89
Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron Materials Design and Production Planning Perspective on Cylinder Block Manufacturing ANDERS BERGLUND Doctoral thesis KTH Royal Institute of Technology Department of Production Engineering Machine and Process Technology Stockholm, Sweden 2011

Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron Materials 

Design and Production Planning Perspective on Cylinder Block Manufacturing 

 

 

 

ANDERS BERGLUND 

Doctoral thesis 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KTH Royal Institute of Technology Department of Production Engineering 

Machine and Process Technology  

Stockholm, Sweden 2011 

Page 2: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

 

 

 

TRITA‐IIP‐2011‐10 ISSN 1650‐1888 ISBN 978‐91‐7501‐159‐2  KTH Industriell produktion    Maskin och processteknologi SE‐100 44 Stockholm, Sverige  Akademisk avhandling som med tillstånd av Kungliga Tekniska högskolan framlägges till  offentlig  granskning  för  avläggande  av  teknologie  doktorsexamen  i  industriell produktion  fredagen  den  2  december  2011  kl  09:00  i  sal  F3,  Kungliga  Tekniska högskolan, Lindstedtsvägen 26, Stockholm.  Copyright © Anders Berglund  Tryck: Universitetsservice US‐AB 

Page 3: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

III 

ABSTRACT

 

The Swedish  truck  industry  is  looking  for new material solutions  to achieve  lighter engines with  increased  strength  to meet  customer demands and  to  fulfil  the new regulations  for more  environmentally  friendly  trucks.  This  could  be  achieved  by increasing  the  peak  pressure  in  the  cylinders.  Consequently,  a  more  efficient combustion is obtained and the exhaust lowered. This, however, exposes the engine to higher  loads and material physical properties must therefore be enhanced. One material  that  could  meet  these  demands  is  Compacted  Graphite  Iron  (CGI).  Its mechanical and physical properties make  it  ideal as cylinder block material, though there  are drawbacks  concerning  its machinability  as  compared  to other materials that are commonly used for the same purpose. Knowledge about machining of the material and its machinability is consequently inadequate.  

The main  goal of  this  thesis  is  to  identify  and  investigate  the  effect of  the major factors  and  their  individual  contributions  on  CGI  machining  process  behaviour. When  the  relationship between  the  fundamental  features; machinability, material microstructure, and material physical properties, are revealed, the CGI material can be optimized, both regarding  the manufacturing process and design requirements. The basic understanding of this  is developed mainly through experimental analysis as, e.g., machining experiments and material characterization. 

The  machining  model  presented  in  this  thesis  demonstrates  the  influence  of material  and  process  parameters  on  CGI machinability.  It  highlights machinability from  both  design  and  production  planning  perspectives.  Another  important objective of  the  thesis  is an  inverse  thermo−mechanical FE model  for  intermittent machining of CGI. Here, experimental results obtained from a developed simulated milling method  are used  as  input data, both  to  calibrate  and  validate  the model. With  these  models,  a  deeper  understanding  is  obtained  regarding  the  way  to achieve a stable process, which is the basis for future optimization procedures. The models  can  therefore  be  used  as  a  foundation  for  the  optimization  of  CGI component manufacturing. 

 

Keywords: Metal Cutting, Compacted Graphite  Iron  (CGI), Machinability, Design of Experiments (DoE), Inverse Finite Element (FE) Modelling, Simulated Milling Method  

Page 4: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron
Page 5: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

PREFACE

 

This  doctoral  thesis  is  based  on  research work  conducted  at  the  department  of Production Engineering at  the Royal  Institute of Technology  in Stockholm, Sweden during 2006 to 2011. It has been supported by the VINNOVA MERA program and the VINNOVA FFI program.   

This work would not have been possible without the support of several people. To start  with,  I  would  like  to  show  gratitude  and  respect  towards  my  supervisor, Professor  Cornel Mihai Nicolescu,  for  sharing  his  deep  knowledge  in  the  field  of metal cutting and teaching me scientific thinking. He has always supported me and made time for me in his otherwise so busy schedule. Secondly, a special thank to my roommates Dr Andreas Archenti and Tech Lic Mathias Werner. Thanks Andreas for your positive attitude.  It has been very motivating to work with you and you have given me great ideas. However, most of all I would like to thank you for being such a good friend. Thanks Mathias, for your support,  it has been a pleasure to work with you. My colleague and dear  friend, Tech Lic Lorenzo Daghini  is also acknowledged for always having his door open  to me and helping out  in all  situations. You have also introduced me to the Italian culture.   

All my other colleagues and friends at the department of Production Engineering are also  recognized  for  giving  me  the  opportunity  to  work  in  such  a  stimulating environment. Thanks  for  showing me great patience when  spreading CGI graphite dust  in  the workshop  during  the  years  of machining  thousands  of  kilos  cast  iron workpieces. A  special acknowledgement goes  to  technician Mr  Jan  Stamer  for his technological  creativity  and  deep  knowledge  in  all  fields  which  has  been  very inspiring. Your help during preparation and execution of all machining experiments has been invaluable. Thank you, Dr Thomas Lundholm for initiating the “Fredagsrus” tradition  and making  us  push  ourselves  to  the  limit  in  the  running  tracks  of  Lill‐Jansskogen.     

I also appreciate the help from all other members  in the OPTIMA CGI and OPTIMA phase  two  project;  Scania,  Volvo  Powertrain,  Sandvik  Coromant,  Sintercast, Novacast, Federal‐Mogul, Chalmers University of Technology,  Jönköping University  and Swerea SWECAST. A special thank to Dr Henrik Svensson at Swerea SWECAST for material  characterization  and  to  Mikael  Hedlind  at  KTH  for  workpiece  design contribution to the development of the simulated milling method. 

Finally I would like to thank my family. 

Hope you will have a good reading. 

 

 

 

 

 

Stockholm, November 2011 

Page 6: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron
Page 7: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

VII 

 

 

 

 

 

”Ett materials bearbetbarhet är en synnerligen sammansatt egenskap,  varför  det  fordras  en  ganska  omfattande utrustning  för  att  densamma  på  ett  rationellt  sätt  skall kunna bestämmas.   Bortsett  från att alla prov måste utföras av  tränad, kunnig och erfaren personal, måste den tekniska utrustningen vara speciellt  avpassad  för  försöksändamål.  Försöken  måste nämligen  utföras  laboratoriemässigt,  men  det  oaktat  i möjligaste mån  i verkstadsmässig  form,  för att de erhållna resultaten skola bli så användbara som möjligt.”   Professor Ragnar Woxén, 1944 

 

 

 

 

Page 8: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron
Page 9: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

IX 

TABLE OF CONTENTS  

PUBLICATION LIST ................................................................................................ XI 

NOMENCLATURE AND ABBREVIATIONS ............................................................. XIII 

1  INTRODUCTION ............................................................................................... 1 

1.1  Project and research background ............................................................................... 1 1.2  Scope and aim of the thesis ........................................................................................ 2 1.3  Thesis outline and relation to the appended papers .................................................. 4 

2  STATE OF THE ART, CGI MATERIAL PROCESSING ............................................... 5 

2.1  Compacted Graphite Iron (CGI) ................................................................................... 5 2.2  CGI machining process behaviour ............................................................................... 8 2.3  Cutting tool temperature modelling ......................................................................... 12 

3  A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES .............................. 13 

3.1  Method to evaluate machinability ............................................................................ 15 3.2  Influence of microstructure on CGI machinability in milling ..................................... 17 3.3  Influence of carbide promoting elements on CGI machinability in milling ............... 22 3.4  Influence of cutting parameters on CGI machinability in milling .............................. 28 3.5  Machinability of CGI from a process planning perspective ....................................... 35 

4  A NOVEL METHOD TO STUDY THE CHARACTERISTICS OF THE INTERMITTENT CUTTING PROCESS ......................................................................................... 45 

4.1  Simulated milling in turning operation ..................................................................... 45 4.2  Experimental evaluation of the technique ................................................................ 48 4.3  Conclusions ............................................................................................................... 53 

5  AN INVERSE THERMO–MECHANICAL FE MODEL FOR INTERMITTENT MACHINING OF CGI ....................................................................................... 55 

5.1  Thermo−mechanical FE model for intermi ent machining of CGI ........................... 55 5.2  Conclusions ............................................................................................................... 64 

6  DISCUSSION AND CONCLUSIONS ................................................................... 65 

6.1  Discussion and conclusions ....................................................................................... 65 6.2  Future research ......................................................................................................... 66 

REFERENCES ....................................................................................................... 69 

APPENDED PAPERS ............................................................................................. 75 

 

 

Page 10: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron
Page 11: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

XI 

PUBLICATION LIST  

APPENDED PAPERS   

The following papers constitute the basis of this thesis.  

Paper A  Berglund, A., Nicolescu, C.M., Richnau, K., “Effect of carbide promoting elements  on  CGI  material  processing”,  Proceedings  of  CIRP  2nd International Conference on Process Machine  Interactions, Vancouver, Canada, 2010, ISBN: 978‐0‐9866331‐0‐2 

Paper B  Berglund, A, Nicolescu, C.M., Svensson, H., “The Effect of  Interlamellar Distance  in  Pearlite  on  CGI  Machining”,  ICME  2009:  International Conference on Mechanical Engineering, Tokyo, Japan, 2009, ISSN: 2070‐3740 

Paper C  Berglund,  A.,  Grenmyr,  G.,  Nicolescu,  C.M.,  Kaminski,  J.,  “Analysis  of Compacted  Graphite  Iron  Machining  by  Investigation  of  Tool Temperature  and  Cutting  Force”,  Proceedings  of  1st  International Conference  on  Process  Machine  Interactions,  Hannover,  Germany, 2008, ISBN: 978‐3‐939026‐95‐2 

Paper D  Berglund,  A.,  Nicolescu,  C.M.,  “Investigation  of  the  Effect  of Microstructures  on  CGI  Machining”,  The  Swedish  Production Symposium, Gothenburg, Sweden, 2007, TRITA‐IIP‐07‐06 

Paper E  Grenmyr,  G.,  Berglund,  A.,  Kaminski,  J.  and  Nicolescu,  C.M., “Investigation of tool wear mechanisms in CGI machining”, International Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems, Vol. 4, No. 1, pp. 3–18, 2011, ISSN: 1753‐1039 

   

Page 12: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

 

NOT APPENDED PAPERS  

The following papers contribute but are not appended to this thesis. 

Paper F  Berglund, A., Archenti, A., Nicolescu, C.M., “Analytical modelling of CGI machining  system  dynamic  behaviour”,  The  International  3rd  Swedish production symposium, Gothenburg, Sweden, 2009 

Paper G  Grenmyr,  G.,  Berglund,  A.,  Kaminski,  J.,  Nicolescu,  C.M.,  “Analysis  of Machining Compacted Graphite  Iron  (CGI) by  Join  Investigation of Tool Temperature,  Cutting  Force  and  Tool Wear”,  The  Swedish  Production Symposium, Stockholm, Sweden, 2008, TRITA‐IIP‐08‐12 

Paper H  Berglund, A., Nayyar, V., Nicolescu, C.M., Kaminski, J., “Machinability of Compacted Graphite Iron in Continuous and Intermittent Machining”, in manuscript 

Research work related to this thesis has also been presented in a licentiate thesis: 

Berglund,  A.,  “Characterization  of  factors  interacting  in  CGI  machining: machinability,  material  microstructure,  material  physical  properties”,  Licentiate Thesis,  KTH  Royal  Institute  of  Technology,  Stockholm,  Sweden,  2008,  ISBN 978‐91‐7415‐158‐9   

 

Page 13: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

XIII 

NOMENCLATURE AND ABBREVIATIONS

 

ALE     ‐    arbitrary lagrangian‐eulerian 

ap  ‐    depth of cut [mm] 

ae  ‐    width of cut [mm] 

CGI  ‐    compacted graphite iron    

cp  ‐    specific heat of the material [J/(kg∙K)] 

Dc  ‐    diameter of the milling cutter [mm] 

DoE  ‐    design of experiments     

E  ‐    elastic modulus [GPa] 

FE  ‐    finite element 

fz  ‐    feed, milling [mm/tooth] 

K  ‐    thermal conductivity [W/(m∙K)] 

K0  ‐    thermal conductivity of unalloyed iron [W/(m∙K)] 

LOM  ‐    light‐optic microscope 

LGI  ‐    lamellar graphite iron 

  ‐    volumetric energy addition [W/m3] 

ρ  ‐    density [kg/m3] 

RCD  ‐    rotating cutting force dynamometer 

Rp0.2  ‐    yield strength [MPa] 

SEM  ‐    scanning electron microscope 

SGI  ‐    spheroidal graphite iron  

t  ‐    time [sec]   

T  ‐    temperature [°C] 

UTS  ‐    ultimate tensile strength [MPa] 

vc  ‐    cutting speed [m/min] 

γp  ‐    axial rake angle [°] 

γf  ‐    radial rake angle [°] 

κr  ‐    entering angle [°] 

Z  ‐    number of inserts 

Page 14: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

 

 

 

 

Page 15: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

1 INTRODUCTION  

This chapter describes  the background of  the  research project,  in which most of  the studies presented have been conducted. The structure of the thesis and the research approach are also addressed. 

