• No results found

Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron Materials : Design and Production Planning Perspective on Cylinder Block Manufacturing

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron Materials : Design and Production Planning Perspective on Cylinder Block Manufacturing"

Copied!
89
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Criteria for Machinability Evaluation 

of Compacted Graphite Iron Materials

 

Design and Production Planning Perspective on Cylinder Block Manufacturing       

ANDERS BERGLUND 

Doctoral thesis                        KTH Royal Institute of Technology  Department of Production Engineering  Machine and Process Technology    Stockholm, Sweden 2011 

(2)

    TRITA‐IIP‐2011‐10  ISSN 1650‐1888  ISBN 978‐91‐7501‐159‐2    KTH Industriell produktion     Maskin och processteknologi  SE‐100 44 Stockholm, Sverige    Akademisk avhandling som med tillstånd av Kungliga Tekniska högskolan framlägges  till  offentlig  granskning  för  avläggande  av  teknologie  doktorsexamen  i  industriell  produktion  fredagen  den  2  december  2011  kl  09:00  i  sal  F3,  Kungliga  Tekniska  högskolan, Lindstedtsvägen 26, Stockholm. 

 

Copyright © Anders Berglund   

(3)

 

ABSTRACT

 

The  Swedish  truck  industry  is  looking  for  new  material  solutions  to  achieve  lighter  engines  with  increased  strength  to  meet  customer  demands  and  to  fulfil  the  new  regulations  for  more  environmentally  friendly  trucks.  This  could  be  achieved  by  increasing  the  peak  pressure  in  the  cylinders.  Consequently,  a  more  efficient  combustion is obtained and the exhaust lowered. This, however, exposes the engine  to higher loads and material physical properties must therefore be enhanced. One  material  that  could  meet  these  demands  is  Compacted  Graphite  Iron  (CGI).  Its  mechanical and physical properties make it ideal as cylinder block material, though  there  are  drawbacks  concerning  its  machinability  as  compared  to  other  materials  that are commonly used for the same purpose. Knowledge about machining of the  material and its machinability is consequently inadequate.  

The  main  goal  of  this  thesis  is  to  identify  and  investigate  the  effect  of  the  major  factors  and  their  individual  contributions  on  CGI  machining  process  behaviour.  When  the  relationship  between  the  fundamental  features;  machinability,  material  microstructure, and material physical properties, are revealed, the CGI material can  be  optimized, both  regarding  the  manufacturing process and design  requirements.  The basic understanding of this is developed mainly through experimental analysis  as, e.g., machining experiments and material characterization. 

The  machining  model  presented  in  this  thesis  demonstrates  the  influence  of  material  and  process  parameters  on  CGI  machinability.  It  highlights  machinability  from  both  design  and  production  planning  perspectives.  Another  important  objective  of  the  thesis  is  an  inverse  thermo−mechanical  FE  model  for  intermittent  machining of CGI. Here, experimental results obtained from a developed simulated  milling  method  are  used  as  input  data,  both  to  calibrate  and  validate  the  model.  With  these  models,  a  deeper  understanding  is  obtained  regarding  the  way  to  achieve a stable process, which is the basis for future optimization procedures. The  models  can  therefore  be  used  as  a  foundation  for  the  optimization  of  CGI  component manufacturing. 

 

Keywords:  Metal  Cutting,  Compacted  Graphite  Iron  (CGI),  Machinability,  Design  of  Experiments (DoE), Inverse Finite Element (FE) Modelling, Simulated Milling Method  

(4)
(5)

 

PREFACE

 

This  doctoral  thesis  is  based  on  research  work  conducted  at  the  department  of  Production  Engineering  at  the  Royal  Institute  of  Technology  in  Stockholm,  Sweden  during 2006 to 2011. It has been supported by the VINNOVA MERA program and the  VINNOVA FFI program.   

This work would not have been possible without the support of several people. To  start  with,  I  would  like  to  show  gratitude  and  respect  towards  my  supervisor,  Professor  Cornel  Mihai  Nicolescu,  for  sharing  his  deep  knowledge  in  the  field  of  metal cutting and teaching me scientific thinking. He has always supported me and  made time for me in his otherwise so busy schedule. Secondly, a special thank to my  roommates Dr Andreas Archenti and Tech Lic Mathias Werner. Thanks Andreas for  your positive attitude. It has been very motivating to work with you and you have  given me great ideas. However, most of all I would like to thank you for being such a  good friend. Thanks Mathias, for your support, it has been a pleasure to work with  you.  My  colleague  and  dear  friend,  Tech  Lic  Lorenzo  Daghini  is  also  acknowledged  for  always  having  his  door  open  to  me  and  helping  out  in  all  situations.  You  have  also introduced me to the Italian culture.   

All my other colleagues and friends at the department of Production Engineering are  also  recognized  for  giving  me  the  opportunity  to  work  in  such  a  stimulating  environment.  Thanks  for  showing  me  great  patience  when  spreading  CGI  graphite  dust  in  the  workshop  during  the  years  of  machining  thousands  of  kilos  cast  iron  workpieces.  A  special  acknowledgement  goes  to  technician  Mr  Jan  Stamer  for  his  technological  creativity  and  deep  knowledge  in  all  fields  which  has  been  very  inspiring. Your help during preparation and execution of all machining experiments  has been invaluable. Thank you, Dr Thomas Lundholm for initiating the “Fredagsrus”  tradition  and  making  us  push  ourselves  to  the  limit  in  the  running  tracks  of  Lill‐ Jansskogen.     

I also appreciate the help from all other members in the OPTIMA CGI and OPTIMA  phase  two  project;  Scania,  Volvo  Powertrain,  Sandvik  Coromant,  Sintercast,  Novacast,  Federal‐Mogul,  Chalmers  University  of  Technology,  Jönköping  University   and Swerea SWECAST. A special thank to Dr Henrik Svensson at Swerea SWECAST for  material  characterization  and  to  Mikael  Hedlind  at  KTH  for  workpiece  design  contribution to the development of the simulated milling method.  Finally I would like to thank my family.  Hope you will have a good reading.            Stockholm, November 2011 

(6)
(7)

            ”Ett materials bearbetbarhet är en synnerligen sammansatt  egenskap,  varför  det  fordras  en  ganska  omfattande  utrustning  för  att  densamma  på  ett  rationellt  sätt  skall  kunna bestämmas.   

Bortsett  från  att  alla  prov  måste  utföras  av  tränad,  kunnig  och erfaren personal, måste den tekniska utrustningen vara  speciellt  avpassad  för  försöksändamål.  Försöken  måste  nämligen  utföras  laboratoriemässigt,  men  det  oaktat  i  möjligaste  mån  i  verkstadsmässig  form,  för  att  de  erhållna  resultaten skola bli så användbara som möjligt.”     Professor Ragnar Woxén, 1944         

(8)
(9)

 

