1. Marcin Matuszak
Bartosz Powałka
Paweł Kochmański
INFLUENCE OF THE MATERIAL MICROSTRUCTURE ON VIBRATION IN THE MICRO-MILLING
Cel zajęcia się zagadnieniem:
Weryfikacja krzywych wibrostabilności wygenerowanych „klasycznie” oraz zbadanie charakteru występujących drgań
CIRP Sponsored Conference
REAL AND VIRTUAL MANUFACTURING
KARPACZ 10th–13th March 2014

2. Overview
Basic differences between milling and micro-milling
Heat treatment
Grain size and hardness measurement
Impact test of tool
Milling experiment
Surface topography
Summary

3. Micro-milling characteristics Tool diameter less than 0.5 mm
Aim of work
Verification of material internal structure on vibration in micromilling
Micro-milling characteristics
Tool diameter less than 0.5 mm
Tool edge radius comparable to thickness of the material to be removed
Plastic machining and negative rake angles
High rotational speed (more than RPM)
Powiedzieć, że posuw na ostrze narzędzia może być mniejszy od wielkości ziarna materiału
Powiedzieć, że w skali makro nie ma to takiego znaczenia jak w mikro, na podjęcie tego doprowadził nas brak powtarzalności wyników eksperymentów, wszystkie parametry obrobki było teoretycznie takie same a otrzymywane wyniki różniły się, jedyną zmienną pozostała struktura wewnętrzna meteriału, bo materiał, narzędzia itp. były te same.

4. Minimum chip thickness
Wyjaśnić na czym to polega, że spotykane w literaturze, jak grubość warstwy skrawanej nie przekroczy pewnej wartości to nie następuje skrawanie materiału a jedynie odkształcenie elestyczno-plastyczne, nie formuje się wiór. Po przekroczeniu minimalnej grubości warstwy skrwanej nastepuje formowanie się wióra. Powiedzieć, że to zjawisko nie ma znaczenia w skali makro i możne je pominąć, ale w skali mikro jego występowanie znacząco utrudnia sporządzenie dobrego modelu i nie można klasycznych krzywych workowych do dynamiki.

5. Normalized (small grain) Full annealing (big grain)
Heat treatment
C45 steel
No hardening
Normalized (small grain)
Full annealing (big grain)
Steel „as delivered” (aftrer rolling)
Powiedzieć, że nikt jeszcze nie badał czegoś takiego! Powiedzieć, że stan dostawy wzięliśmy żeby mieć porównanie jak jest w stanie w jakim dostajemy materiał i jak się robi najbardziej powszechnie, bez obróbki cieplnej, która kosztuje.

6. Average grain area [um2]
Grain size Microhardness
Material
HV 0,01 perlite
HV 0,01 ferrite
C45 normalized II 60 42
C45 normalized T 59 39
C45 fully annealed II 49 32
C45 fully annealed T 52 28
C45 as delivered II 55 36
C45 as delivered T 65 43
Material
Average grain area [um2]
ASTM grain size
C45 normalized II
135 10
C45 normalized T
142
C45 fully annealed II
278 9
C45 fully annealed T
307
C45 as delivered II
435 8
C45 as delivered T
413
Ziarno w dużym przybliżeniu w przekroju można uznać za elipsę, dla nas jest to wystarczające, bo porównujemy to co uzyskaliśmy ze sobą. Powiedzieć, że jest przykład pomiaru. Przyporządkowano powierzchnię ziarna do wielkości według ASTM (American Society for Testing and Materials). II oznacza kierunek rownoległy do walcowania T, prostopadły, powiedzieć, że frezowanie było w kierunku równoległym, a nie prostopadłym. Powiedzieć, że pomiar wielkości ziarna był dlatego, że im mniejsze ziarno tym występują mniejsze jego przemieszczenia, bo przestrzeń między ziarnami jest mniejsza.
Twardość zgodnie z oczekiwaniami najmniejsza po wyżarzaniu zmiękczającym, a największa w stanie dostawy w kierunku prostopadłym do walcowania. Różnice nie są duże.

7. Cutting forces measurement Accelerations – workpiece and spindle
The experiment
Impact test
Cutting forces measurement
Accelerations – workpiece and spindle
Tool diameter 1mm (Kyocera 2FESM )
Pomiar topografii powierzchni
C45 steel
Fully annealed, normalized, as delivered
15 000, , RPM
Feed: 1, 2, 4, 7, 10 μm
Depth of cut: 15, 30, 50 μm
Powiedzieć, że ten sam materiał ale różne wielkości ziaren materiału, tak jak wcześniej pomierzono Powiedzieć jakie parametry wspomnieć że wysokie prędkości są dlatego żeby uniknąć tłumienia procesu, szeroki zakres posuwów i głębokości skrawania dla obu materiałów, powiedzieć, że rozpatrujemy trzy pierwsze posuwy i największą głębokość, bo dla innych nie wystąpiło nic ciekawego. Wysokie prędkości aby uniknąć tłumienia prosesu, który występuje dla niskich. Pomiar topografii, ponieważ profil nie pokazywał różnic.

