วัตถุประสงค์ • เพื่อศึกษาเเละทำแบบจำลองของกระบวนการตัดด้วยเครื่องมือตัดโลหะที่ผ่านการเคลือบ • เพื่อศึกษาตัวเเปรที่มีความสำคัญในการสึกหรอของเครื่องมือตัดโลหะที่ผ่านการเคลือบ • เพื่อศึกษาเเละจำลองกระบวนการสึกหรอของเครื่องมือตัดโลหะที่ผ่านการเคลือบ • เพื่อศึกษาความหนาที่เหมาะสมของชั้นเคลือบที่มี่ประสิทธิภาพสูงสุดในการยืดอายุของเครื่องมือตัดโลหะที่ผ่านการเคลือบ • เพื่อศึกษาเเละทำแบบจำลอง3 มิติของกระบวนการตัดด้วยเครื่องมือตัดโลหะที่ผ่านการเคลือบ ระเบียบวิธีวิจัย ระเบียบวิธีวิจัยแบบจำลองสองมิติ (2D) สามารถเเบ่งได้เป็น 6 ขั้นตอน ใช้เวลาดำเนินการรวม 12 เดือน ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้ • การศึกษาและทำแบบจำลองการตัดโลหะด้วยเครื่องมือตัดโลหะที่ผ่านการเคลือบโดยวิธี Finite element • ศึกษากลไกการสึกหรอของเครื่องมือตัดโลหะที่ผ่านการเคลือบเเละค้นหาตัวเเปรที่มีความสำคัญต่อกลไกการสึกหร่อของเครื่องมือตัดโลหะที่ผ่านการเคลือบโดยใช้แบบจำลองสามมิติ (3D) • เสนอการคำนวนการสึกหรอเเละอายุการใช้งานของเครื่องมือตัดโลหะที่ผ่านการเคลือบ • สรุปวิเคราะห์ความเเม่นยำของเเบบจำลองสามมิติ (3D)ต่อกระบวนการสึกหรอของเครื่องมือตัด โลหะที่ผ่านการและศึกษาอิทธิพลของความหนาของสารเคลือบต่อกระบวนการสึกหรอของเครื่องมือตัดโลหะ • สรุปผลงานวิจัยเพื่อนำเสนอตีพิมพ์เเบบจำลองสามมิติ (3D) ผลลัพท์ • แบบจำลองทางไฟไนอิเลเมนต์ของกระบวนการตัด • แบบจำลองการสึกหรอซึ่งสามารถทำนายการสึกหรอของเครืองมือตัดที่ผ่านการเคลือบได้ • แนวทางในการออกแบบความหนาของการเคลือบมีดเล็บที่เหมาะสม ผลการทดลอง สรุปและวิจารณ์ผลการทดลอง แบบจำลองไฟไนอิเลเมนต์สามมิติของของกระบวนตัดแบบหน้าตรง orthogonal กับแบบทำมุม oblique ได้ถูกสร้างขึ้นโยใช้วัสดุแบบ elastic – plastic with strain hardening and temperature softening และใช้ความเสียดทานแบบคูลอมบ์โดยมีค่าความเค้นเฉือนสูงสุด ให้มีความร้อนเกิดขึ้นจากการเสียรูปของวัสดุและการเสียดทาน ความร้อนกระจายตัวและถ่ายเทได้ จากการเปรียบเทียบแรงที่ได้จากผลการจำลองกับแรงที่วัดได้จากการทดลองการตัดโดยใช้มีดเล็บที่ผ่านการเคลือบได้มีค่าใกล้เคียงกันและมีค่าการทำนายผิดพลาด10% เนื่องมาจากการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นและคุณสมบัติวัสดุที่คลาดเคลื่อนเล็กน้อย ทำให้ยืนยันได้ว่าแบบจำลองไฟไนอิเลเมนต์สามมิติของของกระบวนตัดถูกต้องและสามารถใช้ในการศึกษาตัวแปรได้ รูปทรงของเศษตัด การกระจายตัวของความเค้นและอุณหภูมิในเศษตัด และมีดเล็บตรงกับที่พบในงานวิจัยที่ผ่านมา โดยอุณหภูมิสูงสุดเกิดขึ้นบนผิวหน้าของมีดเล็บที่ระยะห่างจากปลายมีดเล็บ การจำลองการสึกหรอของกระบวนตัดใช้กระบวนการสึกหรอ 2 แบบคือแบบยึดติด (adhesive) และแบบขัดสี (abrasive) โดยทำการจำลองโดยใช้ความเร็วที่แตกต่างกัน 3 ความเร็ว หลังจากการเปรียบเทียบผลการทำนายความลึกของการสึกหรอบนผิวหน้าของมีดเล็บที่ผ่านการเคลือบกับผลการทดลองการตัดจริงโดยมีดเล็บเคลือบมีค่าไปในแนวทางเดียวกันและผลการทำนายคลาดเคลื่อนเพียง8% ผลการจำลองการแสดงที่แบบจำลองการสึกหรอแบบยึดติดของของ Usui สามารถทำนายการสึกหรอได้แม่นยำมากกว่าแบบจำลองการสึกหรอแบบขัดสีโดยเฉพาะที่ความเร็วตัดต่ำ การจำลองการสึกหรอของกระบวนตัดเฉียงได้ถูกใช้เพื่อศึกษาอิทธิพลของความหนาของวัสดเคลือบมีดเล็บ รัศมีขอบ (tool edge radius) และมุมกวาด (rake angle) ของเครื่องมือตัดแบบเคลือบ ผลการศึกษาพบว่าความหนาของวัสดุเคลือบมีดเล็บมีอิทธิพลกับการสึกหรอของวัสดุเคลือบ การสึกหรอเพิ่มขึ้นตามความเร็วตัด ที่ความเร็วตัดใดๆ การสึกหรอจะสูงเมื่อความหนาของวัสดุเคลือบน้อย (3 m) และการสึกหรอลดลงเมื่อความหนาเพิ่มขึ้นระหว่าง 5-10 m และการสึกหรอลดลงอีกครั้งเมื่อความหนาเคลือบสูงกว่า 10 m ความหนาของวัสดุเคลือบที่เหมาะสมน่าจะเป็นระหว่าง 5-10 m สำหรับทุกความเร็ว นอกจากนั้นผลการจำลองการแสดงผลของรัศมีขอบของมีดเล็บ (edge radius) มีอิทธิพลกับการสึกหรอของมีดเล็บเคลือบ ความเค้นสัมผัสและอุณหภูมิสูงสุดบนมีดเล็บ โดยมีดเล็บที่มีรัศมีขอบ 0.02 และ 0.025 mm มีความเค้นสัมผัสและการสึกหรอสูง ผลการวิจับพบว่ามีดเล็บเคลือบที่มีรัศมีขอบสูงกว่าจะต้านทานการสึกหรอของมีดเล็บแบบเคลือบที่ดีกว่า ในส่วนของอิทธิพลของมุมกวาด (rake angle)ของมีดเล็บกับการสึกหรอของมีดเล็บเคลือบนั้นพบว่าที่ความเร็วตัดต่ำ 100 เมตร/นาที การสึกหรอลดลงเมื่อมุมกวาดเพิ่มขึ้นจนกระทั่งคงที่เมื่อมุมกวาดสูงกว่า -10o สำหรับความเร็วตัด 200 และ 300 เมตร/นาที ดูเหมือนจะมีมุมกวาดที่เหมาะสมที่การสึกหรอของมีดเล็บคลือบต่ำสุด คือระหว่าง -7o ถึง -10o เนื่องจากมุมกวาดและความเร็วมีผลต่อความดันสัมผัสและอุณหภูมิ ข้อเสนอแนะสำหรับงานวิจัยในอนาคต • วัสดุมีผลต่อกระบวนการตัด ดังนั้นจึงควรศึกษาวัสดุประเภทอื่นเพิ่มเติม เพื่อหาความหนาการเคลือบ มุมขอบตัด และมุม rake ที่เหมาะสม • ปัจจุบันการเคลือบแบบหลายชั้นเป็นหัวข้อในการวิจัยโดยการทดลองตัดจริง จึงน่าสนใจที่จะใช้ FEM มาช่วยในการวิเคราะห์หาความหนาของแต่ละชั้นที่เหมาะสม Aims • To stimulate a three-dimensional (3D) model of the machining process of coated cutting tools • To study the factors which govern the wear process of metal cutting tools • To stimulate the wear process of metal cutting tools • To find the suitable depth of coating material to maximize cutting tool life Research Methodology • Study the three dimensional model of the machining process of coated cutting tools using finite element • Model wear of coated cutting tool using finite element • Using the 3D FEM model to study the effect of coating thickness on the tool wear • Obtaining the design guideline for a suitable coating thickness of coated tool at different cutting speeds • Research summary and report preparation Outputs • Three dimensional model of the machining process of coated cutting tools • The knowledge of the effect on the cutting process performance • The design guideline for a suitable coating thickness of coated tool at different cutting Speeds Results, Discussion and Conclusion Two 3D finite element model of machining process using coated tool was successfully developed. They are FEM model for orthogonal and oblique cutting. The both FEMs were validated using experimental results and good agreement was obtained. The FEM were used estimate the values of process variables that are not measurable or very difficult to measure by experiment, such as contact stresses on the rake face, the distribution of effective stresses and plastic strains within the coating layer and the WC substrates. The orthogonal FEM was used to analyse the possibility and mechanism of tool wear. The criterion for the chip formation was based on the modified Cockcroft–Latham