TABLE OF CONTENTS

  PUBLICATION LIST ... XI  NOMENCLATURE AND ABBREVIATIONS ... XIII  INTRODUCTION ... 1  1.1  Project and research background ... 1  1.2  Scope and aim of the thesis ... 2  1.3  Thesis outline and relation to the appended papers ... 4  STATE OF THE ART, CGI MATERIAL PROCESSING ... 5  2.1  Compacted Graphite Iron (CGI) ... 5  2.2  CGI machining process behaviour ... 8  2.3  Cutting tool temperature modelling ... 12  A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES ... 13  3.1  Method to evaluate machinability ... 15  3.2  Influence of microstructure on CGI machinability in milling ... 17  3.3  Influence of carbide promoting elements on CGI machinability in milling ... 22  3.4  Influence of cutting parameters on CGI machinability in milling ... 28  3.5  Machinability of CGI from a process planning perspective ... 35  A NOVEL METHOD TO STUDY THE CHARACTERISTICS OF THE INTERMITTENT  CUTTING PROCESS ... 45  4.1  Simulated milling in turning operation ... 45  4.2  Experimental evaluation of the technique ... 48  4.3  Conclusions ... 53  AN INVERSE THERMO–MECHANICAL FE MODEL FOR INTERMITTENT  MACHINING OF CGI ... 55  5.1  Thermo−mechanical FE model for intermi ent machining of CGI ... 55  5.2  Conclusions ... 64  DISCUSSION AND CONCLUSIONS ... 65  6.1  Discussion and conclusions ... 65  6.2  Future research ... 66  REFERENCES ... 69  APPENDED PAPERS ... 75     

(10)
(11)

 

PUBLICATION LIST

  APPENDED PAPERS    The following papers constitute the basis of this thesis.   Paper A  Berglund, A., Nicolescu, C.M., Richnau, K., “Effect of carbide promoting 

elements  on  CGI  material  processing”,  Proceedings  of  CIRP  2nd  International  Conference  on  Process  Machine  Interactions,  Vancouver,  Canada, 2010, ISBN: 978‐0‐9866331‐0‐2 

Paper B  Berglund,  A,  Nicolescu,  C.M.,  Svensson,  H., “The Effect of Interlamellar 

Distance  in  Pearlite  on  CGI  Machining”,  ICME  2009:  International 

Conference on Mechanical Engineering, Tokyo, Japan, 2009, ISSN: 2070‐ 3740 

Paper C  Berglund,  A.,  Grenmyr,  G.,  Nicolescu,  C.M.,  Kaminski,  J.,  “Analysis  of 

Compacted  Graphite  Iron  Machining  by  Investigation  of  Tool  Temperature  and  Cutting  Force”,  Proceedings  of  1st  International  Conference  on  Process  Machine  Interactions,  Hannover,  Germany,  2008, ISBN: 978‐3‐939026‐95‐2 

Paper D  Berglund,  A.,  Nicolescu,  C.M.,  “Investigation  of  the  Effect  of 

Microstructures  on  CGI  Machining”,  The  Swedish  Production 

Symposium, Gothenburg, Sweden, 2007, TRITA‐IIP‐07‐06 

Paper E  Grenmyr,  G.,  Berglund,  A.,  Kaminski,  J.  and  Nicolescu,  C.M.,  “Investigation of tool wear mechanisms in CGI machining”, International  Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems, Vol. 4, No. 1, pp.  3–18, 2011, ISSN: 1753‐1039 

(12)

NOT APPENDED PAPERS 

 

The following papers contribute but are not appended to this thesis. 

Paper F  Berglund, A., Archenti, A., Nicolescu, C.M., “Analytical modelling of CGI 

machining  system  dynamic  behaviour”,  The  International  3rd  Swedish  production symposium, Gothenburg, Sweden, 2009 

Paper G  Grenmyr,  G.,  Berglund,  A.,  Kaminski,  J.,  Nicolescu,  C.M.,  “Analysis  of 

Machining  Compacted  Graphite  Iron (CGI)  by  Join  Investigation of  Tool  Temperature,  Cutting  Force  and  Tool  Wear”,  The  Swedish  Production 

Symposium, Stockholm, Sweden, 2008, TRITA‐IIP‐08‐12 

Paper H  Berglund, A., Nayyar, V., Nicolescu, C.M., Kaminski, J., “Machinability of 

Compacted Graphite Iron in Continuous and Intermittent Machining”, in 

manuscript 

Research work related to this thesis has also been presented in a licentiate thesis:  Berglund,  A.,  “Characterization  of  factors  interacting  in  CGI  machining: 

machinability,  material  microstructure,  material  physical  properties”,  Licentiate 

Thesis,  KTH  Royal  Institute  of  Technology,  Stockholm,  Sweden,  2008,  ISBN  978‐91‐7415‐158‐9   

(13)

 

NOMENCLATURE AND ABBREVIATIONS

  ALE     ‐    arbitrary lagrangian‐eulerian  ap  ‐    depth of cut [mm]  ae  ‐    width of cut [mm]  CGI  ‐    compacted graphite iron     cp  ‐    specific heat of the material [J/(kg∙K)]  Dc  ‐    diameter of the milling cutter [mm]  DoE  ‐    design of experiments      ‐    elastic modulus [GPa]  FE  ‐    finite element  fz  ‐    feed, milling [mm/tooth]  ‐    thermal conductivity [W/(m∙K)]  K0  ‐    thermal conductivity of unalloyed iron [W/(m∙K)]  LOM  ‐    light‐optic microscope  LGI  ‐    lamellar graphite iron    ‐    volumetric energy addition [W/m3]  ρ  ‐    density [kg/m3]  RCD  ‐    rotating cutting force dynamometer  Rp0.2  ‐    yield strength [MPa]  SEM  ‐    scanning electron microscope  SGI  ‐    spheroidal graphite iron   ‐    time [sec]    ‐    temperature [°C]  UTS  ‐    ultimate tensile strength [MPa]  vc  ‐    cutting speed [m/min]  γp  ‐    axial rake angle [°]  γf  ‐    radial rake angle [°]  κr  ‐    entering angle [°]  ‐    number of inserts 

(14)

   

(15)

 

1 INTRODUCTION

 

This  chapter  describes  the  background  of  the  research  project,  in  which  most  of  the  studies  presented  have been conducted. The structure of the thesis and the research approach are also addressed.   

1.1 Project and research background

The automotive industry in Sweden is of great importance to the general welfare of  the country. During 2010, 13% of the total industrial investment in Sweden was put  in the automotive industry and in the first quarter of 2011 12% of the total Swedish  export was linked to the automotive industry. Around 120 000 people were working  directly  in  the  automotive  industry  in  Sweden  in  2010.  Furthermore,  in  the  year  2009, during the global economic crisis 27% of all industrial investment in research  was  put  in  the  transportation  sector,  where  the  automotive  industry  is  the  dominating area [1], [2]. This is one reason why Swedish automotive companies are  so successful.  

One of the research projects that have been supported by the Swedish automotive  industry  together  with  the  Swedish  Governmental  Agency  for  Innovation  Systems  (VINNOVA) is the OPTIMA project, which started in 2006. The goal of the project was  to  study  the  interaction  between  the  machining  process,  the  material  and  the  casting  process  of  Compacted  Graphite  Iron  (CGI)  and  in  the  end  develop  a  machinability  and  casting  model  for  CGI.  The  reason  why  the  project  was  initiated  was the Swedish automotive industry’s great interest in the material. Its mechanical  and  physical  properties  (75%  higher  tensile  strength  [3])  make  it  ideal  as  cylinder  block  material,  though  there  are  drawbacks  concerning  its  machinability  as  compared to other materials that are commonly used as for the same purpose, e.g.,  gray  iron.  The  knowledge  about  machining  of  the  material  and  its  machinability  is  consequently inadequate. For a successful implementation of CGI as engine material  it is necessary to obtain deeper knowledge about the material and its machinability.  As  CGI  is  a  material  family  [4]  it  is  also  critical  to  investigate  the  effect  of  the  variation of chemical composition on machinability. This has initiate several research  studies  throughout  the  years  but  there  is  still  a  lack  of  deeper  knowledge  in  what  factors affect the machinability of CGI.     

