and arc additively manufactured workpiece geometry on the milling process // Production Engineering Research and Development. – 2023. – Vol. 17. – P. 415–424. – doi: 10.1007/s11740-022-01153-8.
  9. Additive manufacturing of metals / D. Herzog, V. Seyda, E. Wycisk, C. Emmelmann // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 117. – P. 371–392. – doi: 10.1016/j.actamat.2016.07.019.
  10. D welding and milling: Part I – A direct approach for freeform fabrication of metallic prototypes / Y.-A. Song, S. Park, D. Choi, H. Jee // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2005. – Vol. 45 (9). – P. 1057–1062. – doi: 10.1016/j.ijmachtools.2004.11.021.
  11. Stucker B., Qu X. A finish machining strategy for rapid manufactured parts and tools // Rapid Prototyping Journal. – 2003. – Vol. 9 (4). – P. 194–200. – doi: 10.1108/13552540310489578.
  12. From orthogonal cutting experiments towards easy-to-implement and accurate flow stress data / F. Klocke, D. Lung, S. Buchkremer, I.S. Jawahir // Materials and Manufacturing Processes. – 2013. – Vol. 28 (11). – P. 1222–1227. – doi: 10.1080/10426914.2013.811738.
  13. Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms / D.D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach, R. Poprawe // International Materials Reviews. – 2012. – Vol. 57 (3). – P. 133–164. – doi: 10.1179/1743280411Y.0000000014.
  14. 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.
  15. Study on microstructure, mechanical properties and machinability of efficiently additive manufactured AISI 316L stainless steel by high-power direct laser deposition / P. Guo, B. Zou, C. Huang, H. Gao // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 240. – P. 12–22. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.09.005.
  16. Microstructure and machinability of selective laser melted high-strength maraging steel with heat treatment / Y. Bai, C. Zhao, J. Yang, R. Hong, C. Weng, H. Wang // Journal of Materials Processing Technology. – 2021. – Vol. 288. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2020.116906.
  17. Mechanical properties and microstructure of 316L stainless steel produced by hybrid manufacturing / T. Feldhausen, N. Raghavan, K. Saleeby, L. Love, T. Kurfess // Journal of Materials Processing Technology. – 2021. – Vol. 290. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2020.116970.
  18. Kaynak Y., Kitay O. Porosity, surface quality, microhardness and microstructure of selective laser melted 316L stainless steel resulting from finish machining // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2018. – Vol. 2. – doi: 10.3390/jmmp2020036.
  19. Turning research of additive laser molten stainless steel 316L obtained by 3D printing / G. Struzikiewicz, W. Zebala, A. Matras, M. Machno, L. Slusarczyk, S. Hichert, F. Laufer // Materials. – 2019. – Vol. 12. – doi: 10.3390/ma12010182.
  20. Hybrid manufacturing: influence of material properties during micro milling of different additively manufactured AISI 316L / S. Greco, M. Schmidt, K. Klauer, B. Kirsch, J.C. Aurich // Production Engineering Research and Development. – 2022. – Vol. 16. – P. 797–809. – doi: 10.1007/s11740-022-01139-6.
  21. Maiss O., Grove T., Denkena B. Influence of asymmetric cutting edge roundings on surface topography // Production Engineering Research and Development. – 2017. – Vol. 11. – P. 383–388. – doi: 10.1007/s11740-017-0742-7.
  22. Process-structure-property relationships for 316L stainless steel fabricated by additive manufacturing and its implication for component engineering / N. Yang, J. Yee, B. Zheng, K. Gaiser, T. Reynolds, L. Clemon, W.Y. Lu, J.M. Schoenung, E.J. Lavernia // Journal of Thermal Spray Technology. – 2017. – Vol. 26. – P. 610–626. – doi: 10.1007/s11666-016-0480-y.
  23. Additive/subtractive hybrid manufacturing of 316L stainless steel powder: Densification, microhardness and residual stress / Y. Yang, Y. Gong, S. Qu, B. Xin, Y. Xu, Y. Qi // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2019. – Vol. 33. – P. 5797–5807. – doi: 10.1007/s12206-019-1126-z.
  24. Effects of process parameters on the surface roughness of stainless steel 316L parts produced by selective laser melting / D.N. Aqilah, A.K.M. Sayuti, Y. Farazila, D.Y. Suleiman, M.A.N. Amirah, W.B.W.N. Izzati // ASTM International Journal of Testing and Evaluation. – 2018. – Vol. 46 (4). – P. 1673–1683. – doi: 10.1520/JTE20170140.
  25. Surface integrity in metal machining – Part I: Fundamentals of surface characteristics and formation mechanisms / Z. Liao, A. Monaca, J. Murray, A. Speidel, D. Ushmaev, A. Clare, D. Axinte, R. M'Saoubi // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2021. – Vol. 162. – doi: 10.1016/j.ijmachtools.2020.103687.
  26. Mohd Yusuf S., Cutler S., Gao N. Review: the impact of metal additive manufacturing on the aerospace industry // Metals. – 2019. – Vol. 9 (12). – P. 1286. – doi: 10.3390/met9121286.
  27. Luecke W.E., Slotwinski J.A. Mechanical properties of austenitic stainless steel made by additive manufacturing // Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. – 2014. – Vol. 119. – P. 398–418. – doi: 10.6028/jres.119.015.
  28. Shrestha R., Simsiriwong J., Shamsaei N. Fatigue behavior of additive manufactured 316L stainless steel parts: Effects of layer orientation and surface roughness // Additive Manufacturing. – 2019. – Vol. 28. – P. 23–38. – doi: 10.1016/j.addma.2019.04.011.
  29. Anisotropy and heterogeneity of microstructure and mechanical properties in metal additive manufacturing: A critical review / Y. Kok, X.P. Tan, P. Wang, M.L.S. Nai, N.H. Loh, E. Liu, S.B. Tor // Materials & Design. – 2018. – Vol. 139. – P. 565–586. – doi: 10.1016/j.matdes.2017.11.021.
  30. Study of a methodology for calculating contact stresses during blade processing of structural steel / V. Kozlov, A. Babaev, N. Schulz, A. Semenov, A. Shevchuk // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 2009. – doi: 10.3390/met13122009.
  31. Influence of selective laser melting technological parameters on the mechanical properties of additively manufactured elements using 316L austenitic steel / J. Kluczynski, L. Sniezek, K. Grzelak, J. Janiszewski, P. Platek, J. Torzewski, I. Szachogluchowicz, K. Gocman // Materials. – 2020. – Vol. 13. – P. 1449. – doi: 10.3390/ma13061449.

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».