 

1.1 Projectandresearchbackground

The automotive industry in Sweden is of great importance to the general welfare of the country. During 2010, 13% of the total industrial investment in Sweden was put in the automotive industry and in the first quarter of 2011 12% of the total Swedish export was linked to the automotive industry. Around 120 000 people were working directly  in  the  automotive  industry  in  Sweden  in  2010.  Furthermore,  in  the  year 2009, during the global economic crisis 27% of all  industrial  investment  in research was  put  in  the  transportation  sector,  where  the  automotive  industry  is  the dominating area [1], [2]. This is one reason why Swedish automotive companies are so successful.  

One of the research projects that have been supported by the Swedish automotive industry  together with  the  Swedish Governmental Agency  for  Innovation  Systems (VINNOVA) is the OPTIMA project, which started in 2006. The goal of the project was to  study  the  interaction  between  the  machining  process,  the  material  and  the casting  process  of  Compacted  Graphite  Iron  (CGI)  and  in  the  end  develop  a machinability and casting model  for CGI. The  reason why  the project was  initiated was the Swedish automotive industry’s great interest in the material. Its mechanical and physical properties  (75% higher  tensile  strength  [3]) make  it  ideal as  cylinder block  material,  though  there  are  drawbacks  concerning  its  machinability  as compared to other materials that are commonly used as for the same purpose, e.g., gray  iron. The knowledge about machining of  the material and  its machinability  is consequently inadequate. For a successful implementation of CGI as engine material it is necessary to obtain deeper knowledge about the material and its machinability. As  CGI  is  a material  family  [4]  it  is  also  critical  to  investigate  the  effect  of  the variation of chemical composition on machinability. This has initiate several research studies  throughout  the years but  there  is still a  lack of deeper knowledge  in what factors affect the machinability of CGI.     

In order to successfully implement CGI as cylinder block or cylinder head material, it is  first  necessary  to  obtain  a  robust  machining  and  casting  process.  Then  it  is possible to optimize the production  lines to achieve the required process accuracy and high productivity. Generally, a robust machining process  is not affected by the operator handling the machine, material variations or time factors. The robustness of  the machining  process  is more  specifically  described with  regards  to  a  certain quantifiable response, e.g., surface roughness, tool  life or machine down time. For example, a machining process is robust, considering surface roughness, if the quality of the surface stays within the tolerances, even if, e.g., a tougher material suddenly is  introduced. However,  in order  to  achieve  a  robust machining process  it  is  first essential to understand which  factors affect the machining process behaviour, and thereby  the  machinability.  It  is  only  when  these  factors  are  found,  and  their 

Page 16: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

influence on the machining process behaviour is fully understood, that optimization can  be  performed,  both  from  a  design  perspective  and  a  process  planning perspective. This will allow  for a highly productive component manufacturing with high process accuracy.  

Design  perspective  refers  to  the  parameters  that  have  to  be  addressed  in  the production  development  process  of  a  new  engine.  In  addition  to  the  usual parameters related to the product functionality,  in the early stage, proper material physical properties  for  the engine are  set. The material physical properties of  the engine are obviously of greatest  importance  for design but not sufficient. The cast cylinder  block  will  need  to  be  machined  in  order  to  fulfil  the  engineering requirements (e.g., geometrical tolerances).  It  is therefore,  important that also the machinability  of  the material  is  considered  in  this  early  stage.  In  this  thesis,  the major focus  is on machining of cylinder blocks. No consideration  is therefore taken on  the design  requirements,  regarding material physical properties of  the engine, even if these cannot by any means be neglected.    

1.2 Scopeandaimofthethesis

The main  goal of  this  thesis  is  to  identify  and  investigate  the  effect of  the major factors  and  their  individual  contributions  on  CGI  machining  process  behaviour. When  the  relationship between  the  fundamental  features; machinability, material microstructure, and material physical properties, are revealed, then the CGI material can  be  optimized,  both  regarding  the  manufacturing  process  and  design requirements. A machinability model will be presented that demonstrates the most important  features affecting  intermittent machining of CGI. The model  consists  in two sub‐models, see Figure 1.  

   

Figure 1: Illustration of the CGI machinability model with its two sub‐models. 

The  first sub‐model  is a CGI machining model  for milling,  illustrating machinability both from a design perspective and from a process planning perspective. This model is mainly  developed  based  on  the  results  of  three  larger  full  factorial  design  of experiments (DoE) studies. Full factorial studies have advantages over “one factor at the time studies” as they not only show single factor effects but also  illustrate the 

CGI Machinability model

Sub‐model:

CGI Machining model

Sub‐model:

Inverse Thermo−Mechanical FE model

Page 17: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

INTRODUCTION

 

factors´  relation  to  each  other.  The  presented machining model  in  this  thesis  is based solely on full factorial DoE studies,  in contrast to most other published work concerning machinability of CGI.    

The other sub‐model is an inverse thermo−mechanical Finite Element (FE) model for intermittent machining of CGI.  This model  illustrates  the  thermal  and mechanical load distributions on the chip and insert. These are important factors affecting tool wear. The model  is required as  it  is difficult to  investigate the cutting zone physics during chip removal, especially  in milling, as sensor placement  is difficult and often practically undoable due to the rotating cutting tool. Experimental results have been used  as  input  data  in  the  model.  E.g.,  the  used  CGI  material  model  in  the  FE representation is described by the material physical properties and by the response of the material to thermal and mechanical stresses as obtained  from experimental investigations. Furthermore,  IR camera measurements of cutting  tool  temperature have been performed  in  intermittent machining of CGI and used  to both calibrate and validate the FE model.   

A complete characterization of the machinability of CGI is not possible as there are many factors that affect the machining process behaviour of the material. However, by  focusing  on  the  most  significant  factors  and  keeping  other  factors  constant, important trends can be found.  

No attempt will be made to optimize the material or the machining process  in this thesis.  This  should be done with  respect  to  the  specific design  requirements  and manufacturing  process  and  system  for  the  existent  component  manufacturing situation. However, the model presented in this thesis may be used as a foundation for optimization procedures concerning:  

1. Optimization  of  the  CGI  chemical  composition  and  thereby  establishing decision rules for material design. 

2. Process planning,  as  selecting proper process parameters  for  the  specific CGI  component  manufacturing  situation.  From  a  process  planning perspective,  the  model  can  be  used  not  only  when  selecting  the  basic process parameters, as cutting speed and feed, but also when considering component  configuration,  milling  cutter  positioning  with  respect  to  the workpiece, milling cutter diameter and number of inserts.  

The work, presented  in  this  thesis,  is  related  to  face milling of CGI. However,  the methodology  used  for  acquiring  deeper  understanding  of  the machining  process behaviour  of  the  material  is  general,  and  could  be  extended  to  other  types  of materials or  in other machining operations, e.g., turning and drilling.  In this thesis, the  same  type of  standard  cemented  carbide  insert with  K20W  coating has been used  for all machining experiments  in  the different DoE studies. The choice of  the cutting  insert was motivated by the fact that  it  is the most commonly used cutting insert and also the recommended insert for face milling of both gray iron machining and  CGI  machining,  at  least  in  rough  machining  of  cylinder  blocks,  which  is  an important case study in this thesis. The choice of coated cemented carbides has also shown  relatively  high  performance,  in  relation  to  gray  iron.  It  is  therefore  not economically justified to go over to other more expensive tools such as CBN. As the same  type,  and  number  of  inserts,  has  been  used  for  all  experiments,  common conclusions  for all DoE  studies  can be drawn. The  same  type of milling cutter has also  been  used  for  all  machining  experiments.  Furthermore,  all  machining 

Page 18: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

experiments  have  been  performed  in  the  same machining  centre, with  the  same type  of  clamping.  However,  some  results  have  been  verified  in  industrial environment, such as milling of  real cylinder block components. Reference cutting data  have  been  used  in  all DoE  studies  in  order  to  validate  the  results  from  the different experiments.  

1.3 Thesisoutlineandrelationtotheappendedpapers

Five  appended  papers  constitute  the  basis  of  this  thesis  (four  conference contributions and one  journal paper). The  thesis has six chapters. There  is a short introduction to each chapter that address what will be discussed.  

The  second  chapter  of  the  thesis  is  a  state‐of‐the  art  study  of  CGI  material processing and modelling of cutting tool temperature, introducing the reader to the subject  of  CGI  machining.  The  third  chapter  illustrates  some  important  factors affecting CGI machinability. Here, the CGI machining model will be presented. These results come from several machining experiments. This chapter is based on Paper A, B,  D  and  E.  In  Paper  A,  the  effect  of  carbide  promoting  elements  on  CGI machinability is investigated. Paper B and D illustrate the effect of microstructure on CGI machinability. Paper E, contributes to the CGI machining model demonstrating the effect of microstructure on CGI tool wear behaviour. 

In the fourth chapter the cutting tool temperature will be evaluated in intermittent machining  of  CGI.  A  novel  method  will  be  presented  which  enables  a  milling operation  to  be  reproduced  in  turning  application.  This  method  opens  new possibilities  for  refined  studies  of  the  intermittent machining  process  behaviour. This is achieved by the development of a novel method applied to a special designed workpiece.  

The  fifth  chapter  illustrates  a  developed  inverse  thermo−mechanical  FE model  in intermittent machining of CGI. Data  is extracted from the cutting tool temperature studies,  presented  in  Chapter  4,  and  used  both  to  calibrate  and  validate  the  FE model. Furthermore, results obtained  from material characterization are also used in the FE model. The FE model, presented in this chapter, is a developed version of the model presented in Paper C.  

The  last  chapter  concludes  the work and addresses  some opportunities  for  future research in the field. 

 

Page 19: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

2 STATE OF THE ART, CGI MATERIAL PROCESSING

 

The  first  section  of  this  chapter  introduces  the  CGI material  to  the  reader.  Then,  a  state‐of‐the‐art  is presented,  regarding CGI machining,  focused on milling. Some earlier work  in  the  field of  temperature modelling is also addressed. 

 

2.1 CompactedGraphiteIron(CGI)

Cast  iron  is a family of alloys divided  into several classes, defined by their graphite morphology and metallic matrix structure. There are mainly three different classes of  cast  irons  classified  by  their  graphite morphology;  lamellar  graphite  iron  (LGI), compacted  graphite  iron  (CGI)  and  spheroidal  graphite  iron  (SGI).  LGI,  commonly known as gray iron or flake graphite iron has a stable eutectic with graphite shaped as  lamellas or  flakes,  see Figure 2a.  In Figure 2c, SGI  is  illustrated.  It  is also called ductile iron or nodular cast iron and has a stable eutectic with the graphite shaped as spheroids or nodules. The third class of cast iron is CGI which has a stable eutectic with  a worm‐like  shaped  graphite,  also  called  compacted  graphite  or  vermicular graphite, see Figure 2b [5].  

     

(a)  (b)  (c) 

Figure 2:  Microstructure of (a) gray iron, (b) CGI and (c) ductile iron (source Sintercast). 

According to the ISO standard 16112:2006, proper CGI should contain a minimum of 80% of  the  graphite particles  in  vermicular  form  and no  flake  graphite  should be present.  In other words;  the nodularity should not exceed 20%  [6]. The nodularity value  is a measure of  the roundness of  the graphite particles. A cast  iron material with a nodularity of 100%, solely contain graphite nodules and it is therefore ductile iron.  

   

Page 20: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

In order to obtain the nodularity value, first a two‐dimensional polished surface of the material needs to be prepared. The surface will be studied with image analysis. The roundness shape factor is needed according to  

Equation 1 

where A  is  the area of  the graphite particle,  lm  is  the maximum axis  length of  the graphite particle and Am  is  the area of a circle with  the diameter  lm. Secondly,  the roundness  value  of  each  graphite  particle  in  the  polished  surface  is  used  to differentiate between the three graphite forms. A graphite particle with a roundness value of 0.625‐1.000 is considered to have nodular form (ISO form VI), a roundness value of 0.525‐0.625 intermediate form (ISO form IV and V) and if it has a roundness value of  less  than  0.525  compacted  form  (ISO  form  III).  Flake  graphite  and other under modified structures are not included in the analysis, as they are not permitted in the compacted graphite iron structure. Only graphite particles having lm exceeding 10 µm are  taken  into account  in  the evaluation. The percentage of nodularity can then be calculated with 

%∑ 0.5∑

∑100 

Equation 2 

where  Anodules  is  the  area  of  graphite  particles  classified  as  having  nodular  form, Aintermediates is the area of graphite particles classified as having intermediate form and Aall particles is the total area of all graphite particles having lm exceeding 10 µm [5], [6].  

In  the  following  section,  the  procedure  to  produce  CGI,  its  material  physical properties and its characteristics as engine material, will be presented.   

2.1.1 CastingofCGI

There are several commercial casting methods available on the market to produce CGI, e.g., the Sintercast method [7], Graphyte batch and the Graphyte flow process [8].  However,  the  basic  procedure  of  producing  CGI  is  to  carefully monitor  and control  the  amount Magnesium  (Mg)  in  the melt.  The  amount  of Mg  affects  the graphite  form,  and  therefore  also  the  material  physical  properties  of  the  cast component  [9].  If  there  is not  sufficient magnesium,  the  graphite begins  to  grow with  a  flake morphology  during  solidification, which  reduces  the  strength  of  the material  drastically.  Too  high  concentration  of Mg,  on  the  other  hand,  leads  to nodular  graphite  which  results  in  undesirable  properties  [7].  The  magnesium content must  be  controlled  simultaneously with  the  inoculation  level  in  order  to produce  high  quality  CGI  microstructures.  Postinoculation  can  suppress  carbide formation,  practically  in  thin  walls  but  it  provides  more  sites  for  graphite precipitation  which  favours  the  growth  of  spheroidal  rather  than  compacted graphite particles [9].  

