Modelling and dynamical investigation of high precision cutting of hard surfaces  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
84177
Type K
Principal investigator Takács, Márton
Title in Hungarian Kemény felületek nagypontosságú forgácsolásának modellezése és dinamikai vizsgálata
Title in English Modelling and dynamical investigation of high precision cutting of hard surfaces
Keywords in Hungarian keményforgácsolás, végeselemes modellezés, esztergálási kísérletek, optimális szerszámgeometria, szerszámkopás
Keywords in English hard cutting, finite element modelling, turning experiments, optimal tool geometry, toll wear
Discipline
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Metal technology
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Department of Manufacturing Science and Engineering (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Csernák, Gábor
Farkas, Balázs Zsolt
Felho, Csaba
Kundrák, János
Pálmay, Zoltán
Szabó, Gergely
Starting date 2011-02-01
Closing date 2015-08-31
Funding (in million HUF) 17.984
FTE (full time equivalent) 9.35
state closed project
Summary in Hungarian
A járműgyártásban új tendencia az abrazív megmunkálás kiváltása keményesztergálással.
A kutatás tárgya ennek legfontosabb folyamatjellemzői – alakváltozás és sebessége, hőmérséklet, szerszámkopás – kölcsönhatásainak és a kész felületi rétegre gyakorolt hatásának vizsgálata különböző szerszámgeometriánál.
A kutatás módszere a technológiai folyamat modellezése és tanulmányozása végeselemes, valamint a nemlineáris dinamika eszközeivel. A kutatás kiterjed a folyamat extrém jelenségeire, mint a termoplasztikus instabilitásnál bekövetkező u.n. adiabatikus nyírásra, és annak hatására a folyamat stabilitására, szerszámkopásra.
A pályázatban résztvevő kutatóhelyek a forgácsoláselméleti kutatások elismert műhelyei, a projektnél a megvalósulás kockázata figyelmen kívül hagyható.
A kutatás eredménye egyrészt optimális szuperkemény szerszámgeometria, amelyet a konkrét technológiai folyamatra adaptált végeselemes modell, valamint az ezt igazoló technológiai kísérletek támasztanak alá, másrészt a technológiai rendszerparaméterek összefüggéseinek és hatásainak olyan mélységű feltárása, amely a szerszámfelület degradálódásának mérésekkel alátámasztott optimalizáláshoz vezet.
A technológiai modellek az igen gyors alakváltozások leírására alkalmas anyagegyenlet speciális anyagállandóinak meghatározáshoz szolgáltatnak új, költségtakarékos módszert.
Infrastruktúrális fejlődés egy kemény-megmunkálóközpont létrehozása.
Summary
Trend of replacing of abrasive cutting processes by hard cutting can be observed in the construction of cars. The main task of the research work is the investigation of the effect of characteristics (deformation, rate of deformation, temperature, tool wear) on the surface generated by hard turning process using different cutting edge geometries. Methodology of the research is based on the modeling of the technological process by the mean of the finite element analysis and the nonlinear dynamics. The research work covers also the extreme situations of the process, like the adiabatic shearing occur at thermoplastic instability and its effect on the stability of the process and tool wear. Participant institutes are acknowledged research places of the cutting theory researches, therefore the risk of success of the project can be negligible. The results of the project are the exploration of the effects of cutting parameters on the failure of cutting edge, which can give the possibility of describing optimized geometry, furthermore optimal super hard material based tool geometries developed by finite element analysis, and checked by technological tests. Technological models offer a new, cost-saving methods to describe parameters of the constitutive equations for large deformation rates.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A kutatás során a keményesztergálási művelet legfontosabb tényezőinek, ennek megfelelően a szerszám geometriájának, a szerszám elhasználódásának, a forgácsképződésnek, a kialakított felület minőségének, valamint a folyamat dinamikai viszonyainak a sajátosságait vizsgáltuk kísérleti és elméleti úton. AISI H13, D2 jelű acélok szisztematikus kísérleti megmunkálása, valamint végeselemes szimulációk révén elemeztük a forgácsolási paramétereknek és a szerszámgeometriának a forgácsolási folyamatra gyakorolt hatását. A nemlineáris dinamika eszközeinek felhasználásával olyan matematikai modell készült, amely lehetővé tette az időben változó sebességű és változó leválasztott rétegvastagságú forgácsolási folyamat specifikumainak tanulmányozását. A forgácsleválasztás termomechanikai folyamatainak vizsgálati eredményeire és a fizikai metallurgia módszereire is támaszkodva a szerszám degradációját matematikai modellel – differenciálegyenlettel – sikerült leírni. Időben változó körülményekre is számítási módszert dolgoztunk ki, ami a nemlineáris kumulatív károsodáson alapszik. A forgácsképződés elektrotermikus folyamatait is modelleztük, ami a forgácstőben a Seebeck-effektus következtében kialakuló örvényáram hatásait veszi figyelembe. A kutatási eredmények hozzájárulnak ahhoz, hogy a jellemzően 45-68 HRC keménységű anyagok megmunkálása, mint a korszerű gyártástechnológia egyik kitüntetett fontosságú eljárása jól tervezhető, biztosan kézben tartott és ismételhető módon történhessen.