criterion. At the interface between tool/chip, the constant shear hypothesis with the shear factor of 0.65 was implemented. A couple-temperature stress analysis was assumed to allow the heat generation from plastic deformation to dissipate and transfer into the tool. With the FEM cutting simulation, it is possible to estimate the values of process variables that are not measurable or very difficult to measure by experiment, such as cutting temperatures at the tool–chip and tool–workpiece interfaces and sliding velocities between the chip and the tool. The FEM was validated using experimental results and good agreement was obtained. Two wear models, namely abrasive and adhesive wear, were examined for different cutting speeds. The predicted wear rates were compared with the machining test results. The simulation results show that the Usui’s wear models give a better prediction of wear depth at a lower cutting speed. The oblique FEM was developed to investigate the effect of the coating thickness, edge radius and rake angle on the coated tool wear. The coating thickness was found to govern the crater wear depth. Cutting tool wear increases with cutting speed for all coating thicknesses. Tool wear decrease as coating increase from 3m and stay low from 5-10 m before rising again as the coating thickness is higher than 10m. The optimum coating thickness seems to be between 5-10 m for all speeds. The simulation results show the effects of tool edge radius on the maximum contact stress and temperature. The edge radius of 0.02 and 0.025 mm has the highest value of effective stresses within the coating layer. The edge radius was found to influence the distribution of normal contact stress, on the tool rake surface. The results indicate that the tool with a higher edge radius offer a better wear resistant for the machining of AISI steel. Therefore, the tool edge geometry may be optimized in terms of minimum tool wear. The results indicate that the tool rake angle influence coated tool wear. For the low cutting speed of 100 m/s, wear depth decrease with the increase in tool rake angle and reaches the steady minimum wear depth at the rake angle higher than -10. For the higher cutting speeds of 200m/s and 300 m/s, there seems to be the optimum rake angle, where the coated tool wear is the lowest. It is between -7o to -10o for the cutting speed of 200 and 300 m/min. This is because rake angle and cutting speed influence contact pressure and temperature. Suggestion on Future work • The cutting process performance depends on the workpiece. Hence more material should be studied in order to give a more realistic suggestion for the suitable rake angle for each cutting speed and material. • Multi-layer coating is the topic under investigation for improving tool life lately. FEM of multi-layer coating should be analysis to find the suitable combination of multi-layer and to investigate the actual mechanism of multi-layer coating failure.