Experimental Analysis of Effect of Machined Material on Cutting Forces during Drilling

Abstract

Current research studies devoted to cutting forces in drilling are oriented toward predictive model development, however, in the case of mechanistic models, the material effect on the drilling process itself is mostly not considered. This research study aims to experimentally analyze how the machined material affects the feed force (Ff ) during drilling, alongside developing predictive mathematical–statistical models to understand the main effects and interactions of the considered technological and tool factors on Ff. By conducting experiments involving six factors (feed, cutting speed, drill diameter, point angle, lip relief angle, and helix angle) at five levels, the drilling processof stainless steel AISI1045 and case-hardened steel 16MnCr5 is executed to validate the numerical accuracy of the established prediction models (AdjR = 99.600% for C45 and AdjR = 97.912% for 16MnCr5). The statistical evaluation (ANOVA, RSM, and Lack of Fit) of the data proves that the drilled material affects the Ff value at the level of 17.600% (p < 0.000). The effect of feed represents 44.867% in C45 and 34.087% in 16MnCr5; the cutting speed is significant when machining C45 steel only (9.109%). When machining 16MnCr5 compared to C45 steel, the influence of the point angle (liprelief angle) is lower by 49.198% (by 22.509%). The effect of the helix angle is 163.060% higher when machining 16MnCr5.

Současné výzkumné studie věnované řezným silám při vrtání jsou zaměřeny na vývoj prediktivních modelů, avšak v případě mechanistických modelů se většinou nezohledňuje vliv materiálu na samotný proces vrtání. Cílem této výzkumné studie je experimentálně analyzovat, jak obráběný materiál ovlivňuje posuvovou sílu (Ff ) při vrtání, a současně vyvinout prediktivní matematicko-statistické modely, které umožní pochopit hlavní účinky a interakce uvažovaných technologických a nástrojových faktorů na Ff. Provedením experimentů zahrnujících šest faktorů (posuv, řezná rychlost, průměr vrtáku, úhel hrotu, úhel odlehčení břitu a úhel šroubovice) na pěti úrovních byl proces vrtání.AISI1045 a kalené oceli 16MnCr5, aby se ověřila numerická přesnost stanovených predikčních modelů (AdjR = 99,600 % pro C45 a AdjR = 97,912 % pro 16MnCr5). Statistické vyhodnocení (ANOVA, RSM a Lack of Fit) dat dokazuje, že vrtaný materiál ovlivňuje hodnotu Ff na úrovni 17,600 % (p < 0,000). Vliv posuvu představuje 44,867 % u oceli C45 a 34,087 % u oceli 16MnCr5; řezná rychlost je významná pouze při obrábění oceli C45 (9,109 %). Při obrábění oceli 16MnCr5 ve srovnání s ocelí C45 je vliv úhlu hrotu (lipúhel odlehčení) je nižší o 49,198 % (o 22,509 %). Vliv úhlu šroubovice je při obrábění 16MnCr5 vyšší o 163,060 %.