8. Impact test of tool
Dwa słowa o mikrofrezarce, że prototypowa itp. Testy impulsowe, wspomnieć, że zrobiliśmy, krótko o tym, wibrometr laserowy, mikromłotek modalny, lusterko żeby zmierzyć w drugim kierunku. LMS Scadas III do pomiaru. Synteza modalna żeby uzyskać funkcję przejścia na wierzchołku narzędzia. Szczegóły prezentowane we wcześniejszych pracach.
Laser vibrometer PSV 400
LMS SCADAS III
Modal synthesis

9. Impact test of tool
Tool displacemets was measured in points shown on figure. Impact test was made both in X and Y direction. Excitation force was applied in point 5. This point was chosen because it is colosest to the tool tip. Due to very small tool tip dimensions impulse force can not be applied in point 7 because it will simply desrtoy the tool. But we need to have transere function in point 7 to generate stablility lobes. We can achive this with modal synthezis.
Schematyczny widok obrabiarki i narzędzia przedstawiono na rysunku. Testy impulsowe wykonano w kierunkach X i Y. Jak wspominiano pomiaru przemieszczeń dokonywano w punktach przedstawionych na rys, wymuszenie w postaci uderzenia młotkiem modalnych wykonywano w punkcie 5. Najbardziej interesująca jest funkcja przejścia z punktu 7 do puntu 7, jednak w punktach 6 i 7 nie dało się wykonać uderzenia młotkiem ze względu na zbyt małą średnicę wierzchołka narzędzia, która wynosiła 0,5 mm. Punkt 5 wybrano jako najbliższy wierzchołkowi narzędzia.

10. Modal syntesis, machine dynamicsX Y
frequency
damping
2078
4.12%
2352
6.21%
2737
3.24%
2693
6.24%
4807
2.47%
4776
2.19%
10971
1.32%
11086
1.66%
Tu powiedzieć, że najważniejsze że widzimy częstotliwości rezonansowe i ta po prawej ok. 11kHz najważniejsza. Nie będę tego szczegółowo omawiał, bo to było przedmiotem wcześniejszych prac, funkcje przejścia w kierunkach prostopadłych do wrzeciona (X, Y)

11. Milling experiment
Powiedzieć że widać czujniki na wrzecionie i na przedmiocie obrabianym. Dalej prezentujemy wyniki z czujnika na wrzecionie, bo tam widoczne są największe różnice.

12. Surface topography measurement
Powiedzieć, że mikroskop konfokalny do pomiaru topografii powierzchni, powiedzieć, że wcześniejsze prace badawcze pokazały, że pomiar profilu to za mało, za mała różnica między wynikami i nie było różnicy dla z drganiami i bez drgan

13. C45 steel, 30 000 RPM Fully annealed Normalized As delivered fz=1 mm
Powiedzieć, że zrobiono, bardzo szybko przeskoczyć przez slajd. Jak potem będą pytania to wybrnąć z tego, że na rysunkach nie ma tej samej skali i to jest tylko przykład, pokazanie, że coś zrobiliśmy.
fz=4 mm

14. C45 steel, 30 000 RPM Fully annealed Normalized As delivered
Sa=0,065 mm
Sz=1,30 mm
Sa=0,045 mm
Sz=0,66 mm
Sa=0,073 mm
Sz=0,66 mm
fz=1 mm
Sa=0,071 mm
Sz=1,30 mm
Sa=0,050 mm
Sz=0,56 mm
Sa=0,061 mm
Sz=0,56 mm
fz=2 mm
Tutaj powiedzieć, że parametry chropowatości z konfokalnego w odniesieniu do subiektywnego wyglądu powierzchni.
Sa=0,11 mm
Sz=2,20 mm
Sa=0,082 mm
Sz=2,18 mm
Sa=0,086 mm
Sz=1,85 mm
fz=4 mm

15. C45 steel, 45 000 RPM Fully annealed Normalized As delivered fz=1 mm

16. C45 steel, 45 000 RPM Fully annealed Normalized As delivered
Sa=0,090 mm
Sz=1,22 mm
Sa=0,079 mm
Sz=0,76 mm
Sa=0,070 mm
Sz=0,62 mm
fz=1 mm
Sa=0,083 mm
Sz=1,79 mm
Sa=0,065 mm
Sz=0,77 mm
Sa=0,064 mm
Sz=0,63 mm
fz=2 mm
Sa=0,14 mm
Sz=2,14 mm
Sa=0,074 mm
Sz=0,90 mm
Sa=0,085 mm
Sz=1,24 mm
fz=4 mm

17. FFT, acceleration 30 000 RPM, normalized Sa=0,11 mm Sz=2,20 mm

18. FFT, acceleration 30 000 RPM, fully annealed Sa=0,082 mm Sz=2,18 mm
Tutaj powiedzieć, że mimo iż występują drgania to jakość powierzchni nie jest dużo gorsza
Sa=0,045 mm
Sz=0,66 mm

19. FFT, acceleration 30 000 RPM, as delivered Sa=0,086 mm Sz=1,85 mm

20. FFT, acceleration 45 000 RPM, normalized Sa=0,14 mm Sz=2,14 mm

21. FFT, acceleration 45 000 RPM, fully annealed Sa=0,074 mm Sz=0,90 mm

22. FFT, acceleration 45 000 RMP, as delivered Sa=0,085 mm Sz=1,24 mm

23. Cutting forces RMS
Fx (feed) RPM

24. Cutting forces RMS
Fy (cross-feed) RPM

25. Cutting forces RMS
Fz (axial) RPM

26. The highest vibration for smallest grain size (normalized steel)
Summary
The highest vibration for smallest grain size (normalized steel)
RPM best surface after full annealing
RPM best surface in „as delivered”
Highest vibration amplitude not always worst surface parameters
Vibarion occurs only for small feed per tooth
No correlation between grain size and cutting forces
Grain hardness afects cutting forces in axial direction (springback)
Powiedzieć, że normalizowanie ma największe drgania, bo najmniejsze przemieszczenia ziaren, najmniejsza przestrzeń między ziarnami, gdzie mogą się przemieścić.
Powiedzieć, że będą prowadzone dalsze badania w tym kierunku i zostanie zbudowany model procesu dający odpowiedź jakie dokładnie jest powiązanie .

27. Thank you