In order to successfully implement CGI as cylinder block or cylinder head material, it  is  first  necessary  to  obtain  a  robust  machining  and  casting  process.  Then  it  is  possible to optimize the production lines to achieve the required process accuracy  and high productivity. Generally, a robust machining process is not affected by the  operator handling the machine, material variations or time factors. The robustness  of  the  machining  process  is  more  specifically  described  with  regards  to  a  certain  quantifiable response, e.g., surface roughness, tool life or machine down time. For  example, a machining process is robust, considering surface roughness, if the quality  of the surface stays within the tolerances, even if, e.g., a tougher material suddenly  is  introduced.  However,  in  order  to  achieve  a  robust  machining  process  it  is  first  essential to understand which factors affect the machining process behaviour, and  thereby  the  machinability.  It  is  only  when  these  factors  are  found,  and  their 

(16)

influence on the machining process behaviour is fully understood, that optimization  can  be  performed,  both  from  a  design  perspective  and  a  process  planning  perspective.  This  will  allow  for  a  highly  productive  component  manufacturing  with  high process accuracy.  

Design  perspective  refers  to  the  parameters  that  have  to  be  addressed  in  the  production  development  process  of  a  new  engine.  In  addition  to  the  usual  parameters related to the product functionality, in the early stage, proper material  physical  properties  for  the  engine  are  set.  The  material  physical  properties  of  the  engine are obviously of greatest importance for design but not sufficient. The cast  cylinder  block  will  need  to  be  machined  in  order  to  fulfil  the  engineering  requirements (e.g., geometrical tolerances). It is therefore, important that also the  machinability  of  the  material  is  considered  in  this  early  stage.  In  this  thesis,  the  major focus is on machining of cylinder blocks. No consideration is therefore taken  on  the  design  requirements,  regarding  material  physical  properties  of  the  engine,  even if these cannot by any means be neglected.    

1.2 Scope and aim of the thesis

The  main  goal  of  this  thesis  is  to  identify  and  investigate  the  effect  of  the  major  factors  and  their  individual  contributions  on  CGI  machining  process  behaviour.  When  the  relationship  between  the  fundamental  features;  machinability,  material  microstructure, and material physical properties, are revealed, then the CGI material  can  be  optimized,  both  regarding  the  manufacturing  process  and  design  requirements. A machinability model will be presented that demonstrates the most  important  features  affecting  intermittent  machining  of  CGI.  The  model  consists  in  two sub‐models, see Figure 1.  

   

Figure 1: Illustration of the CGI machinability model with its two sub‐models. 

The  first  sub‐model  is  a  CGI  machining  model  for  milling,  illustrating  machinability  both from a design perspective and from a process planning perspective. This model  is  mainly  developed  based  on  the  results  of  three  larger  full  factorial  design  of  experiments (DoE) studies. Full factorial studies have advantages over “one factor at  the time studies” as they not only show single factor effects but also illustrate the 

CGI Machinability model

Sub‐model:

CGI Machining model

Sub‐model:

Inverse Thermo−Mechanical FE model

(17)

INTRODUCTION  

factors´  relation  to  each  other.  The  presented  machining  model  in  this  thesis  is  based solely on full factorial DoE studies, in contrast to most other published work  concerning machinability of CGI.    

The other sub‐model is an inverse thermo−mechanical Finite Element (FE) model for  intermittent  machining  of  CGI.  This  model  illustrates  the  thermal  and  mechanical  load distributions on the chip and insert. These are important factors affecting tool  wear. The model is required as it is difficult to investigate the cutting zone physics  during chip removal, especially in milling, as sensor placement is difficult and often  practically undoable due to the rotating cutting tool. Experimental results have been  used  as  input  data  in  the  model.  E.g.,  the  used  CGI  material  model  in  the  FE  representation is described by the material physical properties and by the response  of the material to thermal and mechanical stresses as obtained from experimental  investigations.  Furthermore,  IR  camera  measurements  of  cutting  tool  temperature  have  been  performed  in  intermittent  machining  of  CGI  and  used  to  both  calibrate  and validate the FE model.   

A complete characterization of the machinability of CGI is not possible as there are  many factors that affect the machining process behaviour of the material. However,  by  focusing  on  the  most  significant  factors  and  keeping  other  factors  constant,  important trends can be found.  

No attempt will be made to optimize the material or the machining process in this  thesis.  This  should  be  done  with  respect  to  the  specific  design  requirements  and  manufacturing  process  and  system  for  the  existent  component  manufacturing  situation. However, the model presented in this thesis may be used as a foundation  for optimization procedures concerning:  

1. Optimization  of  the  CGI  chemical  composition  and  thereby  establishing  decision rules for material design. 

2. Process  planning,  as  selecting  proper  process  parameters  for  the  specific  CGI  component  manufacturing  situation.  From  a  process  planning  perspective,  the  model  can  be  used  not  only  when  selecting  the  basic  process parameters, as cutting speed and feed, but also when considering  component  configuration,  milling  cutter  positioning  with  respect  to  the  workpiece, milling cutter diameter and number of inserts.  

The  work,  presented  in  this  thesis,  is  related  to  face  milling  of  CGI.  However,  the  methodology  used  for  acquiring  deeper  understanding  of  the  machining  process  behaviour  of  the  material  is  general,  and  could  be  extended  to  other  types  of  materials or in other machining operations, e.g., turning and drilling. In this thesis,  the  same  type  of  standard  cemented  carbide  insert  with  K20W  coating  has  been  used  for  all  machining  experiments  in  the  different  DoE  studies.  The  choice  of  the  cutting insert was motivated by the fact that it is the most commonly used cutting  insert and also the recommended insert for face milling of both gray iron machining  and  CGI  machining,  at  least  in  rough  machining  of  cylinder  blocks,  which  is  an  important case study in this thesis. The choice of coated cemented carbides has also  shown  relatively  high  performance,  in  relation  to  gray  iron.  It  is  therefore  not  economically justified to go over to other more expensive tools such as CBN. As the  same  type,  and  number  of  inserts,  has  been  used  for  all  experiments,  common  conclusions  for  all  DoE  studies  can  be  drawn.  The  same  type  of  milling  cutter  has  also  been  used  for  all  machining  experiments.  Furthermore,  all  machining 

(18)

experiments  have  been  performed  in  the  same  machining  centre,  with  the  same  type  of  clamping.  However,  some  results  have  been  verified  in  industrial  environment,  such  as  milling  of  real  cylinder  block  components.  Reference  cutting  data  have  been  used  in  all  DoE  studies  in  order  to  validate  the  results  from  the  different experiments.  

1.3 Thesis outline and relation to the appended papers

Five  appended  papers  constitute  the  basis  of  this  thesis  (four  conference  contributions  and  one  journal  paper).  The  thesis  has  six  chapters.  There  is  a  short  introduction to each chapter that address what will be discussed.  

The  second  chapter  of  the  thesis  is  a  state‐of‐the  art  study  of  CGI  material  processing and modelling of cutting tool temperature, introducing the reader to the  subject  of  CGI  machining.  The  third  chapter  illustrates  some  important  factors  affecting CGI machinability. Here, the CGI machining model will be presented. These  results come from several machining experiments. This chapter is based on Paper A,  B,  D  and  E.  In  Paper  A,  the  effect  of  carbide  promoting  elements  on  CGI  machinability is investigated. Paper B and D illustrate the effect of microstructure on  CGI machinability. Paper E, contributes to the CGI machining model demonstrating  the effect of microstructure on CGI tool wear behaviour. 

In the fourth chapter the cutting tool temperature will be evaluated in intermittent  machining  of  CGI.  A  novel  method  will  be  presented  which  enables  a  milling  operation  to  be  reproduced  in  turning  application.  This  method  opens  new  possibilities  for  refined  studies  of  the  intermittent  machining  process  behaviour.  This is achieved by the development of a novel method applied to a special designed  workpiece.  