Results in English
During the research project, the specifics of the most important factors of hard turning operation, so the tool geometry, the tool wear, the chip formation, the machined surface quality, as well as the dynamic state were studied experimentally and theoretically. By the mean of systematic experimental machining of AISI H13 and D2 steels, and FEM simulation effects of cutting parameters and tool geometry on the process were analyzed in detail. Applying non-linear dynamics such mathematical model was prepared, which enabled study of characteristics of cutting process with time-varying speed and varying chip thickness. Based on the results of thermomechanical processes at chip removal and methods of physical metallurgy, the degradation of tool was described by a mathematical model (by a differential equation). Computational method was developed for time-varying circumstances, which is based on non-linear cumulative damage. Electrothermal processes of chip formation was also modelled, where the influences of eddy current induced due to Seebeck effect in the chip root is taken into consideration. Results of research work will contribute to the safe, well controlled, and repeatable machining of materials of hardness exceeding 45 HRC, which is of essential importance method of modern manufacturing technology.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=84177
Decision
Yes





 

List of publications

  
Pálmai Z.: A forgácsképződés modellezése esztergálásnál a regeneratív hatás figyelembevételével, XII. Magyar Mechanikai Konferencia, Az előadások összefoglalói, Miskolc-Egyetemváros, 2015. augusztus 25-27. ISBN 978-615-5216-73-2, 2015
Kundrák J., Szabó G., Markopoulos A. P: Numerical investigation of the influence of tool rake angle on residual stresses in precision hard turning, Proceedings of 8th International Congress on Precision Machining (ICPM 2015), 01-03. Oct. 2015., Novi Sad, Serbia, 2015
Pálmai, Z: The modelling of crater wear in cutting with TiN coated high speed steel tool, Materials Science Forum Vol. 812. (2015), pp. 227-232, 2015
J. Kundrák, A.P. Markopoulos, T. Makkai: Assessment of tool life and wear intensity of CBN tools in hard cutting, Proceedings of 8th International Congress on Precision Machining (ICPM 2015) 01-03. Oct. 2015. Novi Sad, Serbia, 2015
Pálmai Z., Csobod L.: Elektromos (Seebeck)-effektusok hatásának matematikai modellezése forgácsoásnál, Anyagok Világa (Materials Word) (ISSN 1586-0140) Vol. XIII. (2015) No. 1., pp. 58-97, 2015
Pálmai Z.: A Seebeck-effektus hatása a forgácsolás hőjelenségeire és a szerszámkopásra, X. Országos Anyagtudományi Konferencia konferenciakiadványa, Balatonalmádi, 2015. október 11-13., pp. 52-53, 2015
Marton Takacs: Micro Machining and Hard Cutting – Challenges of Modern Manufacturing Technology, Proceedings of the 4th International Conference on Mechanics and Industrial Engineering Barcelona, Spain – July 20-21, 2015, Keynote Lecture, 2015
Farkas Balázs Zsolt: Finite element model development for high precision hard turning, Proceedings of the Thirteenth International Conference on Tools: ICT 2012., Miskolc, Magyarország, 2012.03.27-2012.03.28., pp. 151-156, 2012, 2012
Farkas Balázs Zsolt: Finite Element Analysis of Orthogonal Hard Turning with Different Tool Geometries, Key Engineering Materials 581, pp. 163-168, 2013
