The influence of PCBN inserts microgeometry on cutting forces, surface roughness, and tool wear when milling Inconel 718

• Autorzy: Szpunar Marcin , Zwolak Marek , Ostrowski Robert

Identyfikatory

DOI

10.7862/rm.2025.11

Warianty tytułu

PL

Wpływ mikrogeometrii płytek PCBN na siły skrawania, chropowatość powierzchni i zużycie narzędzia podczas frezowania Inconel 718

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study investigates the effect of cutting edge microgeometry on the milling of Inconel 718, a superalloy widely used in aircraft engine components. Face milling tests were conducted using a Ø63 mm tool with unevenly distributed polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) inserts, comparing inserts with a chamfered cutting edge (15° × 0.2 mm) and sharp cutting edges. The experiments examined cutting forces, surface roughness (parameters Ra and Rz), and tool wear at various cutting speeds (80–300 m/min). The results revealed that sharp inserts generated lower cutting forces compared to chamfered inserts, with the axial force being the greatest component for chamfered tools and the lowest for sharp ones. The dominant tool wear mechanism for both insert types was chipping; however, sharp inserts also exhibited built–up edge formation and, in one case, a significantly deeper crater compared to chamfered inserts which showed smaller crater depths. The study concludes that the cutting edge microgeometry significantly influences the machining performance in terms of cutting forces, surface quality, and tool wear when milling Inconel 718.

PL

W niniejszym badaniu zbadano wpływ mikrogeometrii ostrza na proces frezowania Inconelu 718, stopu wysokotemperaturowego powszechnie stosowanego w komponentach silników lotniczych. Przeprowadzono testy frezowania czołowego za pomocą narzędzia o średnicy Ø63 mm z nierównomiernie rozmieszczonymi płytkami PCBN, porównując płytki z fazowanym ostrzem (15° × 0.2 mm) i ostrymi krawędziami skrawającymi. Eksperymenty dotyczyły analizy sił skrawania, chropowatości powierzchni (parametry Ra i Rz) oraz zużycia narzędzia przy różnych prędkościach skrawania (80–300 m/min). Na podstawie wyników stwierdzono, że frezowanie z użyciem frezów ostrych generowało niższe siły skrawania w porównaniu do frezów z fazką, przy czym osiowa siła skrawania była największą składową dla narzędzi z fazką, a najmniejszą dla narzędzi ostrych. Dominującym mechanizmem zużycia narzędzia dla obu typów płytek było wykruszanie; jednakże frezy ostre wykazywały również tworzenie się narostu oraz, w jednym przypadku, znacznie głębszy krater w porównaniu do frezów z fazką, które charakteryzowały się mniejszymi głębokościami kraterów. Wyniki badań dowiodły, że mikrogeometria ostrza znacząco wpływa na parametry obróbki pod względem sił skrawania, jakości powierzchni i zużycia narzędzia podczas frezowania Inconelu 718.

Słowa kluczowe

EN

milling; Inconel 718; PCBN microgeometry; cutting forces; surface roughness; tool wear

PL

frezowanie; Inconel 718; mikrogeometria PCBN; siły skrawania; chropowatość powierzchni; zużycie narzędzia

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Advances in Mechanical and Materials Engineering
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 42, nr 1
• Strony: 121--133
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Szpunar Marcin

• MTU Aero Engines Polska

autor

Zwolak Marek

• Department of Materials Forming and Processing, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Rzeszów University of Technology

autor

Ostrowski Robert

• Department of Materials Forming and Processing, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Rzeszów University of Technology