The  fifth  chapter  illustrates  a  developed  inverse  thermo−mechanical  FE  model  in  intermittent machining of CGI. Data is extracted from the cutting tool temperature  studies,  presented  in  Chapter  4,  and  used  both  to  calibrate  and  validate  the  FE  model.  Furthermore,  results  obtained  from  material  characterization are  also  used  in the FE model. The FE model, presented in this chapter, is a developed version of  the model presented in Paper C.  

The  last  chapter  concludes  the  work  and  addresses  some  opportunities  for  future  research in the field. 

(19)

 

2 STATE OF THE ART, CGI MATERIAL

PROCESSING

 

The  first  section  of  this  chapter  introduces  the  CGI  material  to  the  reader.  Then,  a  state‐of‐the‐art  is  presented,  regarding  CGI  machining,  focused  on  milling.  Some  earlier  work  in  the  field  of  temperature  modelling is also addressed. 

 

2.1 Compacted Graphite Iron (CGI)

Cast iron is a family of alloys divided into several classes, defined by their graphite  morphology and metallic matrix structure. There are mainly three different classes  of  cast  irons  classified  by  their  graphite  morphology;  lamellar  graphite  iron  (LGI),  compacted  graphite  iron  (CGI)  and  spheroidal  graphite  iron  (SGI).  LGI,  commonly  known as gray iron or flake graphite iron has a stable eutectic with graphite shaped  as  lamellas  or  flakes,  see  Figure  2a.  In  Figure  2c,  SGI  is  illustrated.  It  is  also  called  ductile iron or nodular cast iron and has a stable eutectic with the graphite shaped  as spheroids or nodules. The third class of cast iron is CGI which has a stable eutectic  with  a  worm‐like  shaped  graphite,  also  called  compacted  graphite  or  vermicular  graphite, see Figure 2b [5].  

     

(a)  (b)  (c) 

Figure 2:  Microstructure of (a) gray iron, (b) CGI and (c) ductile iron (source Sintercast). 

According to the ISO standard 16112:2006, proper CGI should contain a minimum of  80%  of  the  graphite  particles  in  vermicular  form  and  no  flake  graphite  should  be  present.  In  other  words;  the  nodularity  should  not  exceed  20%  [6].  The  nodularity  value  is  a  measure  of  the  roundness  of  the  graphite  particles.  A  cast  iron  material  with a nodularity of 100%, solely contain graphite nodules and it is therefore ductile  iron.  

(20)

In order to obtain the nodularity value, first a two‐dimensional polished surface of  the material needs to be prepared. The surface will be studied with image analysis.  The roundness shape factor is needed according to  

4

  Equation 1 

where  A  is  the  area  of  the  graphite  particle,  lm  is  the  maximum  axis  length  of  the 

graphite  particle  and  Am is  the  area  of  a  circle  with  the  diameter  lm.  Secondly,  the 

roundness  value  of  each  graphite  particle  in  the  polished  surface  is  used  to  differentiate between the three graphite forms. A graphite particle with a roundness  value of 0.625‐1.000 is considered to have nodular form (ISO form VI), a roundness  value of 0.525‐0.625 intermediate form (ISO form IV and V) and if it has a roundness  value  of  less  than  0.525  compacted  form  (ISO  form  III).  Flake  graphite  and  other  under modified structures are not included in the analysis, as they are not permitted  in the compacted graphite iron structure. Only graphite particles having lm exceeding 

10  µm  are  taken  into  account  in  the  evaluation.  The  percentage  of  nodularity  can  then be calculated with 

% ∑ 0.5 ∑

∑ 100 

Equation 2 

where  Anodules  is  the  area  of  graphite  particles  classified  as  having  nodular  form, 

Aintermediates is the area of graphite particles classified as having intermediate form and 

Aall particles is the total area of all graphite particles having lm exceeding 10 µm [5], [6].  

In  the  following  section,  the  procedure  to  produce  CGI,  its  material  physical  properties and its characteristics as engine material, will be presented.   

2.1.1 Casting of CGI

There are several commercial casting methods available on the market to produce  CGI, e.g., the Sintercast method [7], Graphyte batch and the Graphyte flow process  [8].  However,  the  basic  procedure  of  producing  CGI  is  to  carefully  monitor  and  control  the  amount  Magnesium  (Mg)  in  the  melt.  The  amount  of  Mg  affects  the  graphite  form,  and  therefore  also  the  material  physical  properties  of  the  cast  component  [9].  If  there  is  not  sufficient  magnesium,  the  graphite  begins  to  grow  with  a  flake  morphology  during  solidification,  which  reduces  the  strength  of  the  material  drastically.  Too  high  concentration  of  Mg,  on  the  other  hand,  leads  to  nodular  graphite  which  results  in  undesirable  properties  [7].  The  magnesium  content  must  be  controlled  simultaneously  with  the  inoculation  level  in  order  to  produce  high  quality  CGI  microstructures.  Postinoculation  can  suppress  carbide  formation,  practically  in  thin  walls  but  it  provides  more  sites  for  graphite  precipitation  which  favours  the  growth  of  spheroidal  rather  than  compacted  graphite particles [9].  

(21)

STATE OF THE ART, CGI MATERIAL PROCESSING 

The  chemical  composition  of  the  melt  also  affects  the  ferrite/pearlite  ratio.  This  strongly  affects  the  material  physical  properties  and  therefore  also  the  machinability.  The  pearlite  content  is  mainly  controlled  by  the  pearlite  promoting  elements  Copper  (Cu)  and  Tin  (Sn).  These  act  as  diffusion  barriers,  making  carbon  diffusion from the austenite into the graphite harder; hence pearlite will preferably  be formed at the solid state transformation [10].    

Two other parameters that need to be considered during casting are the cooling and  solidification  rate  which  are  affected  by  the  section  thickness.  These  parameters  influence  coarseness  of  the  pearlite  and  the  nodularity  and  thus  the  material  physical properties [9]. Overall, process control while casting CGI is highly important.  

2.1.2 Material physical properties of CGI

The  main  factors  setting  the  mechanical  properties  of  CGI  materials  both  at  room  temperatures  and  at  elevated  temperatures  are  the  graphite  morphology  and  the  metallic  matrix.  The  graphite  morphology  and  the  metallic  matrix  are  furthermore  mainly  affected  by  the  chemical  composition,  inoculation  level  and  the  section  thickness, as mention above. However since the matrix can be controlled in a similar  way for the different morphologies, the main difference in properties between the  cast irons will be due to the graphite morphology.  

In  gray  iron,  the  graphite  flakes  have  sharp  edges  which  give  the  material  its  characteristic properties. It has good damping properties and heat conductivity and  also  excellent  machinability.  On  the  negative  side,  gray  iron  has,  in  some  applications,  unsatisfactory  strength  and  thus  alloys  have  to  be  added,  leading  to  difficulties in machinability. Ductile iron has spheroidal shaped graphite particles; it  has  excellent  strength  to  the  cost  of  machinability,  and  also  presents  problems  in  casting. CGI has vermicular graphite particles, with stubby flakes and small amounts  of graphite spheroids, resulting in both material properties and foundry processing  characteristics  that  are  intermediately  between  those  of  gray  and  ductile  iron  [9],  [11].  It  exhibits  some  of  the  castability  of  gray  iron,  but  with  higher  strength  and  ductility. Compared to ductile iron, it has better thermal conductivity, machinability  and  damping  capacity  [12].  Typical  mechanical  properties  of  gray  iron,  CGI  and  ductile iron can be seen in Table 1.  

