Analysis on the influence of the superficial quality of components produced by WAAM in the milling process

Abstract

Atualmente, a indústria está a enfrentar a necessidade de produtos altamente personalizáveis. As tecnologias de fabrico aditivo são consideradas como fazendo parte de uma 4ª Revolução Industrial, particularmente o processo de fabrico aditivo por soldadura com arco elétrico pela sua capacidade de construir peças de forma automatizada com custos relativamente baixos, redução de desperdício de material, e tempos de produção reduzidos, pela sua elevada taxa de deposição. Apesar destas características, existem algumas limitações à sua aplicabilidade direta na indústria, tais como a qualidade superficial e a precisão geométrica, ambos efeitos dos ciclos térmicos contínuos durante a deposição. Para ultrapassar estas limitações, é necessário recorrer a técnicas de pós-processamento, como a maquinação, para prover a peça produzida de superfícies funcionais. O trabalho experimental consistiu, numa primeira fase, na produção de peças através da tecnologia WAAM e sua caracterização em termos de propriedades do material e ondulação superficial. Posteriormente, as amostras foram preparadas para fixação com o intuito de evitar vibrações durante o corte. Foram selecionadas duas ferramentas com características similares e diferentes ângulos de hélice para observar o seu efeito no processo. Utilizando um planeamento de experiências fatorial completo, foram realizadas 3 réplicas de 10 experiências, para cada ferramenta. com 4 testes de validação. A aquisição dos dados das forças de corte ao longo das experiências e posteriormente analisada. Para a caracterização pós fresagem, realizou-se uma análise da qualidade superficial, uma análise da integridade da ferramenta, e uma análise do desempenho global do processo. Os resultados obtidos provam a viabilidade do fresamento de peças WAAM, e a influência dos parâmetros de corte e do ângulo de hélice da ferramenta na rugosidade superficial e no desgaste da ferramenta. Utilizando a Metodologia de Superfície de Resposta, concluiu-se que o parâmetro com maior influência na força de corte e, consequentemente, na energia específica de corte, é o avanço por dente.

Historically, the evolution of the human society has been closely accompanied by the development of the industry. Currently facing its 4th revolution, the industrial sector, in particular the metal industry, is currently searching for modern technological innovations, in order to fulfil the increasingly tight requirements demanded by the consumers. In this way, additive manufacturing, in particular Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM), is being used to produce complex-shaped metal components in an automatized way, associated to record lower levels of material waste, costs and production times. However, there are some limitations regarding the direct applicability of WAAM in the metal industry, in particular the surface quality and geometric accuracy of the manufactured parts, usually requiring post-processing operations, like machining, to achieve the components functional requirements. Nevertheless, machining the surface of the components produced by WAAM embraces one major challenge: intermittent and unstable cutting action, promoting poor machined surface quality and unequal tool wear and possibly catastrophic failure. Therefore, the objective of this work relies on evaluate the influence of the surface quality on the machinability of components produced by WAAM. Thin-walled structures of high strength low-alloy steel (HSLA) were manufactured through WAAM, and furtherly characterized in terms of mechanical properties and surface quality. Side-milling operations were conducted, using two cutting tools with different values of helix angle. Design of Experiments (DOE) and Response surface methodology (RSM) were used to study the influence of the machining parameters on the machining response, with special focus on the generated cutting forces, specific cutting energy, and surface roughness. Tool integrity/wear analysis was also addressed in this work. The obtained results prove the feasibility of milling WAAM produced parts without prior face milling operations. In addition, they show the influence of the tool’s helix angle on the surface roughness and on tool wear, and the tool wear and surface quality relation with the cutting parameters and chatter vibrations. Through the RSM analysis, it was established the influence of the feed per tooth on specific cutting energy and on the cutting force.