Исследование сил резания и обрабатываемости при фрезеровании порошковой коррозионно-стойкой стали, полученной по технологии прямого лазерного выращивания (LMD)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Аддитивные технологии производства приближенных по геометрической форме заготовок требуют постобработки. Это относится к применению режущего инструмента на операциях фрезерования при обработке ответственных поверхностей. К последним предъявляются высокие требования по точности линейно-угловых размеров и качеству поверхностного слоя. Актуальной задачей остаётся увеличение производительности обработки при регистрации сил резания и шероховатости поверхности для выработки технологических рекомендаций. Цель работы: экспериментальное определение режимов резания, обеспечивающих наибольшую производительность при фрезеровании концевыми твёрдосплавными фрезами LMD-заготовок (Laser Metal Deposition) из стали 12Х18Н10Т при сохранении работоспособности фрезы и требуемой шероховатости. В работе исследованы свойства и микроструктуры образцов, полученные вдоль и поперёк направления выращивания. Установлено и формализовано влияние подачи (при движении фрезы поперёк и вдоль направления выращивания), глубины и ширины фрезерования, а также скорости на составляющие силы резания и шероховатость обработанных поверхностей при встречном фрезеровании заготовок из LMD-стали 12Х18Н10Т концевыми фрезами из твёрдого сплава H10F диаметром 12 мм без износостойкого покрытия. Методами исследования являются динамическое измерение всех трёх составляющих силы резания с использованием трёхкомпонентного динамометра и измерение шероховатости профилометром-профилографом. Состояние и микрогеометрии режущих кромок контролировались до и после фрезерования с использованием сканирующей оптической и растровой электронной микроскопии. Результаты и обсуждение. Показано различие в силах резания в зависимости от схемы фрезерования – вдоль и поперёк направления выращивания. Исследования показали, что глубина фрезерования и скорость резания мало влияют на боковую и осевую составляющие силы резания. Сила подачи существенно увеличивается при увеличении глубины резания, особенно при подаче поперёк направления выращивания образца. Установлено, что все три составляющие силы резания прямо пропорциональны величине минутной подачи. Получены уравнения расчёта всех трёх составляющих силы резания при изменении минутной подачи.

Об авторах

А. С. Бабаев

Email: temkams@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2334-1679
канд. техн. наук, Национальный исследовательский Томский государственный университет, пр. Ленина, 36, г. Томск, 634050, Россия, temkams@mail.ru

В. Н. Козлов

Email: kozlov-viktor@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-9351-5713
канд. техн. наук, доцент, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия, kozlov-viktor@bk.ru

А. Р. Семёнов

Email: artems2102@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8663-4877
Национальный исследовательский Томский государственный университет, пр. Ленина, 36, г. Томск, 634050, Россия, artems2102@yandex.ru

А. С. Шевчук

Email: shvpro@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0003-5272-4350
Национальный исследовательский Томский государственный университет, пр. Ленина, 36, г. Томск, 634050, Россия, shvpro@yandex.ru

В. А. Овчаренко

Email: vag14@tpu.ru
ORCID iD: 0009-0000-4797-5604
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия, vag14@tpu.ru

Е. А. Сударев

Email: sudarev@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0002-5596-4048
канд. техн. наук, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия, sudarev@tpu.ru

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии 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».