   

Page 21: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

STATE OF THE ART, CGI MATERIAL PROCESSING 

The  chemical  composition  of  the melt  also  affects  the  ferrite/pearlite  ratio.  This strongly  affects  the  material  physical  properties  and  therefore  also  the machinability. The pearlite  content  is mainly  controlled by  the pearlite promoting elements Copper  (Cu) and Tin  (Sn). These act as diffusion barriers, making carbon diffusion from the austenite into the graphite harder; hence pearlite will preferably be formed at the solid state transformation [10].    

Two other parameters that need to be considered during casting are the cooling and solidification  rate which  are  affected  by  the  section  thickness.  These  parameters influence  coarseness  of  the  pearlite  and  the  nodularity  and  thus  the  material physical properties [9]. Overall, process control while casting CGI is highly important.  

2.1.2 MaterialphysicalpropertiesofCGI

The main  factors  setting  the mechanical properties of CGI materials both at  room temperatures and at elevated  temperatures are  the graphite morphology and  the metallic matrix. The graphite morphology and  the metallic matrix are  furthermore mainly  affected  by  the  chemical  composition,  inoculation  level  and  the  section thickness, as mention above. However since the matrix can be controlled in a similar way for the different morphologies, the main difference  in properties between the cast irons will be due to the graphite morphology.  

In  gray  iron,  the  graphite  flakes  have  sharp  edges  which  give  the  material  its characteristic properties. It has good damping properties and heat conductivity and also  excellent  machinability.  On  the  negative  side,  gray  iron  has,  in  some applications, unsatisfactory  strength  and  thus  alloys have  to be  added,  leading  to difficulties  in machinability. Ductile iron has spheroidal shaped graphite particles; it has excellent  strength  to  the  cost of machinability, and also presents problems  in casting. CGI has vermicular graphite particles, with stubby flakes and small amounts of graphite spheroids, resulting  in both material properties and foundry processing characteristics  that are  intermediately between  those of gray and ductile  iron  [9], [11].  It exhibits  some of  the  castability of gray  iron, but with higher  strength and ductility. Compared to ductile iron, it has better thermal conductivity, machinability and  damping  capacity  [12].  Typical mechanical  properties  of  gray  iron,  CGI  and ductile iron can be seen in Table 1.  

Table 1: Typical material physical properties of gray iron, CGI and ductile iron [13]. 

Property Gray Iron CGI Ductile Iron Tensile strength [MPa] 250 450 750 Elastic modulus [GPa] 105 145 160 Elongation [%] 0 1.5 5 Thermal conductivity [W/(m∙K)] 48 37 28 Relative damping capacity 1 0.35 0.22 Hardness [BHN 10/3000] 179‐202 217‐241 217‐255 R‐B Fatigue [MPa] 110 200 250 

 

Page 22: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

2.1.3 CGIasenginematerial

CGI is used in several applications today. Exhaust manifolds, hydraulic housings and brackets, and  to  large castings as  ingot moulds, are  some examples  [9]. However, CGI  has  also  great  potential  to  be  the  engine  material  of  tomorrow,  especially regarding  heavy  duty  diesel  engines.  Today,  there  are  some  truck  diesel  engine components produced in CGI, e.g.: 

Scania V8 (16.4 L), cylinder block  

Navistar (12.4 L), cylinder block   

MAN (12.4 L), cylinder block 

Hyundai (12.3 L) , cylinder head 

Ford‐Otosan (9.0 L), cylinder block and cylinder head 

DAF (12.9 L), cylinder block and cylinder head [14]  

The main motives  of  using  CGI  as  engine material  are  the  characteristics  of  its material physical properties, which are ideal for engine materials. Damping and heat conductivity, are though not as good as for gray iron but it has, on the other hand, superior  strength  [13]. When  comparing  the material with  aluminium,  there  are studies that show higher power per weight ratio for the CGI engine, with the same performance. This  is because, due to  its greater strength, the engine can be made with lesser wall thickness [15].           

2.2 CGImachiningprocessbehaviour

Cast irons are the foremost common engine material for all manufacturers of heavy trucks.  As  for  machining  of  all  other  materials,  much  information  about  the machining  process  behaviour  that  occurs  during  cutting  of  cast  irons  can  be extracted  from  studying  the  chip  formation  during  material  removal.  The  chip formation  process  is  the  result  of  the  interaction  between  several  factors;  tool geometry,  tool material, work material  as well  as  the  chosen  cutting parameters. These  factors all contribute to the  final component´s surface generated during the chip formation process [16]. It is essential to understand this chip formation process as  it  is  a  fundamental  parameter  that  affects  the  productivity  in  all  component manufacturing [17]. This is therefore also essential when machining CGI.     

There are clear differences in the chip formation process when machining gray iron, CGI and ductile iron. As gray cast iron materials contain flake graphite dispersed in a silicon–iron matrix, the sharp edges of the flakes provide a very effective stress riser for  the  machining  loads  exerted  by  the  cutting  edge.  When  the  shear  plane approaches a graphite pocket, cracks start to propagate from the edge of the flake and the iron fractures. The fracture starts at the stress riser and ends in an adjacent pocket until the shear load builds up to the fracture strength of the next stress riser. In CGI,  the  graphite  form  is  vermicular. When machining CGI,  it will  shear,  as  for gray, through a graphite pocket which has the  least resistance to shear forces. The round edges of the compacted graphite does not initiate cracks as easy as the sharp edges of  the  flake  graphite  in  gray  cast  iron which  leads  to higher  cutting  forces when machining CGI. The chip formation during machining ductile  iron  is similar to the  formation  during  steel  machining.  The  nodules  of  graphite  deforms  by  the 

Page 23: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

STATE OF THE ART, CGI MATERIAL PROCESSING 

compressive tool  loads prior to the chip separation. The matrix does therefore not crack, leading to the formation of a continuous chip over the tool edge [9], [18].  

In the following section, a brief introduction to the known parameters affecting CGI machinability will be presented.   

2.2.1 Influenceofmicrostructure

The machinability of CGI is strongly dependent of the microstructure of the material. It has been shown  in previous research studies that CGI  is a material family where combinations  of  various  microstructures  span  over  a  wide  range  [4].  The microstructure  affects  the  material  physical  properties  which  influence  the machinability parameters.  Therefore,  it  is necessary  to  investigate  the  interaction between  machinability,  material  microstructure  and  material  physical  properties before  CGI  successfully  can  be  implemented  as  engine  material.  Dawson  et  al, studied  this  interaction  and  showed  how  the  pearlite  content  and  nodularity affected  the  tool  life  [13].  It  has  also  been  shown  in  other  studies  that  pearlite content is the foremost important microstructural parameter affecting both the CGI material physical properties and the CGI machinability  [19],  [20]. The nodularity of the CGI material is also important as it affects the tool wear mechanisms, see Paper E [21].  

The  components  being  manufactured  in  the  industry  today  are  rarely  plain homogeneous blocks, on which many  studies are performed  in  the  research  labs. Usually  real  components  have  various  section  thicknesses,  holes  and  slots.  This strongly affect the microstructure and therefore also the machinability [19]. E.g., in a cylinder  block, which  has  different  section  thicknesses,  the  different  cooling  and solidification rates during casting lead to an inhomogeneous microstructure [5], [9]. A  faster  solidification  rate,  in  the  thinner  sections,  leads  to  a  more  spheroidal graphite  structure,  which  consequently  also  increases  the  tensile  strength  [22]. Further  it also  increases  the percentage of carbides  [23]. Heisser  showed  that  the simulated  values  for  the  nodularity were  between  12%  and  70%  in  one  cylinder block, which was very close to actual inspected values [24]. Regarding the effect of cooling rate on material microstructure, and therefore also machinability,  it affects coarseness  of  the  pearlite  and  could  result  in  a  difference  of  50 MPa  in  tensile strength  [25]. Such a difference  in  tensile strength  is  likely  to affect machinability. The microstructure  in a complex component could  therefore not be considered as homogeneous since the thinner the section the stronger the material [23], [26]. This must be taken into consideration when selecting the proper cutting tool and cutting parameters for the machining of CGI.  

2.2.2 Influenceofcarbides

Hard carbide  inclusions can drastically reduce the tool  life  in machining of all types of  materials.  In  machining  of  CGI,  much  focus  has  been  put  on  the  carbide promoting  element  Titanium  (Ti).  The  reason  for  this  is  that  Ti  can  increase  the magnesium  range over which CGI  is  stable. Ti effectively  “poisons”  the  growth of graphite  nodules  and  extends  the  plateau  toward  higher  Mg  contents  [9].  Ti, however,  increases  the  strength  of  the material,  by  increasing  the  percentage  of pearlite content [22], but more importantly, it can react with carbon and/or nitrogen in the molten iron and form hard and abrasive inclusions of titanium carbon nitride 

Page 24: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

10 

(Ti(C,N)).  These  inclusions  reduce  the  machinability  significantly  [27],  [28]. Machining  experiments  in  turning  have  shown  that  a  slight  increase  of  the  trace level of Ti from 0.01% to 0.02% is sufficient to reduce the tool life by 50%, see Figure 3a  [27].  In high  speed milling  (400‐1000 m/min) of CGI materials with different Ti content, Sadik [28] showed that ceramic grades were the best choice for obtaining high productivity rate. However, there are no grades available that efficiently could machine  a CGI material with  titanium  content  ≥  0.05%  at  this  cutting  speed,  see Figure 3b. 

 

(a)  (b) 

Figure 3: (a) Tool life in turning of CGI as a function of the trace level of Ti [27]. (b) Tool life in milling of CGI as a function of the trace level of Ti for different tool grades [28]. 

Carbide  promoting  elements  are  also  found  in  the  scrap material,  used  for  the casting  of  new  components.  The  chemical  composition  of  that  scrap material  is highly  important  and  reflects on  the material physical properties.  Some  elements are however more  important  than others,  from a material physical properties and machinability  point  of  view.  Chromium  (Cr), Manganese  (Mn)  and Molybdenum (Mo) have  a negative  effect on machinability  and  should  therefore be monitored carefully. Scrap material with a  low concentration of Cr and Mn  is desirable from a machining perspective,  it  is however expensive  to purchase  this high quality scrap material  to be used  for  the  casting of new  cylinder blocks  [29]. Mo, on  the other hand, is not commonly present in the scrap material. It can however be added in the synthesis of CGI cylinder heads  in order to  increase the strength of the material at higher operational  temperatures, which  is crucial  for a cylinder head material. Mo also  improves  the  thermal  fatigue  life of  the material.  It  is  therefore  important  to find  the  right balance between material  strength and machinability  so  that a high productive manufacturing can be achieved with high quality [5], [30]. 

2.2.3 Tool wear behaviour, cutting parameters and cuttingtoolsforCGImachining

CGI is an excellent material for truck engines, as mentioned above. Machining of CGI components  would  however  affect  the  manufacturing  lines  in  a  different  way, compared  to  the  commonly  used  gray  iron,  in  terms  of  productivity  and machinability. It is therefore essential to compare the two materials with each other 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Cut

ting

leng

th [k

m] t

o 3

00μm

flan

k w

ear

Titanium [%]

Carbide turning

250 m/min 150 m/min

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

Cut

ting

tim

e [m

in]

Titanium [%]

Tool life as function of Ti content in CGI for face milling, vc=700 m/min, ap=2 mm, fz=0.125 mm/tooth, ae=40 mm, Dc=80mm

Uncoated ceramic Coated ceramic Coated carbide

Still very good

Page 25: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

STATE OF THE ART, CGI MATERIAL PROCESSING 

11 

to  see what  a  change would  lead  to.  Furthermore  it  should  be  investigated  how manufacturing of CGI components could be optimized.  

One clear difference in the machining process behaviour of the two materials is the tool wear  behaviour.  This was  carefully  studied  by  Reuter.  He  showed  that  tool wear, when machining  CGI, was  highly  dependent  on  cutting  speed  [31].  This  is mainly  because  of  the manganese  sulphide  (MnS)  layer which  forms,  acting  as  a lubricant and as a diffusion barrier when machining gray iron at high speed. Such a layer  is not  formed when machining CGI because  the MnS  content  is much  lower [32]. The explanation to this is that in CGI, magnesium is added to obtain the desired graphite  shape.  Magnesium  is  a  very  strong  sulphide  builder  which  results  in magnesium sulphide inclusions rather than MnS inclusions [13]. This is reflected on the  tool  life.  Some  investigations  indicated  that  a  50%  loss  of  tool  life  could  be expected at high speed milling of CGI with PCBN inserts (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) and a 90% loss of tool life at high speed turning with PCBN inserts [33]. This indicates  that machining of CGI  is preferably done at  lower cutting speed, at  least when concerning tool life. When studying the tool wear behaviour more specifically in CGI machining it has been found that abrasive wear of the insert is the dominant wear mechanism in milling at a low range of cutting speed (≤ 300 m/min) [28]. This has also been noticed in other studies [34]. At higher cutting speeds (≥ 600 m/min), Da Silva suggests that adhesive wear is the most dominating tool wear mechanism in milling of CGI [35].  