Table 1: Typical material physical properties of gray iron, CGI and ductile iron [13]. 

Property Gray Iron CGI Ductile Iron  Tensile strength [MPa] 250 450 750  Elastic modulus [GPa] 105 145 160  Elongation [%] 0 1.5 5  Thermal conductivity [W/(m∙K)] 48 37 28  Relative damping capacity 1 0.35 0.22  Hardness [BHN 10/3000] 179‐202 217‐241 217‐255  R‐B Fatigue [MPa] 110 200 250 

 

(22)

2.1.3 CGI as engine material

CGI is used in several applications today. Exhaust manifolds, hydraulic housings and  brackets,  and  to  large  castings  as  ingot  moulds,  are  some  examples  [9].  However,  CGI  has  also  great  potential  to  be  the  engine  material  of  tomorrow,  especially  regarding  heavy  duty  diesel  engines.  Today,  there  are  some  truck  diesel  engine  components produced in CGI, e.g.:   Scania V8 (16.4 L), cylinder block    Navistar (12.4 L), cylinder block     MAN (12.4 L), cylinder block   Hyundai (12.3 L) , cylinder head   Ford‐Otosan (9.0 L), cylinder block and cylinder head   DAF (12.9 L), cylinder block and cylinder head [14]  

The  main  motives  of  using  CGI  as  engine  material  are  the  characteristics  of  its  material physical properties, which are ideal for engine materials. Damping and heat  conductivity, are though not as good as for gray iron but it has, on the other hand,  superior  strength  [13].  When  comparing  the  material  with  aluminium,  there  are  studies that show higher power per weight ratio for the CGI engine, with the same  performance. This is because, due to its greater strength, the engine can be made  with lesser wall thickness [15].       

2.2 CGI machining process behaviour

Cast irons are the foremost common engine material for all manufacturers of heavy  trucks.  As  for  machining  of  all  other  materials,  much  information  about  the  machining  process  behaviour  that  occurs  during  cutting  of  cast  irons  can  be  extracted  from  studying  the  chip  formation  during  material  removal.  The  chip  formation  process  is  the  result  of  the  interaction  between  several  factors;  tool  geometry,  tool  material,  work  material  as  well  as  the  chosen  cutting  parameters.  These factors all contribute to the final component´s surface generated during the  chip formation process [16]. It is essential to understand this chip formation process  as  it  is  a  fundamental  parameter  that  affects  the  productivity  in  all  component  manufacturing [17]. This is therefore also essential when machining CGI.     

There are clear differences in the chip formation process when machining gray iron,  CGI and ductile iron. As gray cast iron materials contain flake graphite dispersed in a  silicon–iron matrix, the sharp edges of the flakes provide a very effective stress riser  for  the  machining  loads  exerted  by  the  cutting  edge.  When  the  shear  plane  approaches a graphite pocket, cracks start to propagate from the edge of the flake  and the iron fractures. The fracture starts at the stress riser and ends in an adjacent  pocket until the shear load builds up to the fracture strength of the next stress riser.  In  CGI,  the  graphite  form  is  vermicular.  When  machining  CGI,  it  will  shear,  as  for  gray, through a graphite pocket which has the least resistance to shear forces. The  round edges of the compacted graphite does not initiate cracks as easy as the sharp  edges  of  the  flake  graphite  in  gray  cast  iron  which  leads  to  higher  cutting  forces  when machining CGI. The chip formation during machining ductile iron is similar to  the  formation  during  steel  machining.  The  nodules  of  graphite  deforms  by  the 

(23)

STATE OF THE ART, CGI MATERIAL PROCESSING  compressive tool loads prior to the chip separation. The matrix does therefore not  crack, leading to the formation of a continuous chip over the tool edge [9], [18].   In the following section, a brief introduction to the known parameters affecting CGI  machinability will be presented.   

2.2.1 Influence of microstructure

The machinability of CGI is strongly dependent of the microstructure of the material.  It has been shown in previous research studies that CGI is a material family where  combinations  of  various  microstructures  span  over  a  wide  range  [4].  The  microstructure  affects  the  material  physical  properties  which  influence  the  machinability  parameters.  Therefore,  it  is  necessary  to  investigate  the  interaction  between  machinability,  material  microstructure  and  material  physical  properties  before  CGI  successfully  can  be  implemented  as  engine  material.  Dawson  et  al,  studied  this  interaction  and  showed  how  the  pearlite  content  and  nodularity  affected  the  tool  life  [13].  It  has  also  been  shown  in  other  studies  that  pearlite  content is the foremost important microstructural parameter affecting both the CGI  material physical properties and the CGI machinability [19], [20]. The nodularity of  the CGI material is also important as it affects the tool wear mechanisms, see Paper  E [21].  

The  components  being  manufactured  in  the  industry  today  are  rarely  plain  homogeneous  blocks,  on  which  many  studies  are  performed  in  the  research  labs.  Usually  real  components  have  various  section  thicknesses,  holes  and  slots.  This  strongly affect the microstructure and therefore also the machinability [19]. E.g., in a  cylinder  block,  which  has  different  section  thicknesses,  the  different  cooling  and  solidification rates during casting lead to an inhomogeneous microstructure [5], [9].  A  faster  solidification  rate,  in  the  thinner  sections,  leads  to  a  more  spheroidal  graphite  structure,  which  consequently  also  increases  the  tensile  strength  [22].  Further  it  also  increases  the  percentage  of  carbides  [23].  Heisser  showed  that  the  simulated  values  for  the  nodularity  were  between  12%  and  70%  in  one  cylinder  block, which was very close to actual inspected values [24]. Regarding the effect of  cooling rate on material microstructure, and therefore also machinability, it affects  coarseness  of  the  pearlite  and  could  result  in  a  difference  of  50  MPa  in  tensile  strength  [25].  Such  a  difference  in  tensile  strength  is  likely  to  affect  machinability.  The  microstructure  in  a  complex  component  could  therefore  not  be  considered  as  homogeneous since the thinner the section the stronger the material [23], [26]. This  must be taken into consideration when selecting the proper cutting tool and cutting  parameters for the machining of CGI.  

2.2.2 Influence of carbides

Hard carbide inclusions can drastically reduce the tool life in machining of all types  of  materials.  In  machining  of  CGI,  much  focus  has  been  put  on  the  carbide  promoting  element  Titanium  (Ti).  The  reason  for  this  is  that  Ti  can  increase  the  magnesium  range  over  which  CGI  is  stable.  Ti  effectively  “poisons”  the  growth  of  graphite  nodules  and  extends  the  plateau  toward  higher  Mg  contents  [9].  Ti,  however,  increases  the  strength  of  the  material,  by  increasing  the  percentage  of  pearlite content [22], but more importantly, it can react with carbon and/or nitrogen  in the molten iron and form hard and abrasive inclusions of titanium carbon nitride 

(24)

(Ti(C,N)).  These  inclusions  reduce  the  machinability  significantly  [27],  [28].  Machining  experiments  in  turning  have  shown  that  a  slight  increase  of  the  trace  level of Ti from 0.01% to 0.02% is sufficient to reduce the tool life by 50%, see Figure  3a  [27].  In  high  speed  milling  (400‐1000  m/min)  of  CGI  materials  with  different  Ti  content, Sadik [28] showed that ceramic grades were the best choice for obtaining  high productivity rate. However, there are no grades available that efficiently could  machine  a  CGI  material  with  titanium  content  ≥  0.05%  at  this  cutting  speed,  see  Figure 3b. 

 

(a)  (b) 

Figure 3: (a) Tool life in turning of CGI as a function of the trace level of Ti [27]. (b) Tool life in 

milling of CGI as a function of the trace level of Ti for different tool grades [28]. 

