Milling martensitic steel blanks obtained using additive technologies

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. In recent years, more attention has been paid to additive wire printing technologies. Due to the peculiarities of printing with wire, the hardness of the workpiece is significantly higher than with traditional forging. An increase in hardness leads to an increase in cutting force. The aim of the work is to study the cutting force during milling workpieces of stainless steel 0.4 C-13 Cr obtained by electron-beam surfacing. Research Methods The specimens were obtained by surfacing wire from martensitic stainless steel 0.4 C-13 Cr. The microstructure of the specimens was studied in this work. The main attention was paid to the study of cutting forces during the processing of specimens. The work investigate specimens obtained by electron-beam surfacing with 0.4 C-13 Cr steel wire. The cutting forces arising during milling of these specimens are determined. To carry out the research work, a standard methodology for conducting experiments to determine cutting forces was chosen. However, to determine the forces Pz and Py, a four-flute (z = 4) milling cutter was used and the milling width was less than 2 mm. Results and discussion. The structure of the specimens obtained by electron-beam surfacing is tempered martensite. It is established that high-speed milling, high-efficiency milling and conventional milling are suitable for processing such workpieces. For processing thin-walled workpieces made of martensitic stainless steel after its manufacture by the method of electron-beam surfacing, it is necessary to use only carbide cutters with a diameter of at least 12 mm. The cutting modes obtained in the study make it possible to reduce the temperature of the cutting edge, cutting force and bending of a low-rigid end mill. So, in the course of the study, it was possible to select modes that reduce the vibration of the machine-device-tool-part system.

About the authors

N. V. Martyushev

Email: martjushev@tpu.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, martjushev@tpu.ru

V. V. Kozlov

Email: kozlov-viktor@bk.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, kozlov-viktor@bk.ru

M. Qi

Email: mensyuy1@tpu.ru
National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, mensyuy1@tpu.ru

A. G. Baginskiy

Email: bagin@tpu.ru
National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, bagin@tpu.ru

Z. Han

Email: hanzelizy@gmail.com
National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, hanzelizy@gmail.com

A. S. Bovkun

Email: Bovas87@yandex.ru
Candidate of Economics, Associate Professor, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontova st., 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. – 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. JCM 2020. – 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, Q. 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. – 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.
  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: 10.1016/j.precisioneng.2019.11.002.
  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. – 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.Yu. Skeeba, B.N. Absadykov // Materials. – 2022. – Vol. 15. – 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 B.W.H., 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. – 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. – doi: 10.18721/JEST.230123.
  31. Mathematical modeling and multi-criteria optimization of design parameters for the gyratory crusher / V.P. Kondrakhin, N.V. Martyushev, R.V. Klyuev, S.N. Sorokova, E.A. Efremenkov, D.V. Valuev, Q. Mengxu // Mathematics. – 2023. – Vol. 11. – P. 2345. – doi: 10.3390/math11102345.
  32. Change in the properties of rail steels during operation and reutilization of rails / K. Yelemessov, D. Baskanbayeva, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 1043. – doi: 10.3390/met13061043.
  33. Capabilities of laser printers with different power / R. Ahmetshin, V. Fedorov, K. Kostikov, N. Martyushev, V.A. Ovchinnikov, A. Razin, A. Yakovlev // Key Engineering Materials. – 2016. – Vol. 712. – P. 246–250. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.712.246' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.712.246.

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».