However, the tool wear behaviour also differs  for the specific type of CGI material that  is  being  machined.  Jönsson  found  that  milling  of  high  pearlitic  CGI  has  a different  tool  wear  behaviour  compared  to  low  pearlitic  CGI.  Figure  4  clearly illustrates  the more  even wear when machining  the high pearlitic CGI.  Tool wear development is also different. The high pearlitic CGI material has a more predictable tool  life  as  it  has  controlled  and  gradually  increasing  tool wear, while  it  is more unpredictable for the low pearlitic material [36]. 

 

(a)  (b) 

Figure 4: Typical wear of the cemented coated carbide insert when milling (a) low pearlitic CGI, (b) high pearlitic CGI [36].  

Concerning  the cutting parameters  that are suited  for  the machining of CGI,  it has been observed that it is always a balance between high productivity and acceptable tool  life  since  the  machinability  is  strongly  dependent  on  the  choice  of  cutting parameters.  The machinability  of  CGI  also  varies  for  different  types  of machining operations and selected cutting tool material.  In terms of high performance, when milling CGI at cutting speeds below 300 m/min, cemented carbide grades should be used, in combination with high feed rates and width of cut. Here, the ceramic grade does not provide enough abrasive wear resistance, compared to cemented carbides. 

Page 26: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

12 

The ceramic grade does however give good diffusion wear resistance at high cutting speed (≥ 300 m/min), when the feed and/or the width of cut is small. By increasing the feed and/or the width of cut, the ceramic grade will reduce the tool  life to the same  level as  the  cemented  carbides, because  its ability  to deform plastic  is  very limited,  which  leads  to  partial  edge  destruction  [37].  In  another  study,  it  has however been shown that carbide grades are preferable to ceramic grades even at higher cutting speed (850 m/min) [38]. 

2.3 Cuttingtooltemperaturemodelling

During  machining,  the  energy  introduced  to  the  process,  is  to  a  large  extent converted into heat that increases the temperature near the cutting edge. The heat generation  affects  the  momentary  thermo−mechanical  conditions  of  the  cutting tool–workpiece  interface.  Often,  high  temperatures  are  the  direct  cause  of  tool wear  and  tool  failure,  especially  in machining  of  cast  iron  and  steel. With  these higher  melting  point  metals,  the  tool  is  heated  to  high  temperatures  as  metal removal rate increases and, above certain critical speeds, the tools tend to collapse after  a  very  short  cutting  time  under  the  influence  of  mechanical  and  thermal stresses [39]. Since the cutting temperature distribution is of such great importance for  the  machining  performance,  it  would  be  of  great  interest  to  predict  the temperature  field  on  the  tool–chip  interface.  As  limited  data  are  available  from experiments  due  to  difficulties  to  access  the  tool–chip  interface,  an  appropriate cutting tool temperature model can be used for optimizing the cutting parameters or  for  the  development  of  new  cutting  tools.  This  should  be  considered  for  CGI machining.   

There are many different methods to model the cutting temperature. The methods have  either  an  analytical  or  numerical  approach.  Analytical  models  where  early developed by  for example Trigger and Chao  [40], and more  recently by Ståhl  [41]. The Finite Element (FE) method is a type of numerical modelling approach that can be  used  to  obtain  the  cutting  tool  temperature  distribution.  This method  has  in recent  years  become  the main  tool  for  simulating metal  cutting  processes  [42]. Klocke et al, mean  that  these  FE models have  advantages  compared  to  analytical approaches where  the mathematical equations which describe  the cutting process are  so  complicated  that a  solution  is no  longer possible  [43]. There are, however, studies that show the benefit of analytical models. Such a study was performed by Grzesik. He compared one analytically predicted cutting temperature model and one numerically  predicted  cutting  temperature  model  with  the  results  obtained  by thermocouple‐based measurement. It was shown that both the analytical model and the FE model had good comparison with the experimentally measured values [42].      

However,  some  researchers  state  that neither  experimental nor  simulated  results are yet able to describe the complex cutting process.  It  is only the combination of simulations and experiments that allows a better description of the cutting process [43].  One  method  to  obtain  a  better  model  is  by  inverse  FE  modelling  where experimental data is used to both validate and calibrate the model. Pujana et al. also mean  that  the use of experimental data  in  the  FE model  reduces  the error  value from  the  simulation  [44].  The  inverse  method  has  been  used  by  Lin  [45].  He measured  the  cutting  temperature  on  the machined  surface  in milling  using  an infrared pyrometer, and utilized the results for solving the unknown boundary at the cutting tool‐workpiece interface.  

Page 27: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

13 

3 A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES

 

This chapter presents a machining model which takes into consideration the CGI microstructure, presence of  carbide promoting elements and  cutting parameters effect on  tool  life and  tool wear mechanisms. Then,  tool  life  is  used  to  evaluate  the machinability.  The  first  section  of  the  chapter  describes  the methods used for evaluating the machinability. This is followed by a section that highlights the influence microstructure has on CGI machinability based on a DoE study, presented in Paper B. In the third section, the effect of  carbide promoting elements on CGI machinability  is presented. More details about  these experiments are found  in Paper A.  It should be noted that some of the results presented  in Section 3.2 and Section 3.3 are not  to be  found  in Paper A and Paper B. The  results  from  these papers have been analysed further. The fourth section demonstrates how the cutting parameters affect CGI machinability. The last section in Chapter 3 deals with machinability of CGI from a process planning perspective. 

 

Compacted graphite  iron  is  to some extent even  today used as engine material  in the heavy  truck  industry. But up until now,  it has not been as widely used as  the more commonly used material for this application; gray  iron. One reason for this  is its drawbacks  in machinability and  lack of experience  in machining of the material. Knowledge  about machining of  the material  and  its machinability  is  consequently inadequate.  For  a  successful  implementation  of  CGI  as  engine  material  it  is necessary to obtain deeper knowledge about the material and its machinability.  

A CGI machining model was  for  this  reason developed. The machining model  is a part of the machinability framework as illustrated in Figure 5.  

 

Figure 5: Machining model as part of machinability. 

Figure 5 illustrates the basic concept of the machining model. The microstructure of the  CGI materials  reflects  on  the mechanical  properties  and machinability  of  the material as studied in Section 3.2 and 3.3. Machinability is affected to a large extent by mechanical and  thermal  loads generated during  the cutting process. Therefore, cutting forces, analysed in Section 3.5, and heat generation, treated in Section 4, are important components in the machining model as they affect tool wear mechanisms and  tool  life  as  well  as  surface  integrity  of  the  machined  part.  The  interaction 

Tool lifeTool wear mechanisms

Cutting forces

Vibration

Heat generationTemperature distributionCGI material

Mechanical propertiesHardness

Material strengthElastic modulus

Machining operation

Surface roughness

MicrostructureNodularity

Pearlite contentChemical composition 

Section effect

Page 28: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

14 

between  cutting  process  and  the  elastic  structure  results  in  vibrations.  Its contribution to the machining model is considered in Section 3.5.     

The CGI machining model, presented in this thesis, is based on this framework. The model considers machinability both  from a design perspective and  from a process planning  perspective.  The  contribution  of  the  CGI  physical  properties  has  to  be emphasized.  High  strength  of  the  material,  good  heat  conductivity  and  high damping, are of course  important from a design perspective of a heavy duty diesel engine  in  CGI.  However,  in  order  to  achieve  high  process  accuracy  and  a  highly productive component manufacturing it is also important that other parameters are taken  into  account  during  the  production  development  process  from  a  design perspective.  The material  parameters,  e.g., microstructure,  chemical  composition and  thickness  of  the  sections  have  a  great  effect  on  the  machinability  of  the material. 

Furthermore,  the  process  parameters,  e.g.,  tool material,  tool  geometry,  cutting parameters,  fixturing  and  machine  tool  characteristics  also  strongly  affect  the machinability.  These  parameters  should  be  considered  in  the  production development process of engines so that in the end, high process accuracy and high productivity may be achieved. Figure 6  illustrates a  fundamental concept of which factors affect the machinability from a design perspective.    

 

Figure 6: Illustration of important factors to consider from a design perspective in order to obtain good machinability, high process accuracy and high productivity.  

When optimizing the material with regards to machinability, the process parameters are  strongly  linked  to  the material  parameters.  Since  they  do  not  only  have  an individual  contribution on machinability,  they  could also  cross‐correlate with each other.  One  particular  cutting  tool  can,  for  example,  demonstrate  a  certain correlation with  one  specific  type  of  graphite morphology, while  another  sort  of cutting  tool  could  behave  in  a  different way.  It  is  therefore  challenging,  if  even possible, to identify the optimal process parameters for certain material parameters. However, by studying the effect different process and material parameters have on 

Machinability

Process parameters

Material parametersMicrostructure

Section thickness

Chemical composition

Cutting parameters

Tool material

Tool geometry

Fixturing

Machine tool characteristics

Page 29: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

15 

the  machinability,  deeper  knowledge  about  this  interaction  is  obtained.  This facilitates future optimization procedures.  

The process parameters are also  important from a process planning perspective. In this, there are other factors that also affect the machining results and therefore the machinability.  The  component  configuration  (geometrical  shape),  milling  cutter positioning with  respect  to  the workpiece, milling  cutter diameter and number of inserts, all strongly affect the machinability, especially in regards to tool fracture.  

The  fundamental  understanding  regarding  machinability  of  the  material  can  be obtained by studying the influence of material and process parameters. A complete picture of  the material machinability  in  a  certain machining operation  is however not obtained until it is also seen from a process planning perspective. The machining model developed in this chapter is part of the machinability framework as illustrated in  Figure  5. However,  there  are  factors  that  are not  considered  in  the machining model  such  as workpiece  fixturing, machine  tool  characteristics  and  cutting  tool (Figure 6). The CGI machining model, however, illustrate the most important aspects of CGI machining. 

3.1 Methodtoevaluatemachinability

There  are  several  factors  that  affect  the machinability,  as mentioned  above.  The machinability  of  the  material  can  furthermore  be  evaluated  by  numerous parameters. Tool life, cutting force, surface roughness and chip formation are some examples. The experimental work that has been carried out in this thesis is driven by the needs of  the heavy  truck  industry,  and  focused on  intermittent machining of cylinder  blocks  and  cylinder  heads.  Surface  roughness  is  not  considered  in  this thesis.  This  is  because  the  presented  experimental  work  is  related  to  rough machining, where surface finish is not of greatest concern. High process accuracy is of  course  important  in manufacturing  of  these  components  but  the  economical aspect  is related  to tool  life versus material removal rate  (MRR). Therefore special attention  has  been  put  on  tool  life.  Tool  life  is  also  the  most  widely  used machinability criterion [46].  

A  tool  life  criterion  has  been  used  to  acquire  the  tool  life  end  in  all  milling experiments,  presented  in  this  thesis.  Three,  evenly  pitched,  cutting  inserts  have equipped  the milling  cutter  and  the  tool  life  criterion  states  that  tool  life  end  is reached whether the average of the maximum flank wear of all three inserts reaches 0.3 mm, or  the maximum  flank wear of  any  two  cutting  inserts  reaches 0.3 mm. There are other tool wear mechanisms that can occur during machining resulting in tool failure, for example plastic deformation, chipping, oxidation or tool fracture. In the  milling  experiments  performed  in  this  thesis,  the  cutting  parameters  were selected such that the dominant tool wear mechanism was related to abrasive wear on the flank face of the  inserts. Flank wear  is also the most desirable type of wear [46] and it has therefore been used as the quantitative response in determining the tool life. 

To  this  it  should be noted,  that when  setting up  a machining operation,  a  stable cutting  situation  is  desirable.  From  a  process  planning  perspective,  stable  cutting means  controlled  and  gradually  increasing  tool wear,  resulting  in predictable  tool life.  In this respect  it  is  important to select cutting parameters within a parametric domain where the specific tool wear criterion is enforced. If the tool wear behaviour 

Page 30: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

16 

is  predictable  it  will  contribute  to  a more  robust machining  process,  facilitating process  planning  in  terms  of  tool  change  intervals.  The  goal  of  all  machining experiments, presented in this thesis, has therefore been to obtain a controlled and a gradually increasing tool wear. This motivates the selected tool life criterion. Some problems have been seen with tool fracture during the experiments. However, tool fracture  is a non‐desirable tool wear mechanism  in component manufacturing as  it is  impossible to foresee.  In these undesirable situations, the machining parameters were corrected and the tests were repeated.  

The  tool wear  investigations have mostly  been done with  Light‐Optic Microscope (LOM), but also using Scanning Electron Microscope (SEM).  

Even  if tool  life  is the foremost  important machinability response, some concern  in this thesis is also given to cutting forces. Cutting force is one of the few quantitative responses that can be measured during the machining operation which can be used as a basis for further analysis [47]. Cutting forces in milling can be acquired in several ways. The most common method  is by a  fixed  force plate dynamometer on which the  workpiece  is  placed.  This  enables  measurement  of  the  three  cutting  force components  in a  fixed coordinate system relative the table. However, this method has  its  limitations, e.g., with  respect  to  the  size of  the part  that  can be  clamped. Also, the recorded cutting forces could vary during the machining experiment, since the  dynamometer  will  be  affected  by  the  changes  of  the  workpiece  weight. Therefore,  in  the  experiments  carried  out  in  this  thesis,  a  rotating  cutting  force dynamometer (RCD) has been used, see Figure 7.  

 

Figure 7: Illustrative picture of the rotating cutting force dynamometer (RCD) used for acquiring cutting forces. KISTLER dynamometer (type 9124B1111).  