Carbide  promoting  elements  are  also  found  in  the  scrap  material,  used  for  the  casting  of  new  components.  The  chemical  composition  of  that  scrap  material  is  highly  important  and  reflects  on  the  material  physical  properties.  Some  elements  are  however  more  important  than  others,  from  a  material  physical  properties  and  machinability  point  of  view.  Chromium  (Cr),  Manganese  (Mn)  and  Molybdenum  (Mo)  have  a  negative  effect  on  machinability  and  should  therefore  be  monitored  carefully. Scrap material with a low concentration of Cr and Mn is desirable from a  machining  perspective,  it  is  however  expensive  to  purchase  this  high  quality  scrap  material  to  be  used  for  the  casting  of  new  cylinder  blocks  [29].  Mo,  on  the  other  hand, is not commonly present in the scrap material. It can however be added in the  synthesis of CGI cylinder heads in order to increase the strength of the material at  higher  operational  temperatures,  which  is  crucial  for  a  cylinder  head  material.  Mo  also  improves  the  thermal  fatigue  life  of  the  material.  It  is  therefore  important  to  find  the  right  balance  between  material  strength  and  machinability  so  that  a  high  productive manufacturing can be achieved with high quality [5], [30]. 

2.2.3 Tool wear behaviour, cutting parameters and cutting

tools for CGI machining

CGI is an excellent material for truck engines, as mentioned above. Machining of CGI  components  would  however  affect  the  manufacturing  lines  in  a  different  way,  compared  to  the  commonly  used  gray  iron,  in  terms  of  productivity  and  machinability. It is therefore essential to compare the two materials with each other  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 C utt in g lengt h [k m] to 300 μm fl an k w ear Titanium [%] Carbide turning 250 m/min 150 m/min 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 C utt in g ti m e [m in ] Titanium [%]

Tool life as function of Ti content in CGI for face milling, vc=700

m/min, ap=2 mm, fz=0.125 mm/tooth, ae=40 mm, Dc=80mm

Uncoated ceramic Coated ceramic Coated carbide Still very good

(25)

STATE OF THE ART, CGI MATERIAL PROCESSING 

to  see  what  a  change  would  lead  to.  Furthermore  it  should  be  investigated  how  manufacturing of CGI components could be optimized.  

One clear difference in the machining process behaviour of the two materials is the  tool  wear  behaviour.  This  was  carefully  studied  by  Reuter.  He  showed  that  tool  wear,  when  machining  CGI,  was  highly  dependent  on  cutting  speed  [31].  This  is  mainly  because  of  the  manganese  sulphide  (MnS)  layer  which  forms,  acting  as  a  lubricant and as a diffusion barrier when machining gray iron at high speed. Such a  layer  is  not  formed  when  machining  CGI  because  the  MnS  content  is  much  lower  [32]. The explanation to this is that in CGI, magnesium is added to obtain the desired  graphite  shape.  Magnesium  is  a  very  strong  sulphide  builder  which  results  in  magnesium sulphide inclusions rather than MnS inclusions [13]. This is reflected on  the  tool  life.  Some  investigations  indicated  that  a  50%  loss  of  tool  life  could  be  expected at high speed milling of CGI with PCBN inserts (Polycrystalline Cubic Boron  Nitride) and a 90% loss of tool life at high speed turning with PCBN inserts [33]. This  indicates  that  machining  of  CGI  is  preferably  done  at  lower  cutting  speed,  at  least  when concerning tool life. When studying the tool wear behaviour more specifically  in CGI machining it has been found that abrasive wear of the insert is the dominant  wear mechanism in milling at a low range of cutting speed (≤ 300 m/min) [28]. This  has also been noticed in other studies [34]. At higher cutting speeds (≥ 600 m/min),  Da Silva suggests that adhesive wear is the most dominating tool wear mechanism in  milling of CGI [35].   However, the tool wear behaviour also differs for the specific type of CGI material  that  is  being  machined.  Jönsson  found  that  milling  of  high  pearlitic  CGI  has  a  different  tool  wear  behaviour  compared  to  low  pearlitic  CGI.  Figure  4  clearly  illustrates  the  more  even  wear  when  machining  the  high  pearlitic  CGI.  Tool  wear  development is also different. The high pearlitic CGI material has a more predictable  tool  life  as  it  has  controlled  and  gradually  increasing  tool  wear,  while  it  is  more  unpredictable for the low pearlitic material [36]. 

 

(a)  (b) 

Figure 4: Typical wear of the cemented coated carbide insert when milling (a) low pearlitic 

CGI, (b) high pearlitic CGI [36].  

Concerning  the  cutting  parameters  that  are  suited  for  the  machining  of  CGI,  it  has  been observed that it is always a balance between high productivity and acceptable  tool  life  since  the  machinability  is  strongly  dependent  on  the  choice  of  cutting  parameters.  The  machinability  of  CGI  also  varies  for  different  types  of  machining  operations and selected cutting tool material. In terms of high performance, when  milling CGI at cutting speeds below 300 m/min, cemented carbide grades should be  used, in combination with high feed rates and width of cut. Here, the ceramic grade  does not provide enough abrasive wear resistance, compared to cemented carbides. 

(26)

The ceramic grade does however give good diffusion wear resistance at high cutting  speed (≥ 300 m/min), when the feed and/or the width of cut is small. By increasing  the feed and/or the width of cut, the ceramic grade will reduce the tool life to the  same  level  as  the  cemented  carbides,  because  its  ability  to  deform  plastic  is  very  limited,  which  leads  to  partial  edge  destruction  [37].  In  another  study,  it  has  however been shown that carbide grades are preferable to ceramic grades even at  higher cutting speed (850 m/min) [38]. 

2.3 Cutting tool temperature modelling

During  machining,  the  energy  introduced  to  the  process,  is  to  a  large  extent  converted into heat that increases the temperature near the cutting edge. The heat  generation  affects  the  momentary  thermo−mechanical  conditions  of  the  cutting  tool–workpiece  interface.  Often,  high  temperatures  are  the  direct  cause  of  tool  wear  and  tool  failure,  especially  in  machining  of  cast  iron  and  steel.  With  these  higher  melting  point  metals,  the  tool  is  heated  to  high  temperatures  as  metal  removal rate increases and, above certain critical speeds, the tools tend to collapse  after  a  very  short  cutting  time  under  the  influence  of  mechanical  and  thermal  stresses [39]. Since the cutting temperature distribution is of such great importance  for  the  machining  performance,  it  would  be  of  great  interest  to  predict  the  temperature  field  on  the  tool–chip  interface.  As  limited  data  are  available  from  experiments  due  to  difficulties  to  access  the  tool–chip  interface,  an  appropriate  cutting tool temperature model can be used for optimizing the cutting parameters  or  for  the  development  of  new  cutting  tools.  This  should  be  considered  for  CGI  machining.   