Felhő Csaba, Kundrák János: Investigation of theoretical and real surface roughness in face milling of 42CrMo4 steel, Development in Machining Technology Vol.3., Cracow University of Technology, Tadeusz Kosciuszko, 2013, pp. 82-91, 2013
Pálmai Z: Proposal for a new theoretical model of the cutting tool’s flank wear, WEAR Volume 303, Issues 1–2, 2013, ISSN 0043-1648, pp. 437–445, 2013
Pálmai Z: Az acél nagy gyors deformációjánál fellépő anomália dinamikai vizsgálata, GÉP LXIV. (2013) No. 2., ISSN 0016-8572, pp. 15-18, 2013
Pálmai Z, Szűcs J: A forgácsolószerszám éltartamának meghatározása munkadarab méretellenőrzéssel sorozatgyártásnál, GÉP LXIV. (2013) No. 2., ISSN 0016-8572, pp. 19-22, 2013
Pálmai, Z.: Kráter kopás modellezése TiN bevonatú gyorsacél forgácsolószerszámnál, IX. Országos Anyagtudományi Konferencia konferenciakiadvány, Balatonkenese 2013. okt. 13-15., 2013
Csaba Felhő, János Kundrák: Investigation of the Topography of Machined Surfaces, Applied Mechanics And Materials 693 (2014), pp. 412-417, 2014
Felho Cs, Kundrak J: Comparison of theoretical and real surface roughness in face milling with octagonal and circular inserts, Key Engineering Materials 581 (2014), pp. 360-365, 2014
Felhő, Cs., Kundrak: CAD-based modelling of surface roughness in face milling, World Academy Of Science Engineering And Technology 8:(5), 2014, International Conference on Manufacturing, Information and Industrial Engineering, Firenze, Olaszország, 2014
Kundrák, J., Ráczkövi, L., Gyáni, K.: Machining performance of CBN cutting tools for hard turning of 100Cr6 bearing steel, Applied Mechanics and Materials, pp. 333-338, 2014
Pálmai Z.: A forgácsolószerszámok kopásának matematikai modellezése felületi degradációjuk vizsgálata alapján, Anyagok Világa (Materials Word), Vol. XII. (2014) No. 1., ISSN 1586-0140, pp. 8-50, 2014
Pálmai, Z.: Cutting Tool Life in Machining at Various Speed, Key Engineering Materials Vol. 581 (2014), pp. 38-43, 2014
Pálmai, Z.: A model of non-linear cumulative damage to tools at changing cutting speeds, Int. J. Manuf. Technol. (2014) 74, pp. 973-982, 2014
Pálmai, Z: A new physically defined equation to describe the wear of cutting tools, Annals of Faculty Engineering Hunedoara – international Journal of Engineering XII., ISSN: 1584-2665 (print), ISSN: 1584-2673, (2014) No. 2., pp. 111-116, 2014
Takács, M., Farkas, B.Zs.: Hard Cutting of AISI D2 Steel, Proceedings of the 3rd International Conference on Mechanical Engineering and Mechatronics, Prague, Czech Republic. August 14-15. 2014., Paper No. 176., 2014
Takács Márton: Keményesztergálás művelet végeselemes analízisének lehetőségei, OGÉT 2014: XXII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó konferenciakiadványa, Nagyszeben, Románia, 2014.04.24-2014.04.27., pp. 379-382, 2014
Takács, M., Farkas, B.Zs.: Theoretical and Experimental Investigation of Machining of AISI H13 Steel, Advanced Materials Research 818, 2013, pp. 187-192, 2013
Marton Takacs: Validation of 3D finite element simulation of chip removal process performed by unique insert geometry, Key Engineering Materials 581, 2014, pp. 505-510, 2014
Takács, M.: Numerical Simulation of Chip Removal Process Performed by Cutting Insert with Unique Edge Geometry, Proceedings of the 2nd International Conference on Mechanical Engineering and Mechatrinics, Toronto, Canada. August 8-10. 2013. Paper No. 202., 2013
