Regular Article

A model of micro-milling cutting forces based on micro-cutting experiments including tool eccentricity and deflection

Modèle d’efforts de coupe en micro-fraisage à partir d’essais de micro-coupe élémentaire et incluant l’excentration et la flexion d’outil

¹ LEM3, UMR 7239, Université de Lorraine / Arts et Métiers ParisTech / ENIM / CNRS, 4 rue Augustin Fresnel, 57078 Metz, France
² FEMTO-ST Institute, UMR 6174, UBFC / UFC/ ENSMM / UTBM / CNRS, Department of Applied Mechanics, 24 rue de l’Épitaphe, 25000 Besançon, France

^* e-mail: romain.piquard@univ-lorraine.fr

Received: 3 March 2022
Accepted: 29 September 2022

Abstract

In this study, a model of micro-milling cutting forces based on elementary cutting experiments is developed. Elementary cutting tests were used to identify the parameters of a new model that includes the uncut chip thickness and the effect of the cutting edge radius. This model assumes a straight cutting edge and a rigid cutting tool and is divided into two terms that represent the ploughing and shearing regimes. The complex shape of the cutting edge of the micro-end-mill is decomposed into linear elementary edges to which the force model can be applied. The uncut chip thickness during tool rotation includes the tool path deviation due to tool run-out and deflection. Micro-milling experiments were performed using a micro-end-mill with the same cutting edge geometry as the tool used in elementary cutting experiments on AISI 6F7 steel. Comparisons between the force model and the experimental results show a good correlation. This model can be extended to a ball-nose micro-end-mill to consider a wide range of operations and can be used to predict and avoid machining errors due to deflection and even tool breakage.

Résumé

Un modèle d’efforts de coupe pour le micro-fraisage à partir d’essais de micro-coupe élémentaire est proposé dans cet article. Des essais de micro-coupe élémentaire ont permis d’identifier les paramètres d’une loi de coupe adaptée au micro-usinage et intégrant les effets de l’épaisseur de copeau non coupé et du rayon d’acuité d’arête. Cette loi de coupe est la somme de deux termes représentants les régimes de labourage et de coupe par cisaillement pour une arête élémentaire droite et rigide. Concernant la géométrie complexe d’une micro-fraise, elle est discrétisée en arêtes rectilignes élémentaires sur lesquelles la loi de coupe est appliquée. L’épaisseur de copeau non déformé sur un tour de micro-fraise prend en compte l’écart théorique dû à la flexion de l’outil et à l’excentration par rapport à l’axe de rotation. Des essais de micro-fraisage d’acier 40NiCrMo16 (AISI 6F7) ont été menés avec des micro-fraises ayant un rayon d’acuité d’arête semblable à celui des outils utilisés pour les essais de micro-coupe élémentaire. La comparaison des efforts de coupe mesurés lors de ces essais avec les efforts théoriques obtenus par le modèle montre une corrélation importante. Ce modèle pourrait être étendu au micro-fraisage par outil hémisphérique permettant d’étendre l’étude à d’autres opérations. Il pourrait également permettre de prédire et éviter les problèmes d’usinage liés à la flexion ou la casse d’outil.