There are many different methods to model the cutting temperature. The methods  have  either  an  analytical  or  numerical  approach.  Analytical  models  where  early  developed  by  for  example  Trigger  and  Chao  [40],  and  more  recently  by  Ståhl  [41].  The Finite Element (FE) method is a type of numerical modelling approach that can  be  used  to  obtain  the  cutting  tool  temperature  distribution.  This  method  has  in  recent  years  become  the  main  tool  for  simulating  metal  cutting  processes  [42].  Klocke  et  al,  mean  that  these  FE  models  have  advantages  compared  to  analytical  approaches  where  the  mathematical  equations  which  describe  the  cutting  process  are  so  complicated  that  a  solution  is  no  longer  possible  [43].  There  are,  however,  studies that show the benefit of analytical models. Such a study was performed by  Grzesik. He compared one analytically predicted cutting temperature model and one  numerically  predicted  cutting  temperature  model  with  the  results  obtained  by  thermocouple‐based measurement. It was shown that both the analytical model and  the FE model had good comparison with the experimentally measured values [42].       However,  some  researchers  state  that  neither  experimental  nor  simulated  results  are yet able to describe the complex cutting process. It  is only the combination of  simulations and experiments that allows a better description of the cutting process  [43].  One  method  to  obtain  a  better  model  is  by  inverse  FE  modelling  where  experimental data is used to both validate and calibrate the model. Pujana et al. also  mean  that  the  use  of  experimental  data  in  the  FE  model  reduces  the  error  value  from  the  simulation  [44].  The  inverse  method  has  been  used  by  Lin  [45].  He  measured  the  cutting  temperature  on  the  machined  surface  in  milling  using  an  infrared pyrometer, and utilized the results for solving the unknown boundary at the  cutting tool‐workpiece interface.  

(27)

 

3 A MACHINING MODEL FOR CGI

MACHINABILITY STUDIES

 

This chapter presents a machining model which takes into consideration the CGI microstructure, presence  of  carbide  promoting  elements  and  cutting  parameters  effect  on  tool  life  and  tool  wear  mechanisms.  Then,  tool  life  is  used  to  evaluate  the  machinability.  The  first  section  of  the  chapter  describes  the  methods used for evaluating the machinability. This is followed by a section that highlights the influence  microstructure has on CGI machinability based on a DoE study, presented in Paper B. In the third section,  the  effect  of  carbide  promoting  elements  on  CGI  machinability  is  presented.  More  details  about  these  experiments are found in Paper A. It should be noted that some of the results presented in Section 3.2  and  Section  3.3  are  not  to  be  found  in  Paper  A  and  Paper  B.  The  results  from  these  papers  have  been  analysed further. The fourth section demonstrates how the cutting parameters affect CGI machinability.  The last section in Chapter 3 deals with machinability of CGI from a process planning perspective. 

 

Compacted  graphite  iron  is  to  some  extent  even  today  used  as  engine  material  in  the  heavy  truck  industry.  But  up  until  now,  it  has  not  been  as  widely  used  as  the  more commonly used material for this application; gray iron. One reason for this is  its drawbacks in machinability and lack of experience in machining of the material.  Knowledge  about  machining  of  the  material  and  its  machinability  is  consequently  inadequate.  For  a  successful  implementation  of  CGI  as  engine  material  it  is  necessary to obtain deeper knowledge about the material and its machinability.   A  CGI  machining  model  was  for  this  reason  developed.  The  machining  model  is  a  part of the machinability framework as illustrated in Figure 5.  

 

Figure 5: Machining model as part of machinability. 

Figure 5 illustrates the basic concept of the machining model. The microstructure of  the  CGI  materials  reflects  on  the  mechanical  properties  and  machinability  of  the  material as studied in Section 3.2 and 3.3. Machinability is affected to a large extent  by  mechanical  and  thermal  loads  generated  during  the  cutting  process.  Therefore,  cutting forces, analysed in Section 3.5, and heat generation, treated in Section 4, are  important components in the machining model as they affect tool wear mechanisms  and  tool  life  as  well  as  surface  integrity  of  the  machined  part.  The  interaction 

Tool life Tool wear mechanisms Cutting  forces Vibration Heat generation Temperature distribution

CGI material

Mechanical properties Hardness Material strength Elastic modulus M ac h in ing  op er at io n Surface roughness Microstructure Nodularity Pearlite content Chemical composition  Section effect

(28)

between  cutting  process  and  the  elastic  structure  results  in  vibrations.  Its  contribution to the machining model is considered in Section 3.5.     

The CGI machining model, presented in this thesis, is based on this framework. The  model  considers  machinability  both  from  a  design  perspective  and  from  a  process  planning  perspective.  The  contribution  of  the  CGI  physical  properties  has  to  be  emphasized.  High  strength  of  the  material,  good  heat  conductivity  and  high  damping, are of course important from a design perspective of a heavy duty diesel  engine  in  CGI.  However,  in  order  to  achieve  high  process  accuracy  and  a  highly  productive component manufacturing it is also important that other parameters are  taken  into  account  during  the  production  development  process  from  a  design  perspective.  The  material  parameters,  e.g.,  microstructure,  chemical  composition  and  thickness  of  the  sections  have  a  great  effect  on  the  machinability  of  the  material. 

Furthermore,  the  process  parameters,  e.g.,  tool  material,  tool  geometry,  cutting  parameters,  fixturing  and  machine  tool  characteristics  also  strongly  affect  the  machinability.  These  parameters  should  be  considered  in  the  production  development process of engines so that in the end, high process accuracy and high  productivity  may  be  achieved.  Figure  6  illustrates  a  fundamental  concept  of  which  factors affect the machinability from a design perspective.    

 

Figure 6: Illustration of important factors to consider from a design perspective in order to 

obtain good machinability, high process accuracy and high productivity.  

When optimizing the material with regards to machinability, the process parameters  are  strongly  linked  to  the  material  parameters.  Since  they  do  not  only  have  an  individual  contribution  on  machinability,  they  could  also  cross‐correlate  with  each  other.  One  particular  cutting  tool  can,  for  example,  demonstrate  a  certain  correlation  with  one  specific  type  of  graphite  morphology,  while  another  sort  of  cutting  tool  could  behave  in  a  different  way.  It  is  therefore  challenging,  if  even  possible, to identify the optimal process parameters for certain material parameters.  However, by studying the effect different process and material parameters have on 

Machinability

Process  parameters Material  parameters Microstructure Section  thickness Chemical  composition Cutting  parameters Tool material Tool geometry Fixturing Machine tool  characteristics

(29)

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

the  machinability,  deeper  knowledge  about  this  interaction  is  obtained.  This  facilitates future optimization procedures.  

The process parameters are also important from a process planning perspective. In  this, there are other factors that also affect the machining results and therefore the  machinability.  The  component  configuration  (geometrical  shape),  milling  cutter  positioning  with  respect  to  the  workpiece,  milling  cutter  diameter  and  number  of  inserts, all strongly affect the machinability, especially in regards to tool fracture.   The  fundamental  understanding  regarding  machinability  of  the  material  can  be  obtained by studying the influence of material and process parameters. A complete  picture  of  the  material  machinability  in  a  certain  machining  operation  is  however  not obtained until it is also seen from a process planning perspective. The machining  model developed in this chapter is part of the machinability framework as illustrated  in  Figure  5.  However,  there  are  factors  that  are  not  considered  in  the  machining  model  such  as  workpiece  fixturing,  machine  tool  characteristics  and  cutting  tool  (Figure 6). The CGI machining model, however, illustrate the most important aspects  of CGI machining. 

3.1 Method to evaluate machinability

There  are  several  factors  that  affect  the  machinability,  as  mentioned  above.  The  machinability  of  the  material  can  furthermore  be  evaluated  by  numerous  parameters. Tool life, cutting force, surface roughness and chip formation are some  examples. The experimental work that has been carried out in this thesis is driven by  the  needs  of  the  heavy  truck  industry,  and  focused  on  intermittent  machining  of  cylinder  blocks  and  cylinder  heads.  Surface  roughness  is  not  considered  in  this  thesis.  This  is  because  the  presented  experimental  work  is  related  to  rough  machining, where surface finish is not of greatest concern. High process accuracy is  of  course  important  in  manufacturing  of  these  components  but  the  economical  aspect  is  related  to tool  life versus  material  removal  rate  (MRR).  Therefore  special  attention  has  been  put  on  tool  life.  Tool  life  is  also  the  most  widely  used  machinability criterion [46].  