Bibliografia

• 1. Breidenstein, B., Grove, T., Krödel, A., & Sitab, R. (2019). Influence of hexagonal phase transformation in laser prepared PcBN cutting tools on tool wear in machining of Inconel 718. Metal Powder Report, 74(5), 237–243. https://doi.org/10.1016/j.mprp.2018.12.077
• 2. Bushlya, V., Zhou, J., & Ståhl, J. E. (2012). Effect of cutting conditions on machinability of superalloy Inconel 718 during high speed turning with coated and uncoated PCBN Tools. Procedia CIRP, 3, 370–375. https://doi.org/10.1016/j.procir.2012.07.064
• 3. Chen, L., Stahl, J. E., Zhao, W., & Zhou, J. (2018). Assessment on abrasiveness of high chromium cast iron material on the wear performance of PCBN cutting tools in dry machining. Journal of Materials Processing Technology, 255, 110–120. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.11.054
• 4. Denkena, B., Grove, T., Krödel, A., & Ellersiek, L. (2018). Increased performance in high speed turning of Inconel 718 by laser structuring of PcBN tools. Procedia CIRP, 77, 602–605. https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.08.202
• 5. Dogra, M., Sharma, V. S., Sachdeva, A., Suri, N. M., & Dureja, J. S. (2010). Tool wear, chip formation and workpiece surface issues in CBN hard turning: A review. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 11(2), 341–358. https://doi.org/10.1007/s12541-010-0040-1
• 6. ElementSix™. (2025). Precision machining: Giving toolmakers a competitive edge. Retrieved May 4, 2025, from https://e6-prd-cdn-01.azureedge.net/mediacontainer/medialibraries/element6/documents/brochures/ element-six-metalworking-brochure-en.pdf?ext=.pdf
• 7. Gutnichenko, О., Bushlya, V., Zhou, J., & Ståhl, J. E. (2014). Influence of cutting speed and tool wear on vibrations and process stability when turning Inconel 718 with PCBN tools. International Journal of Manufacturing Research, 9(2), 173–193. https://doi.org/10.1504/IJMR.2014.062444
• 8. International Organization for Standardization. (1989). Tool life testing in milling Part 1: Face milling (ISO Standard No. 8688-1:1989). https://www.iso.org/standard/16091.html
• 9. International Organization for Standardization. (2017). Balancing of rotating tools and tool systems (ISO Standard No. 16084:2017). https://www.iso.org/standard/68452.html
• 10. Jacquet, T., Fromentin, G., Prat, D., & Viprey, F. (2024). Modeling of high-feed milling and surface quality applied to Inconel 718. Procedia CIRP, 123, 113–118. https://doi.org/10.1016/j.procir.2024.05.022
• 11. Jeyapandiarajan, P.,& Anthony, X. M. (2019). Influence of cutting condition on machinability aspects of Inconel 718. Journal of Engineering Research, 7(2), 315-332.
• 12. Lindvall, R., Lenrick, F., Persson, H., M’Saoubi, R., Ståhl, J. E., & Bushlya, V. (2020). Performance and wear mechanisms of PCD and pcBN cutting tools during machining titanium alloy Ti6Al4V. Wear, 454–455, Article 203329. https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203329
• 13. Liu, H., Meurer, M., & Bergs, T. (2024). Surface integrity analysis in orthogonal milling of Inconel 718. Procedia CIRP, 123, 191–196. https://doi.org/10.1016/j.procir.2024.05.035
• 14. Piorkowski, P., Borkowski, W., & Skoczynski, W. (2024). Comprehensive evaluation method for high-performance milling of Inconel 718 Alloy. Applied Sciences, 14(19), Article 19. https://doi.org/10.3390/app14199023
• 15. Rolled Alloys. (n.d.). 718 (AMS 5663). Retrieved May 4, 2025, from https://www.rolledalloys.com/products/nickel/alloy-718-ams5663/
• 16. Smak, K., Szablewski, P., Legutko, S., Petru, J., Kratochwil, J., & Wencel, S. (2024). Evaluation of the influence of the tool set overhang on the tool wear and surface quality in the process of finish turning of the Inconel 718 alloy. Materials, 17(18), Article 18. https://doi.org/10.3390/ma17184465
• 17. Society of Automotive Engineers. (1965a). Alloy Bars, Forgings, and Rings, Corrosion And Heat RESISTANT Nickel Base - 19Cr - 3.1Mo - 5.1(Cb + Ta) - 0.90Ti - 0.50Al Consumable Electrode or Vacuum Induction Melted, Solution Treated (SAE Standard No. AMS5662). https://www.sae.org/standards/content/ams5662/
• 18. Society of Automotive Engineers. (1965b). Alloy bars, forgings, and rings, corrosion and heat resistant nickel base - 19Cr - 3.1Mo - 5.1(Cb + Ta) - 0.90Ti - 0.50Al solution and precipitation heat treated consumable electrode or vacuum induction melted (SAE Standard No. AMS5663). https://www.sae.org/standards/content/ams5663/
• 19. Sommer, D., Hornung, S., Esen, C., & Hellmann, R. (2024). Surface roughness optimization of hybrid PBF-LB/M-built Inconel 718 using in situ high-speed milling. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 132(3), 1741–1751. https://doi.org/10.1007/s00170-024-13382-5
• 20. Tsai, M. H., Chen, T. H., Lee, J. N., Hsu, T. L., & Huang, D. K. (2024). Five-axis finish milling machining for an Inconel 718 alloy monolithic blisk. Applied Sciences, 14(10), Article 10. https://doi.org/10.3390/app14104015
• 21. Veeranaath, V. (2018). Experimental investigation of process parameters in orthogonal machining of Ti6Al4V with TiC coated PCBN inserts – A finite element analysis. Materials Today: Proceedings, 5(9), 19547–19554. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.06.316
• 22. Wang, G., Zhou, X., Wu, X., & Ma, J. (2019). Failure and control of PCBN tools in the process of milling hardened steel. Metals, 9(8), Article 8. https://doi.org/10.3390/met9080885
• 23. Yevdokymov, O., Kolesnyk, V., Peterka, J., Vopat, T., Gupta, M. K., Lisovenko, D., & Dovhopolov, A. (2023). Pareto analysis of machining factors significance when turning of nickel-based superalloy Inconel 718. Metals, 13(8), Article 8. https://doi.org/10.3390/met13081354
• 24. Zhou, J., Bushlya, V., Peng, R. L., Chen, Z., Johansson, S., & Stahl, J. E. (2014). analysis of subsurface microstructure and residual stresses in machined Inconel 718 with PCBN and Al2O3-SiCw tools. Procedia CIRP, 13, 150–155. https://doi.org/10.1016/j.procir.2014.04.026

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2026).