RESEARCH ARTICLE

3D finite element prediction of chip flow, burr formation, and cutting forces in micro end-milling of aluminum 6061-T6

  • A. DAVOUDINEJAD ,
  • P. PARENTI ,
  • M. ANNONI
Expand
  • Mechanical Engineering Department, Politecnico di Milano, Milan 20156, Italy

Received date: 09 Oct 2016

Accepted date: 29 Nov 2016

Published date: 19 Jun 2017

Copyright

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg

Abstract

Predictive models for machining operations have been significantly improved through numerous methods in recent decades. This study proposed a 3D finite element modeling (3D FEM) approach for the micro end-milling of Al6061-T6. Finite element (FE) simulations were performed under different cutting conditions to obtain realistic numerical predictions of chip flow, burr formation, and cutting forces. FE modeling displayed notable advantages, such as capability to easily handle any type of tool geometry and any side effect on chip formation, including thermal aspect and material property changes. The proposed 3D FE model considers the effects of mill helix angle and cutting edge radius on the chip. The prediction capability of the FE model was validated by comparing numerical model and experimental test results. Burr dimension trends were correlated with force profile shapes. However, the FE predictions overestimated the real force magnitude. This overestimation indicates that the model requires further development.

Cite this article

A. DAVOUDINEJAD , P. PARENTI , M. ANNONI . 3D finite element prediction of chip flow, burr formation, and cutting forces in micro end-milling of aluminum 6061-T6[J]. Frontiers of Mechanical Engineering, 2017 , 12(2) : 203 -214 . DOI: 10.1007/s11465-017-0421-6

1
Li H, Lai X, Li C, . Development of meso-scale milling machine tool and its performance analysis. Frontiers of Mechanical Engineering in China, 2008, 3(1): 59–65

DOI

2
Masuzawa T. State of the art of micromachining. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2000, 49(2): 473–488

DOI

3
Liu X, DeVor R E, Kapoor S G. An analytical model for the prediction of minimum chip thickness in micromachining. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2005, 128(2): 474–481

DOI

4
Bao W Y, Tansel I N. Modeling micro-end-milling operations. Part I: Analytical cutting force model. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2000, 40(15): 2155–2173

DOI

5
Arrazola P J, Özel T, Umbrello D, . Recent advances in modelling of metal machining processes. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2013, 62(2): 695–718

DOI

6
Maurel-Pantel A, Fontaine M, Thibaud S, . 3D FEM simulations of shoulder milling operations on a 304L stainless steel. Simulation Modelling Practice and Theory, 2012, 22(3): 13–27

DOI

7
Rubio L, De la Sen M, Longstaff A P, . Analysis of discrete time schemes for milling forces control under fractional order holds. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2013, 14(5): 735–744

DOI

8
Özel  T, Altan  T. Modeling of high speed machining processes for predicting tool forces, stresses and temperatures using FEM simulations. In: Proceedings of the CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations. Atlanta, 1998

9
Özel T, Altan T. Process simulation using finite element method prediction of cutting forces, tool stresses and temperatures in high-speed flat end milling. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2000, 40(5): 713–738

DOI

10
Liu K, Melkote S N. Finite element analysis of the influence of tool edge radius on size effect in orthogonal micro-cutting process. International Journal of Mechanical Sciences, 2007, 49(5): 650–660

DOI

11
Nasr M N A, Ng E G, Elbestawi M A. Modelling the effects of tool-edge radius on residual stresses when orthogonal cutting AISI 316L. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, 47(2): 401–411

DOI

12
Afazov S M, Ratchev S M, Segal J. Modelling and simulation of micro-milling cutting forces. Journal of Materials Processing Technology, 2010, 210(15): 2154–2162

DOI

13
Özel T, Liu X, Dhanorker A. Modelling and simulation of micro-milling process. In: Proceedings of the 4th International Conference and Exhibition on Design and Production of Machines and Dies/Molds. 2007

14
Jin X, Altintas Y. Prediction of micro-milling forces with finite element method. Journal of Materials Processing Technology, 2012, 212(3): 542–552

DOI

15
Thepsonthi T, Özel T. Experimental and finite element simulation based investigations on micro-milling Ti-6Al-4V titanium alloy: Effects of cBN coating on tool wear. Journal of Materials Processing Technology, 2013, 213(4): 532–542

DOI

16
Woon K S, Rahman M, Neo K S, . The effect of tool edge radius on the contact phenomenon of tool-based micromachining. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2008, 48(12–13): 1395–1407

DOI

17
Wu H, Zhang S. 3D FEM simulation of milling process for titanium alloy Ti6Al4V. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 71(5–8): 1319–1326

DOI

18
Yang K, Liang Y, Zheng K, . Tool edge radius effect on cutting temperature in micro-end-milling process. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, 52(9–12): 905–912

DOI

19
Thepsonthi T, Özel T. 3-D finite element process simulation of micro-end milling Ti-6Al-4V titanium alloy: Experimental validations on chip flow and tool wear. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 221: 128–145

DOI

20
Chen,  M, Ni  H, Wang  Z, . Research on the modeling of burr formation process in micro-ball end milling operation on Ti-6Al-4V. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2012, 62(9): 901–912

21
Advantedge T W.User manual for Third Wave AdvantEdge Version 6.2.011, USA

22
Man X, Ren D, Usui S, . Validation of finite element cutting force prediction for end milling. Procedia CIRP, 2012, 1: 663–668

DOI

23
Davoudinejad A, Chiappini E, Tirelli S, . Finite element simulation and validation of chip formation and cutting force in dry and cryogenic cutting of Ti-6Al-4V. Procedia Manufacturing, 2015, 1: 728–739

DOI

24
Arrazola P J, Özel T. Investigations on the effects of friction modeling in finite element simulation of machining. International Journal of Mechanical Sciences, 2010, 52(1): 31–42

DOI

25
Özel T. The influence of friction models on finite element simulations of machining. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(5): 518–530

DOI

26
Kim K W, Lee W Y, Sin H C. A finite element analysis for the characteristics of temperature and stress in micro-machining considering the size effect. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1999, 39(9): 1507–1524

DOI

27
Al-Qutub A M, Khalil A, Saheb N, . Wear and friction behavior of Al6061 alloy reinforced with carbon nanotubes. Wear, 2013, 297(1–2): 752–761

DOI

28
Bathurst S P, Kim S G. Designing direct printing process for improved piezoelectric micro-devices. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2009, 58(1): 193–196

DOI

29
Annoni M, Pusterla N, Rebaioli L, . Calibration and validation of a mechanistic micromilling force prediction model. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2015, 138(1): 011001

DOI

30
Hashimura M, Hassamontr J, Dornfeld D A. Effect of in-plane exit angle and rake angles on burr height and thickness in face milling operation. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 1999, 121(1): 13–19

DOI

31
Davoudinejad A. 3D finite element modeling of micro end-milling by considering tool run-out, temperature distribution, chip and burr formation. Dissertation for the Doctoral Degree. Milan: Polytechnic University of Milan, 2016

32
JohnsonG R, Cook W H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures. In: Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics. The Hague, 1983, 541–547

33
Calamaz M, Coupard D, Girot F. A new material model for 2D numerical simulation of serrated chip formation when machining titanium alloy Ti-6Al-4V. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2008, 48(3–4): 275–288

DOI

Outlines

/