Csaba Felhő, János Kundrák: Investigation of the Topography of Machined Surfaces, Applied Mechanics And Materials 693 (2014), pp. 412-417, 2014
Felho Cs, Kundrak J: Comparison of theoretical and real surface roughness in face milling with octagonal and circular inserts, Key Engineering Materials 581 (2014), pp. 360-365, 2014
Felhő, Cs., Kundrak, J.: CAD-based modelling of surface roughness in face milling, World Academy Of Science Engineering And Technology 8:(5), 2014, International Conference on Manufacturing, Information and Industrial Engineering. Firenze, Olaszország:, 2014
Pálmai Z.: A forgácsolószerszámok kopásának matematikai modellezése felületi degradációjuk vizsgálata alapján, Anyagok Világa (Materials Word), Vol. XII. (2014) No. 1., ISSN 1586-0140, pp. 8-50, 2014
Pálmai, Z.: A new physically defined equation to describe the wear of cutting tools, Annals of Faculty Engineering Hunedoara – international Journal of Engineering XII., ISSN: 1584-2665 (print), ISSN: 1584-2673, (2014) No. 2., pp. 111-116, 2014
Felhő Csaba, Kundrák János: Investigation of theoretical and real surface roughness in face milling of 42CrMo4 steel, Development in Machining Technology Vol.3., Cracow University of Technology, Tadeusz Kosciuszko, 2013., pp. 82-91, 2013
Felhő Cs: A method for calculation of theoretical roughness in face milling, Proceedings of 8th International Tools Conference, 24-25. May 2011, Zlín, Czech Republic, ISBN 978-80-7454-026-4 (CD-s kiadvány), 2011
Felho Cs, Kundrak J: Characterization of topography of cut surface based on theoretical roughness indexes, Proceedings of The 6th International Congress of Precision Machining ICPM2011, 13-15 September 2011, Liverpool, United Kingdom, pp. 97-102, 2011
Szabo G, Kundrak J: Research of plasticstrain and chip morphology in hard turning, Cutting&ToolinTechnological System, 2011/80, Kharkiv NTU, ISSN 2078-7405, pp. 157-163, 2011
Kundrák J, Ráczkövi L: Definition of tool life in hard boring, XXV. micro CAD International Scientific Conference, University of Miskolc, Hungary, 31 March-1 April 2011, ISBN 978-963-661-965-7, pp. 99-104, 2011
Csernák G, Pálmai Z: A forgácsképződés hatása a megmunkáló rendszer rezgéseire, XI. MaMeK, XI. Magyar Mechanikai Konferencia. Miskolc, Magyarország, 2011.08.29-2011.08.31., p16, 2011
Pálmai Z, Csernák G: Effects of the oscillations, exited by the development of built-of-edge on the chip formation during turning, Journal of Sound and Vibration 332 (2013) 2057-2069., 2013
Farkas BZs, Takács M: Application of Different Material Models at FEM Analysis of Chip Removal Process, VIII. Hungarian Conference on Materials Science. Balatonkenese 2011/10/9-11., 2011
Pálmai Z, Takács M, Farkas BZs: The Activation Energy of the Surface Degradation on the Cutting Tool, VIII. Hungarian Conference on Materials Science. Balatonkenese 2011/10/9-11., 2011
Takács M, Pálmai Z, Farkas BZs: Checking of Validity of Complex Wear Equation by FEM Analysis and Experimental Tests, VIII. Hungarian Conference on Materials Science. Balatonkenese 2011/10/9-11., 2011
Pálmai Z, Takács M, Farkas BZS: Validation of new mathematical model of flank wear by different methods, Material of Science Forum Vol 729 (2013) pp. 169-174. Trans. Tech. Publications, Switzerland, 2013
Szabo G.: Maradó feszültségek alakulása a munkadarab felületi rétegében a szerszám- homlokszög nagyságának függvényében, XVIII. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka. Cluj Napoca, România (megjelenésre elfogadva), 2013
