Analysis of the dynamic stability of the milling process with ball-end mill of AISI D6 steel hardened

Molds and dies are used to give a certain shape to a product to be manufactured. In the finishing of this type of tooling the geometry of the tool and the cutting parameters are chosen in order to meet the design requirements related to surface finishing and dimensional accuracy. The ball end mills are recommended for the finishing of inclined surfaces and freeform geometries, this process is characterized by high interruptions during the cut. The time the tool employs in cutting is only a fraction of the tool rotation period. There are variations in the dynamics of the contact between the cutting edge and the surface. This results in different surface finishes and topographical features. In order to verify the influence of these changes on surfaces machined with such tool, eight different cutting trajectory orientations (OTCs) were used such as: upward and downward milling, movement of the tool in horizontal and vertical directions, downmilling and upmilling operation. Inclinations of effective cutting planes of 15, 45 and 75 ° were employed, using the raster milling strategy in a simple direction. AISI D6 steel, thermally treated resulting in 58 HRC, was used in the experiments. The stability evaluation was based on the surface texture with parameters obtained in 3D surface roughness tester (non-contact). Vibrations were captured by a microphone positioned at 20 mm from the tool, in addition to an accelerometer sensor coupled to the spindle head of the machine. When the tool was engaged with the region close to the cutting tip, there was a reduction in RMS vibrations and surface undulations, as well as improvement of the surface finish. The predominant vibrations in this process were those of tooth passage, and when these coincided with 1/3 of the natural vibration frequency of the tool, the surface roughness increased to a depth of cut of 0.3 mm.Moldes e matrizes são empregados para conferir determinada forma a um produto a ser fabricado. No acabamento deste tipo de ferramental a geometria da ferramenta e os parâmetros de corte são escolhidos de forma a atender aos requisitos do projeto relacionados ao acabamento superficial e à precisão dimensional. As fresas de topo esférico são recomendadas para o acabamento de superfícies inclinadas e geometrias de forma livre, sendo este processo caracterizado por elevadas interrupções durante o corte. O tempo que a ferramenta emprega no corte é apenas uma fração do período de rotação da ferramenta. Há variações na dinâmica do contato entre aresta de corte e superfície. Isso resulta em diferentes acabamentos superficiais e características topográficas. No intuito de verificar a influência destas alterações em superfícies usinadas com tal ferramenta, foram empregadas oito diferentes orientações de trajetória de corte – OTCs: combinações de movimento de avanço da ferramenta nas direções horizontal e vertical, com sentidos ascendente e descendente, e movimento de corte concordante e discordante ao movimento de avanço. Ademais, inclinações de planos efetivos de corte de 15, 45 e 75°, utilizando a estratégia de fresamento raster em direção simples. Aço AISI D6, tratado termicamente resultando em 58 HRC, foi utilizado. A avaliação da estabilidade se deu com base na textura superficial com parâmetros obtidos em rugosímetro 3D (sem contato) e vibrações captadas por microfone posicionado a 20 mm da ferramenta, além de sensor acelerômetro acoplado ao cabeçote do eixo-árvore da máquina. Quando a ferramenta esteve com o engajamento da região próxima à ponta no corte, houve redução nas vibrações RMS, melhoria do acabamento superficial, além de ondulações na superfície. As vibrações predominantes neste processo foram as de passagem dos dentes, e quando estas coincidiram com 1/3 da frequência de vibração natural da ferramenta a rugosidade aumentou para profundidade de corte de 0,3 mm