The dynamometer measures the three cutting force components Fx, Fy, Fz as well as of the momentum Mz and  is mounted on the milling cutter. The dynamometer has high rigidity and  thus a high natural  frequency. An advantage  it has over  the  fixed dynamometer is that the cutting forces can be measured independently of the size of the workpiece and in any spatial position (four or five axis milling).  

   

Fx Fy

Fz

Mz

Page 31: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

17 

One limitation with both techniques is that the dynamometers will register the sum of  the cutting  force  if more  than one  insert  is engaged  in cut  simultaneously. The contribution from each insert could be studied with more advanced technique, e.g., as Andersson did [48], if that is of interest. The aim of the cutting force experiments, presented  in  this  thesis, was  to  identify  the  differences  in  average  cutting  force characteristics. The RCD technique is well suited for this aim. 

No cutting fluids have been used in the experiments. Cutting fluid is sometimes used in  industry,  when milling  cast  iron,  not  because  it  prolongs  tool  life  but mainly because it binds the dust of graphite particles (and keeps it within the machine) and removes  the  chips  from  the  cutting  area.  In milling of CGI,  it  is  recommended  to avoid the use of cutting fluid. The dust should be taken care of with other means, e.g., using vacuum equipment [49].    

In  the  following  sections,  the  influence  of  microstructure,  carbide  promoting elements  and  cutting  parameters,  on  CGI  machinability  is  presented.  These  are important  parameters,  from  a  design  perspective,  affecting  the machinability.  In Section 3.5, CGI machinability is considered from a production planning perspective. There,  it will be shown that other parameters, as component configuration, milling cutter  positioning  with  respect  to  the  workpiece,  milling  cutter  diameter  and number of inserts strongly affect the CGI machinability. These sections contribute to the presented CGI machining model.     

3.2 InfluenceofmicrostructureonCGImachinability inmilling

As  part  of  the  CGI  machining  model,  studying  the  effect  of  the  material microstructure on machinability will  reveal, apart  from  the wear mechanisms and tool  life, the  influence on cutting  force, dynamic phenomena, heat generation and surface roughness of the machined part. The  latter  is not studied  in the thesis but the  contribution of  the  surface  roughness  to machining model and  further  to  the machinability  cannot  by  any means  be  neglected.  The main  results  presented  in Section 3.2 are taken from Paper B.  

Material microstructure is one of the most important material parameters (Figure 6) affecting  the  CGI  machinability  [4].  The  material  microstructure  reflects  on  the material physical properties which affect the machinability, as mentioned in Section 2.2.1.  It  is  important  to  fully  understand  the  interaction  between machinability, material  microstructure  and  material  physical  properties  in  order  to  design  a material with the required material parameters. For this reason a preliminary study of  microstructure´s  effect  on  CGI  machinability  was  initiated,  see  Paper  D  [20]. However,  for  that study, a special “component  like” workpiece was used “Sandvik provkropp  16”  which  had  a  complex  geometry,  resulting  in  non  homogenous microstructure. This complicated  the analysis. For  that reason, a more careful DoE study was started using homogenous workpieces  in order to better distinguish the influences of the different microstructural parameters on CGI machinability.  

 

Page 32: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

18 

3.2.1 Factorialstudy

Pearlite content and nodularity were chosen as two factors for the DoE study. These material  microstructure  parameters  are  known  to  have  great  impact  on machinability [13]. However, in former studies, the influence of pearlite content and nodularity  is  studied  separately, which neglects  important  interaction effects  that could be present [50].  

Furthermore, the section thickness of the cast component affects one other material microstructural parameter, the coarseness of the pearlite, see Section 2.2.1. Thinner sections obtain a shorter interlamellar distance in pearlite which has an effect on the material physical properties  [25].  It was  therefore believed  that  it  could  influence the machinability  and was  therefore  included  as  a  third  factor  in  the DoE  study. Three  different  homogenous workpieces were  designed  in  order  to  separate  the effect  of  interlamellar  distance  in  pearlite  on machinability  and material  physical properties from the other microstructural parameters (pearlite and nodularity), see Figure 8.   

(a)  (b)  (c) 

Figure 8: Workpieces used for the DoE study. The workpieces have the same width and length, 120 mm and 350 mm. The workpieces have different height (a) 80 mm, (b) 46 mm and (c) 26 

mm respectively. 

A  complete  factorial  experiment  was  performed  with  a  complete  randomized design,  using  the  three  material  microstructure  parameters  as  factors.  Pearlite content was set to three different levels and the nodularity to two levels. The three types of workpieces led to three levels of interlamellar distance in pearlite resulting in eighteen unique CGI materials. One benefit of using  this  complete  randomized design  with multiple  levels  for  some  factors  is  that  nonlinear  effects  of  can  be studied [50].   

The  cast  CGI  material  was  characterized,  both  regarding  microstructural  and mechanical properties. More information about the characterization can be found in Paper B.  

 

Page 33: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

19 

3.2.2 Machiningexperiments

Repeated machining experiments were conducted in order to minimize uncontrolled experimental‐error  and  to  investigate  the  adequacy of  the  fitted model  [50].  The machining experiments were  carried out  in dry  face milling  in a Mazak machining centre, 37.7 kW, with an ISO‐50 taper at which a milling cutter was mounted (model R365‐063Q22‐S15H). The milling cutter was equipped with three coated cemented carbide  inserts  (R365‐1505ZNE‐KM  K20W)  evenly  distributed,  in  order  to  always have one  insert engaged  in  cut.  For  the milling experiments  the  following  cutting parameters were used: vc = 200 m/min, fz = 0.2 mm/tooth, ap = 3 mm and ae = 58 mm.  The  cutting  data were  fixed  to  these  parameters  to  reduce  the  number  of experiments to be run, and also because the  influence of cutting data was not the aim of  the experiments. The choice of cutting parameters and selected  insert was motivated by the recommendation of truck manufacturers as the first choice in face milling  operations  on  cast  iron  cylinder  blocks  in  production.  These  were  also recommended  by  the  tool manufacturer.  The workpieces were  pre‐milled  on  the top,  bottom  and  sides,  in  order  to  remove  the  hard  cast  skin,  with  different microstructure and also to obtain good clamping conditions, which was done by help with a magnetic table to ensure uniform and repeatable clamping.  

Tool wear was measured at frequent  intervals. Tool  life end, which was one of the response  variables,  was  reached  according  to  the  tool  life  criteria  presented  in Section  3.1.  Cutting  forces, which  represented  the  other  response  variable, were measured  at  frequent  intervals  using  a  4‐component  KISTLER  dynamometer,  see Section  3.1. More  information  about  the machining  experiments  can be  found  in Paper B. 

3.2.3 Results

A model  for predicting  the  tool  life as a  result of nodularity, pearlite  content and interlamellar  distance  in  pearlite  was  created  based  on  the  results  from microstructural  characterization,  mechanical  properties  characterization  and  the machinability results. The main factor, interaction and quadratic effects respectively were studied using DoE software [51].  

It  could  be  stated  that  the  effect  of  interlamellar  distance  in  pearlite  on machinability was insignificant. Interlamellar distance in pearlite had nevertheless a slight effect on both material physical properties  and machinability but  this  small effect could not be statistically assured. It is believed that this influence would have been  greater  if  even  thinner  workpieces  would  have  been  used.  However,  the thinnest workpiece used in this study had a thickness of 26 mm. This is similar to the smallest section on a real cylinder block (which was the reference for this study) on which milling operations  is being performed. A model demonstrating the  influence of solely pearlite content and nodularity was for this reason created. The model has a R2 value of 0.83 and a Q2 value of 0.80. Figure 9 illustrates the predicted tool life in milling of CGI.  

   

Page 34: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

20 

 

Figure 9: Influence of the material microstructural parameters: pearlite and nodularity on tool life in milling of CGI. 

Pearlite  content  has  a  much  more  significant  effect  on  tool  life  in  milling  than nodularity, as clearly illustrated in Figure 9. The model was therefore used to show pearlite´s effect on tool life for a set value of nodularity of 10%, see Figure 10a.  

However, even  if pearlite clearly decreases  the  tool  life,  it has a positive effect on the strength of the material. It is therefore a compromise between material strength and machinability. A new model to illustrate the pearlite contents´ influence on the ultimate  tensile  strength  was  therefore  developed,  based  on  pearlite  content, nodularity and an interaction effect between nodularity and pearlite. The model has a R2 value of 0.96 and a Q2 value of 0.91 and is presented in Figure 10b.  

Pearlite  content has a major  impact on both  the  tool  life and  the  strength of  the material,  as  illustrated  in  Figure 10. E.g.,  if  the pearlite  content  is  increased  from 60% to 95%, a 45% loss in tool life could be expected. The material strength is on the other hand increased by 20%.        

Further  analysis  showed  that  pearlite  content  also  was  the  microstructural parameter most influencing cutting forces. More details can be found in Paper B.  

 

Tool life [min] in milling of CGI (vc=200 m/min, fz=0.2 mm/tooth)

Nodularity [%]

5 10 15 20 25 30

30

40

50

60

70

80

90 40

50

60

70

80

90

30

40

50

60

70

80

90

100

11040

50

60

70

80

90

Page 35: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

21 

(a) 

 

(b) 

 

Figure 10: (a) Tool life as a function of pearlite content for a CGI material with 10% nodularity. (b) Ultimate tensile strength (UTS) as a function of pearlite content for a CGI material with 

10% nodularity. The dashed lines show the upper and lower 95% confidence interval.   

 

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Too

l life

in m

illin

g [m

in]

Pearlite [%]

260

280

300

320

340

360

380

400

420

440

460

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

UT

S [

MP

a]

Pearlite [%]

Page 36: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

22 

3.2.4 Conclusions

From this DoE study it could be stated that: 

Pearlite content strongly affects CGI tool life and cutting force in milling and by this the machinability. 

Nodularity,  in the rage on CGI (0%  ‐ 20%), has a slight  influence on the tool life in milling of CGI. It has however some effect on UTS. 

Interlamellar distance in pearlite does not seem to affect tool life in milling of CGI  or material  physical  properties  as  strongly  as  nodularity  and  pearlite content.   

It  is a compromise between high material strength and machinability when selecting the suitable CGI microstructure for the application  it  is to be used in.   

These results contribute to the CGI machining model. 

3.3 Influence of carbide promoting elements on CGImachinabilityinmilling

As part of  the machining model,  the  following  section deals with  the  influence of carbide promoting elements on CGI machinability. The motive for this is that carbide promoting elements are present  in the scrap material, which  is partly used for the casting  of new  components  like  cylinder  blocks  and  cylinder  heads  for  the heavy truck industry. The chemical composition of the scrap material is highly important as high  levels of carbide promoting elements, such as Chromium  (Cr) and Manganese (Mn),  reduce  the  tool  life  drastically  due  to  carbides.  This  is  discussed  in  Section 2.2.2.  It  is  therefore  preferable,  from  a  machinability  perspective,  to  use  scrap material  with  low  levels  of  carbide  promoting  elements.  This  high  quality  scrap material is however expensive.  

One other  chemical  element  that promotes  carbides  is Molybdenum  (Mo). Mo  is added in the synthesis of CGI cylinder heads in order to increase the strength of the material  at  higher  operational  temperatures, which  is  crucial  for  a  cylinder  head material. Mo  also  improves  the  thermal  fatigue  life of  the material  [30]. Another chemical  element  that  strongly  promotes  carbides,  and  therefore  affects  the machinability,  is  Titanium  (Ti).  The  effect  of  Ti  on  CGI  machinability  has  been thoroughly investigated in several studies [27], [28]. 

Since  carbide  promoting  elements  have  such  large  influence  on  the  engine  from both design perspective and machinability perspective, an extensive DoE study was initiated. For more details, see Paper A.  

3.3.1 Factorialstudy

Cr, Mn and Mo were used as factors in the DoE study. The goal of the experiments was to evaluate how the factors affected both CGI machinability and CGI mechanical properties. The factorial levels can be seen in Table 2.    

Page 37: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

23 

Table 2: Factorial levels for the DoE study. 

Factor Level[in wt%]

Cr 0 ; 0.2Mn 0.4 ; 0.8Mo 0 ; 0.1 ; 0.2 ; 0.3

It was assumed that Mo effect on machinability was nonlinear, it was therefore set to  four  levels.  A  complete  factorial  experiment was  performed with  a  complete randomized design resulting in 16 unique CGI materials. In addition to these levels, a centre point was introduced (Mo = 0%, Cr = 0.1% and Mn = 0.6%), this was done in order  to  observe  whether  Cr  and Mn  had  a  linear  relation  to material  physical properties  and machinability.  As  a  result,  17  unique  CGI materials with  different chemical composition were produced  for machining experiments  in  the study. The same  type  of  workpiece  geometry  as  in  Figure  8b  was  used  for  casting  of  the different  CGI materials. All  cast  CGI materials were  characterized,  both  regarding microstructural and mechanical properties.   

3.3.2 Carbideparticleevaluation

A  study was  initiated  to  verify whether  the  concentrations  of  carbide  promoting elements were sufficient to result in carbide particles. Figure 11 shows two materials with high concentrations of carbide promoting elements.  

   

(a)  (b) 

Figure 11: (a) LOM picture of a CGI material at 5x magnification. The white fields are carbide inclusions. (b) SEM picture of a CGI material where the white fields (within the carbide 

inclusions) are Mo inclusions. 