Maros Zs, Felho C: Investigation of surface roughness in diamond turning of an aluminium alloy, L16 at XXVI. microCAD International Scientific Conference, L. Section: Production Engineering and Manufacturing Systems, 29-30 March 2012, Miskolc, ISBN 978-963-661-773-8, 2012
Pálmai Z: Egy lokális deformációval megvalósuló fémtechnológia matematikai modellezése, Anyagok Világa ISSN: 1586-0140, Budapest KFKI (Közlésre beküldött), 2013
Pálmai Z: Determining the tool life of cutting tools in machinig with changing speed, International Journal of Machine Tools and Manufacture (Elsevier) (Közlésre beküldött), 2013
Felho C, Kundrak J: Characterization of topography of cut surface based on theoretical roughness indexes, pp. 194-199 in: Key Engineering Materials, Vol. 496, 2012
Farkas BZs, Takács M: Comparison of manufacturing methods used for preparation of prototype geometries of cutting inserts, The XXI. Conference of GTE on Manufacturing and Related Technologies. Budapest, Magyarország, 2012.11.14-2012.11.16., ISBN: 978-963-9058-35-4, 2012
Farkas BZs, Takács M: Prototype manufacturing of cemented carbide cutting tools by micro electrical discharge machining, The XXI. Conference of GTE on Manufacturing and Related Technologies. Budapest, Magyarország, 2012.11.14-2012.11.16., ISBN: 978-963-9058-35-4, 2012
Takács M: Hagyományostól eltérő forgácsleválasztási eljárások elméleti vizsgálatának lehetőségei, pp. 457-461 in: XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó. Kolozsvár, Románia, 2012.04.19-2012.04.22. Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság, ISBN: ISSN 2068-1267, 2012
Csernák G, Pálmai Z: A forgácsképződés hatása a megmunkáló rendszer rezgéseire, XI. MaMeK, XI. Magyar Mechanikai Konferencia. Az előadások összefoglalói, Miskolc, Magyarország, 2011.08.29-2011.08.31., ISBN: 978-963-661-975-6, p16, 2011
Pálmai Z, Csernák G: Effects of built-up edge-induced oscillations on chip formation during turning, Journal of Sound and Vibration 332, Issue 8 (2013), pp. 2057-2069, 2013
Szabo G.: Maradó feszültségek alakulása a munkadarab felületi rétegében a szerszám-homlokszög nagyságának függvényében, XVIII. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka. Kolozsvár, România, 2013. március 21-22., pp. 367-370, 2013
Pálmai Z: Proposal for a new theoretical model of the cutting tool’s flank wear, WEAR Volume 303, Issues 1–2, 2013, ISSN 0043-1648, pp. 437–445, 2013
Szabo G, Kundrak J: Research of plastic strain and chip morphology in hard turning, Cutting&ToolinTechnological System, 2011/80, Kharkiv NTU, ISSN 2078-7405, pp. 157-163, 2011
Csernák G, Pálmai Z: A forgácsképződés hatása a megmunkáló rendszer rezgéseire, XI. MaMeK, XI. Magyar Mechanikai Konferencia. Az előadások összefoglalói, Miskolc, Magyarország, 2011.08.29-2011.08.31., ISBN: 978-963-661-975-6, p16, 2011
Pálmai Z, Csernák G: Effects of built-up edge-induced oscillations on chip formation during turning, Journal of Sound and Vibration 332 (2013) 2057-2069., 2013
Pálmai Z, Takács M, Farkas BZS: Validation of new mathematical model of flank wear by different methods, Materials Science Forum Vol. 729. (2013), pp. 169-174, 2013
Szabo G.: Maradó feszültségek alakulása a munkadarab felületi rétegében a szerszám- homlokszög nagyságának függvényében, XVIII. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka. Kolozsvár, România, 2013. március 21-22., pp. 367-370, 2013
