Effect of the different parameters to the surface roughness in freeform surface milling

2013.11.12.

19 November 2013, Budapest

Effect of the different parameters to the surface roughness in freeform surface milling Balázs MIKÓ Óbuda University

1

IESB 2013 - [email protected]

Abstract Effect of the different parameters to the surface roughness in free-form surface milling Balázs MIKÓ

Különböző paraméterek hatása a felületi érdességre szabad formájú felületek marása esetén MIKÓ Balázs

The free-form surface milling is an important part of the die and mould manufacturing. The surface quality is very important, and identifies the quality of the moulded or casted part. In case of finishing milling of the free-form surface the surface roughness is defined by the size of the milling cutter, the position of the surface and the cutting parameters.

Szabad formájú felületek marása a szerszámgyártás fontos lépése. A felület minősége nagyon fontos, mivel ez határozza meg az öntött alkatrész felületi minőségét. Szabad formájú felületek simító marása esetén a felületi érdességet a szerszám mérete, a felület elhelyezkedése és a forgácsolási paraméterek határozzák meg.

The presentation presents the changing of the milling diameter and its effect to the surface roughness based on milling experiments of a test part. The position of the surface and the step depth determine the effective diameter, in case of constant revolution of the tool, the actual cutting speed and the minimal removable chip thickness will change.

Az előadás bemutatja a maró szerszám dolgozó átmérőjének változását és ennek hatását a felületi érdességre gömbvégű szerszámmal végzett felületmarás esetén. A dolgozó átmérőt a felület elhelyezkedése és a fogásmélység határozza meg, állandó fordulatszám esetén tehát a forgácsolási sebesség és ezáltal a leválasztható forgács vastagság változik.

The presentation presents the effect of the application of the constant cutting speed and feed per tooth to the surface quality.

Az előadás az állandó forgácsolási sebesség és fogankénti előtolás mellett végzett kísérletek eredményeit mutatja be.

2


1

2013.11.12.

Surface quality of a 3D surface Fine parameters (ae; ap)

Good surface quality Long manufacturing time Find optimal parameters 3


Milling technology Revolved milling cutter vc / vf / ap / ae Roughing/ Finishing 2.5D / 3D / 5D CNC / CAM Volume milling Z-level milling 3D surface milling

4


2

2013.11.12.

Surface milling method Shallow surface finishing Milling cutter: Ball end milling cutter

Cutting parameters (vc (n) / vf / ap / ae) Scanning strategy Surface quality vs. Tool path

5


Equipments

45

Mazak Nexus 410A-II CNC manufacturing centre Tool: Ball end milling cutter Fraisa U5286.501 Dc = 12 mm

Material: 42CrMo4 (1.7225) (300 HB, Rm ≈ 1000 MPa)

Surface roughness: Mitutoyo Surftest SJ – 301

Cutting force: KISTLER 9257 A 6


3

2013.11.12.

CAM process in CATIA v5 • Roughing

• Pre-finishing

• Finishing 7


Plan of the experiment Fraisa 5286.501 Dc = 12 mm R = 6 mm vc = 280 / 210 / 140 n = 7430 / 5570 / 3715 fz = 0.085 z= 2 vf = 1265 / 950 / 630 ae = 0.8 / 0.5 / 0.2 ap = 0.2 A = 0° / 90° / 45 °

8

m/min 1/min DOE mm mm/min mm mm

Zone 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

n 7430 5570 3715 3715 5570 7430 7430 5570 7430 5570 3715

ae 0.2 0.5 0.8 0.2 0.5 0.8 0.5 0.8 0.2 0.5 0.8

A 90 90 90 0 0 0 0 90 45 45 45


4

2013.11.12.

Results (example)

Z5 n = 5570 ae = 0.5 A=0

Z10 n=5570 ae= 0.5 A=45

9

Z2 n=5570 ae= 0.5 A=90


Ra5(y) 3.00 2.50

Ra [μm]

2.00 1.50 5

N1

1.00

N2

N3

N4

N5

0.50 0.00

10

15

30

2.9

11.5

45 y [mm]

60

70

20.4 N [°]

30

36.9


5

2013.11.12.