It  is  clearly  demonstrated  that  carbide  particles  (white  fields)  are  present  in  the materials that have large concentrations of carbide promoting elements. That these concentrations of carbide promoting elements also should result in carbides has also been  stated  in  other  studies  [52].  It was  however  found  difficult  to  quantify  the amount of carbide particles. It was also hard to differentiate between the different types  of  carbide  particles.  Nevertheless,  the  concentration  of  carbide  promoting elements  reflects  on  the  amount  of  formed  carbide  particles.  Measuring  the concentration of carbide promoting elements requires no subjective  interpretation 

Page 38: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

24 

(in contrast  to quantify  the amount of carbides) by  the operator and  is also more practical  as  control  variable  in  engine manufacturing,  as  it  is  easier  to monitor. Therefore it was decided that the concentration of carbide promoting elements was preferred as evaluation parameter. 

3.3.3 Machiningexperiments

Repeated machining experiments were conducted in order to minimize uncontrolled experimental‐error  and  to  investigate  the  adequacy of  the  fitted model  [40].  The machining experiments were  carried out  in dry  face milling  in a Mazak machining centre, 37.7 kW, with an ISO‐50 taper at which a milling cutter was mounted (model R365‐063Q22‐S15H). The milling cutter was equipped with three coated cemented carbide inserts (R365‐1505ZNE‐KM K20W) evenly pitched, see Figure 12, in order to always have one insert engaged in cut.  

 

Figure 12: Machining set‐up for milling experiments.   

For  the milling experiments  the  following  cutting parameters were used: vc = 200 m/min, fz = 0.2 mm/tooth, ap = 3 mm and ae = 58 mm. The cutting data were fixed to these parameters to reduce the number of experiments to be run, and also because the  influence  of  cutting  data was  not  the  aim  of  the  experiments.  The  choice  of cutting parameters  and  selected  insert was motivated by  the  recommendation of truck  manufacturers  as  the  first  choice  in  face  milling  operations  on  cast  iron cylinder  blocks  in  production.  These  were  also  recommended  by  the  tool manufacturer.  

The workpieces were pre‐milled on the top, bottom and sides,  in order to remove the hard cast skin, with different microstructure and also  to obtain good clamping conditions.  Clamping  of  the workpiece was  done  by  help  of  a magnetic  table  to ensure uniform and repeatable clamping. 

Tool wear was measured at  frequent  intervals. Tool  life end, which was  the single response  variable,  was  reached  according  to  the  tool  life  criteria  presented  in Section 3.1.   

Page 39: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

25 

3.3.4 Results

Tool life end was reached in all machining experiments. More detailed results can be found  in  Paper  A.  One  dominant  tool  wear  mechanism  was  observed  in  all experiments, abrasive wear of the flank face of the tool, typically illustrated in Figure 13.   

 

Figure 13: Representative tool wear picture of an insert reaching tool life end characterized by abrasive wear on the flank face. 

A model for predicting the tool life as a result of Cr, Mn and Mo was created based on the results from microstructural characterization and the machining results. The main factor, interaction and quadratic effects were studied using DoE software [51]. Results  showed  that  that  no  quadratic  factor  effects  for  Mo  could  be  stated. However, two interaction effects were present, Mo x Cr and Cr x Mn. The model has a R2 value of 0.91 and a Q2 value of 0.87.  

Analysis  of  the  results  showed  that  Cr  was  the  foremost  important  carbide promoting  element  studied,  that had  strongest effect on CGI  tool  life.  Figure 14a illustrates the expected reduction in tool life as Cr content increases for a set value of Mo  to 0.1% and a set value of Mn  to 0.4%. The  figure clearly states  that,  from machining perspective, 0% Cr content  is desirable. However,  this  is not  realistic  in today manufacturing of engines. The Cr  content  should nevertheless be as  low as possible. E.g.,  if the Cr content  is  increased from 0.05% to 0.15% a 25%  loss  in tool life can be expected. Mn does not affect tool life to the same extent as Cr, which can be seen in Figure 14b.    

Mo, can be added  in the synthesis of CGI (contradictory to Cr and Mn) to  increase the strength of the material at higher operating temperatures. It was however found to have negative impact on CGI machinability. Its effect on tool life was although not as large as Cr but stronger than Mn. Figure 15 illustrates the effect of Mo on tool life as a function of Cr and Mn. 

From machining point of view, no Mo should be added when casting CGI, as clearly illustrated  in Figure 15. Mo does however  increase  the strength of  the material at higher  temperature  and  it  has  been  shown  that  the  thermal  fatigue  life will  be improve by 313% for a CGI material with 0.23wt% Mo addition [30]. It is therefore a question  of  achieving  balance  between  material  strength  and  material machinability. 

   

Page 40: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

26 

(a) 

 

(b) 

 

Figure 14: (a) Cr influence on tool life in milling of CGI for a set value of Mo and Mn to 0.1% and 0.4% respectively. (b) Mn influence on tool life in milling of CGI for a set value of Mo and Cr to 0.1% and 0.05% respectively. The dashed lines show the upper and lower 95% confidence 

interval.    

25

30

35

40

45

50

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20

To

ol l

ife [m

in]

Cr [%]

Tool life predicted for Cr (Mo=0.1%, Mn=0.4%)

30

32

34

36

38

40

42

44

46

0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80

To

ol l

ife [m

in]

Mn [%]

Tool life predicted for Mn (Mo=0.1%, Cr=0.05%)

Page 41: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

27 

   

 

(a)  (b) 

   

(c)  (d) 

Figure 15: Tool life in milling of CGI as a function of Cr and Mn for different concentrations of Mo. (a) Mo = 0%. (b) Mo = 0.1%. (c) Mo = 0.2%. (d) Mo = 0.3%. 

Further  analysis  showed  that  all  carbide  promoting  elements  (Mo,  Cr  and  Mn) affected  the material physical properties. Mn had  the greatest effect on UTS  and hardness, where a large concentration of Mn increased the strength of the material. Higher  level of Cr resulted  in a more brittle material. More details can be found  in Paper A. It should further be mentioned that a patent application have been made based on the results [53]. 

 

35404550

Tool life

202530

55

Page 42: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

28 

3.3.5 Conclusions

The study presented  in this section had the purpose of evaluating the contribution of  the carbide promoting elements on  the machinability of CGI parts. The carbide promoting elements affect  the amount of  formed carbides, which  is an  important parameter  to  consider  in  the  CGI  machining  model.  As  tool  life  and  tool  wear mechanisms are of great concern  in milling of CGI, the machinability  is only  limited to these factors. The study also demonstrates that the cutting parameters selected result  in  a uniform  and  gradual  tool wear,  characterized by  abrasive wear on  the flank face of the tool with no sudden tool fracture.  

The following conclusions could furthermore been drawn from this study.   

Cr has the strongest effect on tool life in milling of CGI and should therefore be monitored carefully when purchasing scrap material. 

Mo,  which  increases  the  strength  of  the  material  at  higher  operational temperatures, also strongly affects the tool life 

If the Cr concentration is increased from 0.05% to 0.15%, the tool life in CGI milling will be reduced by 25% 

3.4 InfluenceofcuttingparametersonCGImachinabilityinmilling

The  study  in  this  section  refers  to  the  influence  of  cutting  parameters  on  CGI machinability  in  face  milling  using  coated  cemented  carbide  tools.  Cutting parameters  are  important  both  from  a  design  and  process  planning  perspective. However, in this section, it is only considered from a design perspective.  

Concerning cutting parameters, cutting speed and  feed are  the  two most  relevant factors to consider, since they directly affect the material removal rate and tool life, and also because they can be relatively easily changed. Cutting width is more related to  the  component  configuration  and  the  selected  tool  geometry.  Generally,  it  is advisable from productivity perspective to perform the machining operation  in one pass  rather  than  two, meaning  that  the width  of  cut  is  equal  to  the  component width. This  is also the case  for depth of cut.  If surface finish  is not a problem,  it  is better to perform the machining operation in one pass. 

There are many different techniques to obtain the optimal cutting parameters with regards  to  both  high material  removal  rate  and  long  tool  life.  Some  of  the  early pioneer  work  in  the  area  was  performed  by  F.W.  Taylor  in  1907  [54]  when  he presented the Taylor equation and by B. Colding who in 1959 [55] started the work which  resulted  in  the  Colding  equation.  Since  then, much  effort  has  been made throughout  the  years  to  develop  even  better  tools/programs  for  cutting optimization procedures. However, even if the optimal cutting parameters are found after numerous machining experiments, they are only defined for a specific type of machining operation, cutting tool, clamping, etc. A more universal model has greater practical  applicability.  Such  a model  should  illustrate how  the  cutting parameters affect machinability, rather than only suggesting “the right” cutting parameters. By doing so, a deeper knowledge about the machining process behaviour is gained. For that  reason, a  factorial  study was  initiated. The  focus of  the  study was  the effect 

Page 43: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

29 

different cutting parameters have on CGI machinability. These are important inputs to the presented CGI machining model, in this thesis.   

3.4.1 Factorialstudy

As  cutting  speed, vc, and  feed,  fz, are  the  two most  important  cutting parameters these were used as  factors  in a DoE  study. The goal with  the experiments was  to evaluate how the  factors affected CGI machinability, characterized  in  tool  life. The factorial levels and the test plan can be seen in Table 3. Each factor was set to three levels in order to see whether the effect on machinability was nonlinear. A complete factorial experiment was performed with a complete randomized design resulting in 9 different cutting parameter combinations. 

Table 3: Test plan for the DoE study with the corresponding material removal rate (MRR). 

Cutting datacombination

vc [m/min]

fz [mm/tooth]

MRR [cm3/min] 

1 120  0.15 41.3 2 120  0.20 55.0 3 120  0.25 68.8 4 160  0.15 55.0 5 160  0.20 73.3 6 160  0.25 91.7 7 200  0.15 68.8 8 200  0.20 91.7 9 200  0.25 114.6 

A  unique  “component  like”  workpiece  was  design  and  used  for  the  machining experiments  in contrast to the machining DoE studies presented  in Section 3.2 and Section  3.3.  The  workpiece  was  designed  to  reproduce  a  real  cylinder  block. Thorough  microstructural  and  mechanical  properties  characterization  was performed and the results are illustrated in Table 4. The workpiece will be discussed further, from a process planning perspective, in Section 3.5. 

Table 4: Microstructural and mechanical properties of the “component like” workpiece.  

Factor ValueNodularity 10 [%]Pearlite content 90 [%]Tensile strength 468 [MPa]Elongation to fracture 1.9 [%]

3.4.2 Machiningexperiments

Repeated machining experiments were conducted in order to minimize uncontrolled experimental‐error  and  to  investigate  the  adequacy of  the  fitted model  [40].  The machining experiments were  carried out  in dry  face milling  in a Mazak machining centre, 37.7 kW, with an ISO‐50 taper at which a milling cutter was mounted (model R365‐125Q40‐S15H). The milling cutter was equipped with three coated cemented carbide inserts (R365‐1505ZNE‐KM K20W) evenly pitched.  

For the milling experiments the following cutting parameters were used: ap = 3 mm, ae = 100 mm, vc and  fz according  to Table 3. Tool wear was measured at  frequent 

Page 44: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

30 

intervals. Tool  life end, which was the response variable, was reached according to the tool life criteria presented in Section 3.1. 

Clamping of the “component like” workpiece was done by help of a magnetic table, see  Figure 16.  The bottom  and  top of  the workpieces was pre‐milled  in order  to obtain good clamping conditions and to get the same depth of cut the first cutting pass. 

 

Figure 16: Machining set‐up with the “component like” workpiece.   

3.4.3 Results

The  results  from  the machining experiments are  illustrated  in Figure 17a  together with the material removal rate (MRR) for the different combinations of cutting data (Table 3). Another  representation of  the  results  is presented  in Figure 17b, where the removed amount of material represents the machinability.   

There  is a  large variation  in tool  life  for  the different cutting data combinations as can  be  seen  in  Figure  17a.  The  longest  tool  life  was  obtained  for  cutting  data combination  3  (Table  3).  This  combination  also  has  relatively  high  MRR  and therefore  the  removed  amount  of material  is  also  large,  see  Figure  17b. When analysing the results, it is evident that generally, longer tool life is obtained at lower material removal rate. The trend  is however nonlinear. Cutting data combination 3 has for example  longer tool  life as compared to cutting data combination 1, which has  lower  feed  and  therefore  should  result  in  longer  tool  life.  The  tool  wear mechanisms were for this reason studied more carefully. It was found that the tool wear pattern differed when combing low feed and low cutting speed, see Figure 18 and  Figure  19.  At  vc  =  120 m/min  and  fz  =  0.15 mm/tooth  the  abrasive wear  is concentrated at  the nose radius. This explains  the nonlinear behaviour  in  tool  life, 

Page 45: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

31 

compared  to  MRR.  Figure  18  also  illustrates  that  at  higher  cutting  speed  (200 m/min),  the  tool wear  is not as evenly distributed over  the  flank  face as  for  lower cutting  speed.  The dominating  tool wear mechanism  in  this  selected domain was abrasive wear on the flank face of the tool.   

 (a) 

 

(b) 

 

Figure 17: (a) Tool life in milling of CGI with error bars (variation in tool life between the two repetitions) and material removal rate (MRR) for the different cutting data combinations (Table 3). The left vertical scale is tool life (blue bars) and the right scale is the material removal rate (green bars). (b) Same as Figure 17a but with removed amount of material 

instead of tool life.    