Pálmai Z: Egy lokális deformációval megvalósuló fémtechnológia matematikai modellezése, Anyagok Világa(Materials Word), ISSN 1586-0140, XI. évf. (2013) No. 2., pp. 1-33, 2013
Felho C, Kundrak J: Characterization of topography of cut surface based on theoretical roughness indexes, Key Engineering Materials, Vol. 496, pp. 194-199, 2012
Takács M: Hagyományostól eltérő forgácsleválasztási eljárások elméleti vizsgálatának lehetőségei, XX. Nemzetközi Gépészeti Találkozó. Kolozsvár, Románia, 2012.04.19-2012.04.22. Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság, ISSN 2068-1267, pp. 457-461, 2012
Takács M: Numerical Simulation of Chip Removal Process Performed by Cutting Insert with Unique Edge Geometry, Proceedings of the International Conference on Mechanical Engineering and Mechatrinics, Toronto, Canada. August 8-10., 2013
Takács M, Farkas BZs: Hard Cutting of AISI D2 Steel, Proceedings of the 3rd International Conference on Mechanical Engineering and Mechatronics, Prague, Czech Republic. August 14-15. 2014., Paper No. 176., 2014
Marton Takacs: Validation of 3D finite element simulation of chip removal process performed by unique insert geometry, Key Engineering Material, 581, pp. 505-510., 2014
Takács M: Keményesztergálás művelet végeselemes analízisének lehetőségei, OGÉT 2014, XXII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Nagyszeben, Románia, 2014.04.24-2014.04.27., pp. 379-382., 2014
Takács M, Farkas BZs: Theoretical and Experimental Investigation of Machining of AISI H13 Steel, Advanced Naterials Research 818, pp. 187-192., 2013
Pálmai Z: The modelling of crater wear in cutting with TiN coated high speed steel tool, Materials Science Forum Vol. 812, pp. 227-232., 2015
Pálmai Z, Szűcs J: A forgácsolószerszám éltartamának meghatározása munkadarab méretellenőrzéssel sorozatgyártásnál, GÉP LVIV. (2013) No. 2., ISSN 0016-8572, pp. 19-22, 2013
Pálmai Z: Az acél nagy gyors deformációjánál fellépő anomália dinamikai vizsgálata, GÉP LXIV. (2013) No. 2., ISSN 0016-8572, pp. 15-18, 2013, 2013
Pálmai Z: Egy lokális deformációval megvalósuló fémtechnológia matematikai modellezése, Anyagok Világa(Materials Word), ISSN 1586-0140, XI. évf. (2013) No. 2., pp. 1-33, 2013
Pálmai Z, Takács M, Farkas BZs: Validation of new mathematical model of flank wear by different method, Materials Science Forum Vol. 729. (2013), pp. 169-174, 2013
Farkas Balázs Zsolt: Finite Element Analysis of Orthogonal Hard Turning with Different Tool Geometries, KEY ENGINEERING MATERIALS 581: pp. 163-168., 2013
Farkas Balázs Zsolt: Finite element model development for high precision hard turning, Proceedings of the Thirteenth International Conference on Tools: ICT 2012., Miskolc, Magyarország, 2012.03.27-2012.03.28., pp. 151-156, 2012
Kundrák, J., Ráczkövi, L., Gyáni, K.: Machining performance of CBN cutting tools for hard turning of 100Cr6 bearing steel, Applied Mechanics and Materials, pp. 333-338, 2014
Pálmai, Z.: Cutting Tool Life in Machining at Various Speed, Key Engineering Materials Vol. 581 (2014), pp 38-43, 2014
Pálmai, Z.: A model of non-linear cumulative damage to tools at changing cutting speeds, Int. J. Manuf. Technol. (2014) 74, pp. 973-982, 2014
Pálmai, Z.: Kráter kopás modellezése TiN bevonatú gyorsacél forgácsolószerszámnál, IX. Országos Anyagtudományi Konferencia konferenciakiadvány, Balatonkenese 2013. okt. 13-15., 2013



Back »