Conflict D

Ra 3.00

Ra [μm]

2.50

ae

2.00 1.50

α

5

1.00 0.50 0.00 15

30

45 y [mm]

60

70

Ch α ae

Ch

Ch [μm]

10.00 8.00

2

6.00 4.00

5

2.00

D  D   ae  Ch = −   −   2  2   2 ⋅ cos α 

2

0.00 15

30

45 60 y [mm]

70


11

Working diameter D

Deff _ 1 = D ⋅ sin( β + α )

Deff _ 2 = D ⋅ sin( β − α ) β

α β

Deff_1 Deff_2

ap

D  − ap β = arccos 2  D   2

α

     

β +α

D 2 Deff _ 1

12


2

6

2013.11.12.

Z5 – Deff hmin 70.0 60.0 Deff_1CAD 10 20 30 40 50 60 70 80

y [mm]

vc(y) - CAD

40.0 hmin_1

30.0

hmin_2

20.0

180.0

vc [m/min]

50.0

Deff_2CAD hmin[µm]

Deff [mm]

Deff(y) - CAD 10 8 6 4 2 0 -2 0 -4 -6 -8

10.0

130.0 80.0

vc_1CAD

0.0 0

vc_2CAD

10

20

30.0 -20.0 0

30 40 50 y [mm]

h min = 84 ⋅ v c

10 20 30 40 50 60 70 80 y [mm]

− 0 .7

60

70

⋅ rn

0 . 25

80

[µ m ]

by Sándor Sipos


13

New test sets No 5 12 13

Zone 13 N1 N2 N3 N4 N5

vc m/min 210* 210* 110

n 1/min 5570 5570 var.

Deff_1 mm 3.62 5.21 6.73 8.18 9.10

fz mm 0.085 0.085 0.085

n 1/min 9700 6700 5200 4300 3900

vf mm/min 950 950 var.

ae mm 0.5 0.5 0.5

Milling direction Top-down, zig-zag Down-top, zig-zag Down-top, zig-zag

vf mm/min 1649 1139 884 731 663

* In case of Dc=12 mm 14


7

2013.11.12.

Sets n 12000

150.0

10000

100.0 5 50.0

12

0.0 -50.0

13 2.9

11.5

-100.0

20.4

30

n [1/min]

vc [m/min]

vc - real 200.0

36.9

8000 6000

5

4000

12

2000

13

0

N [°]

2.9

11.5

hmin

20.4 N [°]

30

36.9

12.0

hmin [μm]

10.0 8.0 6.0

5

4.0

12

2.0

13

0.0 2.9

11.5

20.4 N [°]

30

15

36.9


Results: Surface roughness Ra

Rz

3.00

20.00 15.00

2.00 1.50

5

1.00

12

0.50

13

0.00

Rz [μm]

Ra [μm]

2.50

5

10.00

12 5.00

13

0.00 2.9

11.5

20.4 N [°]

30

36.9

2.9

11.5

20.4 N [°]

30

36.9

Cusp Height 20.00

CH [μm]

15.00 10.00 5.00 0.00 2.9

16

11.5

20.4 N [°]

30

36.9


8

2013.11.12.

Conclusions Surface roughness is predicted by Tool parameters Cutting parameters Surface parameters Tool path

17


Future work - Feedback loop Surface geometry Tool path data Tool geometry

Tool position Cusp height Surface roughness

Deff Cutting data

18


9

2013.11.12.

Thank You for Your Attention Dr MIKÓ Balázs PhD, Associate professor, Deputy-head of the Institute Óbudai University Bánki Donát Faculty of Mechanical and Safety Engineering Institute of Material Science and Manufacturing Engineering Add.: Tel.: Fax: E-mail:

H-1081 Budapest Népszínáz u. 8. +36-1-666-5408 +36-1-666-5480 [email protected]

Hungarian part of the project was realized through the assistance of the European Union, with the co-financing of the European Social Fund TÁMOP-4.2.1.B-11/2/KMR-2011-0001 „Researches on Critical Infrastructure Protection”. 19


10

Effect of the different parameters to the surface roughness in freeform surface milling

Recommend Documents