   

0

20

40

60

80

100

120

0

20

40

60

80

100

120

140

1 2 3 4 5 6 7 8 9

MRR [cm

3/m

in]

Tool life [min]

Cutting data combination

Tool life in milling MRR

0

20

40

60

80

100

120

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 2 3 4 5 6 7 8 9

MRR [cm

3/m

in]

Removed amount of material

[cm

3]

Cutting data combination

Removed amount of material MRR

Page 46: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

32 

  0.15 mm/tooth  0.20 mm/tooth  0.25 mm/tooth 

120 

m/min  

160 

m/min  

200 

m/min  

Figure 18: Tool wear on flank face, represented by one of the three inserts, for each cutting data combination (Table 3). 

  0.15 mm/tooth  0.20 mm/tooth  0.25 mm/tooth 

120 

m/min  

160 

m/min  

200 

m/min  

Figure 19: Tool wear on rake face, represented by one of the three inserts, for each cutting data combination (Table 3). 

A model  for predicting  the  tool  life  in milling of CGI as a  function of vc and  fz was created based on the machining results. The main factor, interaction and quadratic effects were  studied using DoE  software  [51]. A model was  created based on  the main  factor  effects,  two  interaction  effects  and  one  quadratic  effect.  This  is illustrated in Figure 20. The model has a R2 value of 0.87 and a Q2 value of 0.71. 

Page 47: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

33 

      

Figure 20: Influence of the cutting parameters: feed and cutting speed on tool life in milling of CGI. 

Tool  life  in milling of CGI  is more dependent on cutting speed than feed, as can be seen in Figure 20. This has also been seen in other studies [56]. This is not surprising as it is well known that higher cutting speeds in machining of CGI can lead to looses in machinability [31]. According to Figure 20, high feed rate and low cutting speed is preferable.  However,  a  greater  feed  leads  to  a  larger  chip  thickness  resulting  in increased cutting forces and therefore greater load on the inserts. This increases the probability of sudden tool fracture [47], which also occurred in this study when the feed  exceeded  0.25 mm/tooth.  The  feed  has  therefore  an  upper  limit  for which sudden  tool  fracture will  not  appear.  This  should  especially  be  considered when machining  complex  components  as  the  inserts  are  more  prone  to  fracture,  in comparison  to machining of homogenous workpieces under  the  same  conditions. This will be discussed further in Section 3.5.  

A prediction model based on cutting speed was established as  it was of such great importance  for  the  tool  life  in milling of CGI, see Figure 21.  If  the cutting speed  is increased  from  120 m/min  to  200 m/min,  a  50%  reduction  in  tool  life  could  be expected. The MRR is however increased by almost 70%. 

 

Tool life in milling [min]

Cutting feed [mm/tooth]

0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25120

130

140

150

160

170

180

190

200

60

70

80

90

100110

120

60

70

80

90

100

110

120

60

70

80

90

120

100110

Page 48: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

34 

 

Figure 21: Tool life in milling of CGI as a function of cutting speed for fz = 0.2 mm/tooth. The dashed lines show the upper and lower 95% confidence interval. 

3.4.4 Conclusions

From this study the following conclusions could be drawn: 

vc has larger influence on tool life in milling of CGI than fz. 

The dominating tool wear mechanism,  in the selected domain, was abrasive wear on the flank face of the tool. 

At low feed (0.15 mm/tooth), tool wear is more concentrated near the nose of the insert which reduces the tool life in milling of CGI. 

By  increasing  the  cutting  speed  from  120  m/min  to  200  m/min,  a  50% reduction in tool life in milling of CGI could be expected. The MRR is however increased by almost 70%. 

Good productivity  and  tool  life  is obtained with high  feed  and  low  cutting speed in milling of CGI. 

The  inserts  showed  stronger  tendency  to  fracture  when  machining  the “component like” workpiece, in comparison to the homogenous workpieces.     

These results are important inputs to the CGI machining model. 

 

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200

Too

l life

[m

in]

Cutting speed [m/min]

Tool life in milling as a function of cutting speed for fz=0.2 mm/tooth

Page 49: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

35 

3.5 Machinability of CGI from a process planningperspective

The process parameters are obviously important from process planning perspective as  they directly affect  the machining  result. These parameters could also easily be adapted for the specific machining operation. There are however other factors that affect  the  machining  results  and  therefore  the  machinability,  especially  in intermittent  machining.  Other  important  factors  to  consider  here  are  the component configuration, milling cutter positioning with respect to the workpiece, milling cutter diameter and number of  inserts. These  factors should be considered when setting up a machining operation to obtain a stable cutting situation, which is desirable. From process planning perspective, stable cutting means controlled and gradually  increasing tool wear, resulting  in predictable tool  life.  In this respect  it  is important  to  select  cutting  parameters  in  a  parametric  domain where  tool wear criterion is enforced. The main cutting parameters that are crucial in this respect are cutting  speed  and  feed.  There  are  two  other  unfavourable  situations  in  the machining of real parts. 

Selection of too high cutting speed with the result of moving the wear area from  the  flank  face of  the  tool  to  the  tool‐chip  interface on  the  rake  face. Then sudden fracture could occur due to high thermal stresses. 

Unfavourable  entrance  and  exits  of  the  cutting  edge,  resulting  in  high mechanical stress on the tip of the tool leading to edge fracture. 

The  second  situation  is more  likely  to occur when milling of complex components with  holes  and  slot,  e.g.,  as  shown  in  Figure  22.  This  leads  to  an  interrupted machining  situation  where  the  inserts  have  multiple  entries  and  exits  each revolution,  which  affects  the  operational  dynamic  parameters.  This  can  lead  to forced  vibrations which  could  affect  the  surface  roughness  but  also  tool  fracture [57]. Machine tool vibration affects not only the surface quality, but also the tool life and  production  rates  [58].  Further,  these  multiple  entries  and  exits  result  in increased cyclic thermal and mechanical loads with each revolution, and could lead to thermal cracking and stronger tendency to exit failure [46].  

 

Figure 22: The cylinder block “component like” OPTIMA Sweden workpiece. The dimensions of the workpiece are: 100x200x400 mm.  

   

Page 50: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

36 

Some of these problems could be solved by changing the positioning of the milling cutter  in relation to the component to be machined.  It has been found that exit of cut  is of  far greater  importance  than entry of  cut,  from  tool  fracture perspective, because of the sudden unloading. The tendency is greatest at larger chip thickness, i.e. when the exit angle is near the centre of the milling cutter [47]. Down milling is therefore usually the first choice due to no problematic chip thickness at the end of cut [59]. However, often the situation is more complex. If the width of cut is larger than the radius of the milling cutter, or if the centre of the milling cutter is inside the workpiece, both an up‐milling and down‐milling  situation will occur. Furthermore, some components´ width are not constant, as seen in Figure 22, resulting in varying entry and exit angles during the cutting pass. In addition, when cutting over cavities, an unfavourable cutting situation could occur when leaving the cut at maximum chip thickness.  It  is  therefore  a  complex  task  to  avoid  unfavourable  cutting  situations over the whole cutting pass. Therefore, by positioning the milling cutter in a proper way, a compromise over the whole cutting pass can be achieved. Generally, having the centreline of the milling cutter well  inside the workpiece width  is considered a good practice for face milling operations under those circumstances. If the tool is to re‐enter in a peripheral shoulder, this often results in severe entry angle conditions which could lead to tool fracture [46]. 

Another  way  to  improve  the  cutting  situation  is  by  changing  the  milling  cutter diameter or number of  inserts. They are also  important  factors as  they affect  the static  and  dynamic  loads  and  therefore  they  are  further  related  to machine  tool capability, such as spindle power. 

The influence of component configuration, milling cutter positioning with respect to the workpiece, milling cutter diameter and number of inserts could highly affect the machining results in terms of vibrations, tool fracture and tool life. This is not unique for  CGI.  However,  for  CGI,  the  strength  of  the  material  is  strongly  affected  by solidification and cooling rates. This means that the material properties could greatly differ in thin and thick sections. Consequently, it is highly important to carefully plan the machining operation, in intermittent machining of CGI, to obtain a stable cutting situation with controlled and gradually increasing tool wear. The milling operation is in the following sections studied more carefully from a process planning perspective to  acquire  a  deeper  understanding  of  how  CGI  components  could  be machined successfully. This gives vital  information  to  the presented CGI machining model  in this thesis.   

3.5.1 Microstructuralandmechanicalpropertiesevaluation

A  “component  like”  workpiece  was  developed  for  this  purpose  (Figure  22).  By designing the workpiece to resemble a real component out in the industry a better correspondence with  real machining  results will be achieved. This  is  the approach that  should  be  taken  in  order  to  transfer  laboratorial  results  to  real  industrial applications  [60]. The design process of the workpiece  focused on achieving a test specimen  that  had  comparable  solidification  rate,  cooling  rate,  nodularity,  and pearlite  content  to  those of a  cylinder block. The  component  configuration of  the workpiece  is also similar to a cylinder block out  in the  industry and the performed machining  experiments  have  therefore  better  correspondence  to  a  real  industrial milling application, see Paper F [56].  

Page 51: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

37 

A thorough characterization of the microstructural and mechanical properties of the workpiece was initiated. Five randomly selected cast workpieces were characterized regarding  microstructural  properties  in  order  to  see  the  variation  between  the workpieces, but also to see the variation within each workpiece. The microstructure was investigated at three different positions on the workpiece and for each position the microstructure was tested at the surface and at 50 mm depth from the surface. Furthermore,  two  workpieces  were  used  for  the  characterization  of  mechanical properties. The  test bars were  taken  from  two different positions. Test bars were also taken from both the surface and at 50 mm depth. The average results with the observed intervals are presented in Table 5. 

Table 5: Microstructural and mechanical properties of the workpiece, with inspected intervals.  

Factor Mean value IntervalNodularity 10 [%] 7‐16 [%]Pearlite content 90 [%] 85‐95 [%]Tensile strength 468 [MPa] 454‐485 [MPa]Elongation to fracture 1.9 [%] 1.9‐2.0 [%]

It  is  clear  that  the  microstructure  and  the  mechanical  properties  are  not homogenous  in  the workpiece.  The difference between  the  inspected workpieces was  less  than  the difference within each workpiece.  It was  found  that  the  thinner sections  demonstrated  a  stronger  tendency  to  promote  spheroidal  graphite structure. This corresponds with its faster solidification rate compared to the thicker sections  [22],  also  discussed  in  Section  2.2.1.  The  higher  strength  of  the  thinner sections  is  something  that  should  be  considered  when  setting  up  a  machining operation. This since if the tool would leave cut with maximum chip thickness here, it  will  result  in  an  even  larger  impact  and  more  undesirable  cutting.  It  is consequently a stronger tendency for the tool to fracture. 

It was also found that the nodularity of the thicker sections was more constant with depth  from  the  surface.  This  is  because of  the  smaller  difference  in  solidification rate,  compared  to  the  thinner  sections.  The  nodularity  in  the  “component  like” workpiece varied between 7‐16%, see Figure 23.  If the nodularity of the workpiece would have been constant, a difference in nodularity between 7‐16% would result in a 10‐15% difference in tool life, according to the tool life model presented in Section 3.2. The “component like” OPTIMA Sweden workpiece is however not homogenous and it is possible that such a difference in nodularity could reflect on machinability in a different way.  

The  pearlite  content  was  found  to  be  rather  constant  within  the  workpiece. Concerning coarseness of  the pearlite,  it has been  found  in other studies  that  the interlamellar distance  in pearlite of  the  thinner  and  thicker  sections  are different [19], which can affect  the mechanical properties.  In  the above mentioned study  it was  found that  its effect on machinability could be neglected, at  least  for sections varying between  26 mm  to  80 mm.  The  thinnest  section of  the OPTIMA  Sweden workpiece is 20 mm and the thickest is 70 mm. The difference in coarseness of the pearlite should  therefore not have any significant effect on  the machining process behaviour. 

The  inspected  results  reflected  the microstructural and mechanical properties  in a real cylinder block. An even more careful characterization of the microstructural and mechanical properties of the workpieces can be found in Paper B. 

Page 52: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

38 

   

(a)  (b) 

Figure 23: Representation of a microstructure with 5% nodularity (a) and 15 % nodularity (b), respectively (source Sintercast).  

3.5.2 Cutting force evaluation in interruptedmilling of CGIcomponents

Cutting  force evaluation represents an  important component  in the CGI machining model  developed  for  the  present  machinability  framework,  see  Figure  5.  As generally, the milling process is inherently intermittent, large forced excitations will act  on  the  cutting  tool  as well  as  on  the  entire  elastic  structure  of  the machine. These  forced  excitations  induce  dynamic  effects with  unpredictable  outcomes  on parameters  involved  in  machinability  evaluation.  Therefore,  in  order  to  build  a consistent machining model  it  is  important  to  understand  the  nature  of  cutting forces  and  their  effect on machinability. As before  the machinability  is  evaluated here mainly through analysis of tool wear mechanisms and tool life. 

A  rotating  cutting  force dynamometer  (also discussed  in  Section 3.1) was  for  this purpose used. The cutting forces were evaluated while machining the “component like”  workpiece  illustrated  in  Figure  22.  The  aim  of  the  experiments  was  to investigate in greater depth the influence of component configuration, milling cutter positioning  with  respect  of  the  workpiece  and  the  number  of  inserts  cutting simultaneously. The workpiece was machined in two cutting passes (vc = 150 m/min, fz  =  0.3 mm/tooth,  ap  =  3 mm  and  ae  = 100 mm), using  a  face mill  (model R365‐125Q40‐S15H) with  a diameter of 125 mm. The milling  cutter was equipped with three  coated  cemented  carbide  inserts  (R365‐1505ZNE‐KM  K20W).  Figure  24 illustrates the cutting operation and the resultant cutting force.   