A  tool  life  criterion  has  been  used  to  acquire  the  tool  life  end  in  all  milling  experiments,  presented  in  this  thesis.  Three,  evenly  pitched,  cutting  inserts  have  equipped  the  milling  cutter  and  the  tool  life  criterion  states  that  tool  life  end  is  reached whether the average of the maximum flank wear of all three inserts reaches  0.3  mm,  or  the  maximum  flank  wear  of  any  two  cutting  inserts  reaches  0.3  mm.  There are other tool wear mechanisms that can occur during machining resulting in  tool failure, for example plastic deformation, chipping, oxidation or tool fracture. In  the  milling  experiments  performed  in  this  thesis,  the  cutting  parameters  were  selected such that the dominant tool wear mechanism was related to abrasive wear  on the flank face of the inserts. Flank wear is also the most desirable type of wear  [46] and it has therefore been used as the quantitative response in determining the  tool life. 

To  this  it  should  be  noted,  that  when  setting  up  a  machining  operation,  a  stable  cutting  situation  is  desirable.  From  a  process  planning  perspective,  stable  cutting  means  controlled  and  gradually  increasing  tool  wear,  resulting  in  predictable  tool  life. In this respect it is important to select cutting parameters within a parametric  domain where the specific tool wear criterion is enforced. If the tool wear behaviour 

(30)

is  predictable  it  will  contribute  to  a  more  robust  machining  process,  facilitating  process  planning  in  terms  of  tool  change  intervals.  The  goal  of  all  machining  experiments, presented in this thesis, has therefore been to obtain a controlled and  a gradually increasing tool wear. This motivates the selected tool life criterion. Some  problems have been seen with tool fracture during the experiments. However, tool  fracture is a non‐desirable tool wear mechanism in component manufacturing as it  is impossible to foresee. In these undesirable situations, the machining parameters  were corrected and the tests were repeated.  

The  tool  wear  investigations  have  mostly  been  done  with  Light‐Optic  Microscope  (LOM), but also using Scanning Electron Microscope (SEM).  

Even if tool life is the foremost important machinability response, some concern in  this thesis is also given to cutting forces. Cutting force is one of the few quantitative  responses that can be measured during the machining operation which can be used  as a basis for further analysis [47]. Cutting forces in milling can be acquired in several  ways.  The  most  common  method  is  by  a  fixed  force  plate  dynamometer  on  which  the  workpiece  is  placed.  This  enables  measurement  of  the  three  cutting  force  components in a fixed coordinate system relative the table. However, this method  has  its  limitations,  e.g.,  with  respect  to  the  size  of  the  part  that  can  be  clamped.  Also, the recorded cutting forces could vary during the machining experiment, since  the  dynamometer  will  be  affected  by  the  changes  of  the  workpiece  weight.  Therefore,  in  the  experiments  carried  out  in  this  thesis,  a  rotating  cutting  force  dynamometer (RCD) has been used, see Figure 7.     Figure 7: Illustrative picture of the rotating cutting force dynamometer (RCD) used for  acquiring cutting forces. KISTLER dynamometer (type 9124B1111).   The dynamometer measures the three cutting force components Fx, Fy, Fz as well as  of the momentum Mz and is mounted on the milling cutter. The dynamometer has 

high  rigidity and  thus  a high  natural frequency.  An  advantage  it  has  over  the  fixed  dynamometer is that the cutting forces can be measured independently of the size  of the workpiece and in any spatial position (four or five axis milling).      

F

x

F

y

F

z

M

z

(31)

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

One limitation with both techniques is that the dynamometers will register the sum  of  the  cutting  force  if  more  than  one  insert  is  engaged  in  cut  simultaneously.  The  contribution from each insert could be studied with more advanced technique, e.g.,  as Andersson did [48], if that is of interest. The aim of the cutting force experiments,  presented  in  this  thesis,  was  to  identify  the  differences  in  average  cutting  force  characteristics. The RCD technique is well suited for this aim. 

No cutting fluids have been used in the experiments. Cutting fluid is sometimes used  in  industry,  when  milling  cast  iron,  not  because  it  prolongs  tool  life  but  mainly  because it binds the dust of graphite particles (and keeps it within the machine) and  removes  the  chips  from  the  cutting  area.  In  milling  of  CGI,  it  is  recommended  to  avoid the use of cutting fluid. The dust should be taken care of with other means,  e.g., using vacuum equipment [49].    

In  the  following  sections,  the  influence  of  microstructure,  carbide  promoting  elements  and  cutting  parameters,  on  CGI  machinability  is  presented.  These  are  important  parameters,  from  a  design  perspective,  affecting  the  machinability.  In  Section 3.5, CGI machinability is considered from a production planning perspective.  There, it will be shown that other parameters, as component configuration, milling  cutter  positioning  with  respect  to  the  workpiece,  milling  cutter  diameter  and  number of inserts strongly affect the CGI machinability. These sections contribute to  the presented CGI machining model.     

3.2 Influence of microstructure on CGI machinability in

milling

As  part  of  the  CGI  machining  model,  studying  the  effect  of  the  material  microstructure  on  machinability  will  reveal,  apart  from  the  wear  mechanisms  and  tool life, the influence on cutting force, dynamic phenomena, heat generation and  surface roughness of the machined part. The latter is not studied in the thesis but  the  contribution  of  the  surface  roughness  to  machining  model  and  further  to  the  machinability  cannot  by  any  means  be  neglected.  The  main  results  presented  in  Section 3.2 are taken from Paper B.  

Material microstructure is one of the most important material parameters (Figure 6)  affecting  the  CGI  machinability  [4].  The  material  microstructure  reflects  on  the  material physical properties which affect the machinability, as mentioned in Section  2.2.1.  It  is  important  to  fully  understand  the  interaction  between  machinability,  material  microstructure  and  material  physical  properties  in  order  to  design  a  material with the required material parameters. For this reason a preliminary study  of  microstructure´s  effect  on  CGI  machinability  was  initiated,  see  Paper  D  [20].  However,  for  that  study,  a  special  “component  like”  workpiece  was  used  “Sandvik  provkropp  16”  which  had  a  complex  geometry,  resulting  in  non  homogenous  microstructure.  This  complicated  the  analysis.  For  that  reason,  a  more careful  DoE  study was started using homogenous workpieces in order to better distinguish the  influences of the different microstructural parameters on CGI machinability.  

References

Related documents

To face that, this thesis presents a computational model, integrated in SimMechanics (Matlab / MathWorks), of a whole machining system to analyse its behaviour and

The tool life depends on the tool (material and geometry); the cutting parameters (cutting speed, feed, and depth of cut); the brand and conditions of the cutting fluid used; the

As a consequence, in the optimization of a machining system these points have to be taken into account: the performance requirements of quality, cost and productivity, the

Om störningar i betalsystemet sker leder det även till att verksamheter får problem med att betala fakturor, betala ut löner och ta betalt för sina tjänster och varor.. Dessa

intresserat sig för att införa åldersintegrerade klasser så har också bara en del av skolorna genomgått en omorganisation. Ibland har bara ett stadium gått över till

Physiological self-regulation of regional brain activity using real-time functional magnetic resonance imaging (fMRI): methodology and exemplary data. Promo: Real-time

Some of the ideas and results presented in this thesis are also applicable to other manufacturing processes than metal cutting. This is particularly the case for

In machining, the high temperature on the tool is often the direct cause of tool wear and tool failure, especially in the machining of cast iron and steel (Trent, 1984). The aim