A novel hybrid model for oblique machining induced residual stresses and distortions on thin parts

Abstract

Artık gerilmelerın, talaşlı imalatla üretilmiş parçaların üretim performanslarında önemli bir rolü vardır. Yorulma ömrü, korozyon dayanımı ve distorsiyon, artık gerilmelerden etkilenen parça özellikleridir. Yani, artık gerilme dağılımı imal edilmiş herhangi bir parçanın genel kalitesiyle doğrudan ilişkilidir. Uzun yıllar boyunca, araştırmacılar artık gerilmeleri matematiksel, ampirik veya sonlu elemenlarla modelleme yoluyla ya da deneysel olarak incelemişlerdir. Her ne kadar bu konu üzerinde çok sayıda kayda değer araştırma yapılmışsa da, artık gerilmeleri önceden tahmin etme yöntemlerini geliştirmek adına yapılabilecek daha birçok çalışma vardır. Bu araştırmanın amacı, frezeleme işlemi esnasında artık gerilmeleri önceden tahmin edecek, analitik ve deneysel yaklaşımları birleştiren hibrit bir modeli baz alan bir metot geliştirmektir.Çalışma, frezeleme artık gerilmelerinin oluşum sürecinin deneysel olarak anlaşılmasına odaklanacaktır. Kesme parametreleri ve malzeme özelliklerinin artık gerilme alanı ile ilişkili olduğu bir model oluşturulması konusunda bugüne kadar birtakım çalışmalar yürütülmüştür. Artık gerilme oluşumu nedeniyle meydana gelen malzeme özelliklerindeki değişimler incelenmiş ve mikroyapı ve artık gerilme arasında bir korelasyon oluşturulmaya çalışılmıştır. Artık gerilmeler sebebiyle oluşan distorsiyonlar modellenmiş ve basit bir geometri için doğrulanmıştır. Bu konuda ileride yapılabilecek çalışmalar ve geliştime olanakları sunulmuştur.

Residual stresses are critical factors in the performance of mechanical components. Residual stress state may directly affect the fatigue life, fracture initiations, corrosion resistance and distortions of engineering parts. Although the residual stresses are very critical in mechanical engineering parts such as thin airplane and rocket parts, jet engine parts, bearings, etc., there is a lock of fast and precise model in the literature for for residual stress estimations.Thin parts are very commonly used in Aerospace Industry. Most of the thin parts in Aerospace applications are manufactured by oblique machining processes such as milling. Due to the mechanical and thermal loading during the machining processes, the stress states of parts may change significantly.This thesis aims to develop an enhanced solution for the very significant engineering problem of the industry. Although the problem is very practical, its solution is very challenging due to fact that it requires advanced modeling of the processes. The objective of this research is to develop a method of predicting residual stress in the milling process based on a hybrid model associating analytical and experimental approach. The model considers all possible machining parameters and the material properties are associated to the residual stress field. The newly developed model uses elasto-plastic constitutive behavior and numerical algorithm to estimate the plastic strain and residual stresses once the cutting forces were accurately calculated. Relaxation procedure is also applied upon residual stresses in order to simulate the deflection when the plate is free of forces.Experimental machining tests are performed on Mori Seiki NMV 5000 DCG CNC Machine on Aerospace Aluminum Alloy Al7050 as well as on Steel 2842 and Titanium Alloy Ti-Al6-V4 for the model validations. X-Ray Diffraction measurements are performed for residual stresses on various machining conditions. Relationships between micro hardness and microstructure of the parts and residual stresses are also investigated in details. 3D thin part deformations are also simulated and validated with the 3D CMM measurements.