Page 53: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

39 

 (a) 

 

(b) 

 

Figure 24: (a) Cutter position during the first cutting pass. (b) Resultant cutting force as a function of time, for the first cutting pass.  

It can clearly be seen that the resultant cutting force varies during the cutting pass. The resultant cutting force alternates from zero to a maximum value, depending on the current chip thickness. This can be more carefully  investigated by studying the resultant  cutting  force  during  a  short  time  interval  (Figure  25c) when  the milling cutter  is  positioned  according  to  Figure  25a.  An  interrupted  cutting  situation  is evident when the number of inserts engaged in cut alternate from one to zero. Such circumstances  can  result  in  forced  vibrations  which  could  affect  the  surface roughness but also lead to tool fracture as seen in Figure 26 [57].  

However,  the resultant cutting  force  in Figure 24 has a divergent behaviour at  the time  interval between 23 and 24  seconds. This  is  shown  in Figure 25d, where  the milling cutter  is positioned as  illustrated  in Figure 25b. The  resultant cutting  force alternates from a maximum value to a value larger than zero. The reason to that is that the next insert starts to cut before the earlier insert leaves cut. 

 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500Face milling of CGI, vc=150 m/min, fz=0.3 mm/tooth, Z=3

Time [sec]

Res

ulta

nt c

utti

ng

forc

e [N

]

Page 54: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

40 

   

(a)  (b) 

 

(c)  (d) 

Figure 25: (a), (b) The cutter position and the respective resultant cutting force as a function of time (c), (d).  

 

Figure 26: Fractured tool after face milling of CGI with a cutting speed of 150 m/min and a feed of 0.3 mm/tooth.  

The machining situation clearly changes during a cutting pass, from a situation with at least one insert in cut, to a condition where the insert starts cutting without the support of the previous  insert. Furthermore, this was found to be reflected on tool wear  behaviour.  The  inserts  showed  a much  greater  tendency  to  fracture when machining  this  ”component  like”  workpiece,  compared  to  machining  of  a homogenous workpiece. One explanation for this is that, at some machining instant during  the  cutting  pass  over  this  inhomogeneous  workpiece  with  cavities, alternating  entry  and  exit  angles,  and multiple  entries  and  exits,  there would  be 

33.1 33.15 33.2 33.25 33.3 33.350

500

1000

1500

2000

2500

Face milling of CGI, vc=150 m/min, fz=0.3 mm/tooth, Z=3

Time [sec]

Res

ulta

nt c

utti

ng

forc

e [N

]

23 23.05 23.1 23.15 23.2 23.25 23.30

500

1000

1500

2000

2500

Face milling of CGI, vc=150 m/min, fz=0.3 mm/tooth, Z=3

Time [sec]

Res

ulta

nt c

utti

ng

forc

e [N

]

Page 55: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

41 

likely to occur an undesirable cutting situation with maximum chip thickness either at  entry  or  exit  of  cut.  This  is  highly  damaging  for  the  tool.  Furthermore,  if  this undesirable  cutting  situation  occurs  when  cutting  over  a  thin  section  in  a  CGI component,  the  impact  will  be  even  greater  as  the mechanical  strength  of  the material  is  strongly  dependent  on  the  section  thickness, which  can  increase  the tendency  for  tool  fracture  even more,  as mentioned  in  Section  3.5.1.  The  ratio between toughness to hardness of the tool is consequently very important.  

The  tool  fracture  tendency  should  decrease  if  one  or  more  inserts  was  always engaged  in  cut  simultaneously,  especially  at  tool  entry  and  exit  of  cut.  In  the machining situation discussed above, 80% of the maximum cutter width is used. It is nevertheless only a  short  time period during  the cutting pass  that an  insert  starts cutting with the support from the previous inserts. This time period will increase if a larger number of  inserts would be used or  if  the  ratio between width of  cut  and diameter of the milling cutter would increase.  

However, while it is advantageous from tool fracture perspective to have more than one insert engaged in cut at one time, too many inserts cutting simultaneously could result  in  problems  related  to  power  requirements  and  fixturing.  Furthermore  the chip evacuation will result  in problems  if the milling cutter pitch  is decreasing. Also from  the  point  of  view  of  regenerative  chatter  several  inserts  engaged simultaneously in cutting may result in stability problems due to the coupling of chip thickness  variations  between  consecutive  teeth.  In  machinability  studies,  an increased number of  inserts would  also  result  in  larger  amount of material  to be removed  in order  to  reach  the  tool  life  end.  Furthermore,  even  if  twice  as many insert were  to  be  used,  there would  still  occur  situations where  the  insert  starts cutting without the support from the previous insert due to the cavities.     

3.5.3 Vibration evaluation in interrupted milling of CGIcomponents

As discussed in section 3.5.2, the intermittent nature of the cutting process induces large  dynamic  forces  at  the  cutting  tool  edge  as  well  as  in  entire machine  tool structure.  This  in  turn  causes  variation  of  cutting  parameters mainly  producing  a chip thickness variation which to a  large extent affects machinability. Apart from a large variation of the cutting force with time during one rotation of the milling cutter which  is  superimposed  on  the  gradually  varying  of  the  cutting  force  during  the movement of one tooth, the cutting force induces high vibration levels in the cutting edge. This dynamic effect causes unpredictable changes in the tool wear mechanism and generally in tool life. More important, the dynamic cutting forces will affect the surface  roughness  and  surface  integrity  of  the machined  part  due  to  the  relative movement between cutting tool and workpiece caused by vibrations, see Figure 5. Depending on the total numbers of teeth on the milling cutter, the numbers of teeth simultaneously  in‐cut and  the  rotation of  the  cutter, various dynamic phenomena can  be  identified. When  the  tooth‐pass  frequency  is  close  to  one  of  the  natural frequencies of the machine tool structure,  large forced vibrations will occur due to the  resonance.  This  phenomenon  will  produce  dimensional  variations  of  the machined  part  and  tool  fracture. When  the  chip  thickness  varies  between  two consecutive  teeth,  the  regenerative  chatter  is  likely  to  arise.  Chatter  will  cause chipping  of  the  tool  edge  and  a  typical  vibration  pattern  on  the  surface  of  the 

Page 56: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

42 

machined part. Therefore, studying dynamic phenomena  in  intermittent machining will  contribute  to  a more  reliable machining model  being  developed  within  the machinability framework. Further, these machining vibrations need to be controlled as they are a limiting factor for productivity [61].  

The machining  operation  of  the  “component  like” workpiece was  for  this  reason studied  more  carefully  regarding  vibration.  The  milling  cutter  was  positioned according  to  Figure 24a, and  the  cutting parameters was  the  same as  in previous experiment  (vc = 150 m/min,  fz = 0.3 mm/tooth, ap = 3 mm and ae = 100 mm). A three component accelerometer was placed on the spindle to measure its vibration during  machining  along  to  three  orthogonal  directions.  The  milling  cutter  was equipped with three, four and six evenly distributed inserts (with a 12 total numbers of possible) in order to see how the number of inserts affected the vibrations. More inserts engaged  in cut simultaneously should  result  in  less  forced vibration due  to decreasing of  the variation of  cutting  force during a  tooth engagement. Figure 27 shows the measured vibrations  in y‐direction, which  is perpendicular to the cutting path. 

 

Figure 27: Vibration amplitude as a function of cutter position (same cutting pass as in Figure 24a) over the workpiece. The red area highlights where the largest vibrations occurred.        

The measured  vibration  amplitude has  a different behaviour,  as  compared  to  the cutting  forces, as  seen  in Figure 24. Figure 27  clearly  illustrates how  the vibration amplitude  is affected by  the alternating entry and exit angles and multiple entries and exits.  

   

0 300 mm 400 mm100 mm 200 mm

I acc

(g)

I

Vibration Y direction – 3, 4 and 6 inserts (fz=0.3mm/tooth , vc=150 m/min)

Page 57: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A MACHINING MODEL FOR CGI MACHINABILITY STUDIES 

43 

The  largest  amplitude  peaks  are  found  between  60‐80  mm  and  145‐180  mm respectively, see Figure 27. These are the sections where the insert starts to cut with maximum chip thickness, due to the positioning of the milling cutter  in relation to the workpiece.  The  lowest  vibration  amplitude  is  shown  between  90‐110 mm.  In that  interval, two  inserts are cutting simultaneously which to some extent reduces the  vibrations.  Another  interesting  observation  is  that  an  increased  number  of inserts,  does  not  directly  reduce  the  vibrations.  In  the  thinnest  section  (145‐180 mm),  there  is  actually  larger  vibration  amplitude when  cutting with  six  inserts  as compared  to  three. One  explanation  for  this  is  that  the  tooth  passing  frequency increases when using more inserts resulting in that higher vibration modes (natural frequencies) are excited in the machining system structure [57]. This was verified by experimental modal analysis. The phenomenon could to some extent be reduced, if two or more  inserts would be  in cut simultaneously. However,  in  this  thin section (145‐180 mm)  there are not  two  inserts  cutting  simultaneously, neither  in  the  six inserts or the three inserts configuration due to the cavities. 

3.5.4 Conclusionsandinterpretationofresults

This  discussion  demonstrates  that  other  parameters,  such  as  e.g., milling  cutter positioning  with  respect  to  the  workpiece,  should  be  considered  from  process planning perspective,  rather  than  solely  cutting parameters  in optimization of  the machining operation.  

The cutting conditions clearly change during the cutting pass, both regarding static and  dynamic  loads.  It  should  be  noted  that  this  type  of  machining  situation  is common  in  component  manufacturing.  The  optimization  procedure  of  cutting parameters,  when  setting  up  a  new  machining  operation,  should  therefore  be performed on either real components or “component like” workpieces as machining results performed on  ideal homogenous workpieces are not  comparable  to a  real machining situation, especially when machining CGI since  it  is strongly affected by section  thickness.  This  should  also  be  considered  in  tool  development  when recommending cutting parameters for CGI machining. In CGI tool development, the relation  between  toughness  and  hardness  of  the  tool  is  consequently  very important. 

Furthermore, when  setting up  a machining  operation,  the  number  of  inserts  and milling  cutter  positioning  should  be  selected  in  such  a  way  so  as  to  minimize undesirable cutting situations with maximum chip thickness either at entry or exit of cut especially at thinner sections with high material strength. This is highly damaging for the tool and could lead to tool fracture, especially when machining CGI since it is strongly affected by section thickness. These results contribute to the CGI machining model.  

A new generation of tools should be developed under circumstances comparable to real  machining  situations  and  not  under  ideal  conditions  as  when  cutting homogenous workpieces.  

 

Page 58: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron
Page 59: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

45 

4 A NOVEL METHOD TO STUDY THE CHARACTERISTICS OF THE INTERMITTENT

CUTTING PROCESS  

This chapter presents a novel method  for evaluation of  the  intermittent machining process behaviour. The method enables a milling operation to be reproduced in turning application. This simulated method was developed in order to study the temperature distribution on the cutting tool during CGI machining, which  forms the base  for the machining model and  further  for the machinability analysis performed  in this research. The IR camera technique was used to investigate the temperature field on the insert during intermittent  machining  of  CGI.  These  results  are  later  used  as  input  data  in  an  inverse thermo−mechanical FE model, presented in Chapter 5. 

 

The contact area on the tool–chip  interface  in particular  is considered to be a very important zone, controlling the mechanics of cutting, and becomes a point of focus for developing a realistic machining model. Cutting forces, temperatures, tool wear rates, and machinability of CGI materials are closely associated with the phenomena governing this region. 

There  is  not  possible  to  experimentally  extract  from  a  milling  process  all  data needed to develop a complete machining model. As the information available at the tool–chip interface naturally forms the base for the machining model and further for the machinability  analysis  performed  in  this  research,  it  is  difficult  to  access  this zone due to the problems related among other things to the rotating tool.   

In  this  respect,  one  of  information missing  in  the machining model  is  the  heat generation and thereby the temperature distribution on the tool–chip interface. This information will give an understanding of  the  tool wear mechanisms on  rake and flank  faces  of  the  tool  and will  serve  as  a mean  for  further  optimization  of  the cutting data and/or tool geometry.  

Therefore, after carefully studying the intermittent process, as described in Chapter 3,  a novel method  and workpiece were designed,  in order  to make  it possible  to measure  the  temperature  distribution  during  an  intermittent  process  with  a stationary tool and a rotating workpiece.        

4.1 Simulatedmillinginturningoperation

It is difficult to investigate the cutting zone physics that occur during chip removal in milling. Placement of sensors  is difficult and often practically undoable due  to  the rotating  cutting  tool. Therefore,  it  is more  common  to  study a  continuous  cutting process, e.g., turning operations, this is presented in Paper C [62].  

However,  a  conventional  turning  operation  is  not  comparable  to  a  conventional milling  operation  for  two  main  reasons.  Firstly,  turning  is  a  continuous  cutting process without  interruptions performed with a single  tool. This  is not  the case  in milling. The interrupted cutting in milling, leads to cyclic heat generation resulting in thermal chocks on the insert. Secondly, in turning, the chip thickness is theoretically constant.  In milling  however,  the  chip  thickness  is  not  only  affected  by  the  chip 

Page 60: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

46 

generating features in turning (e.g., feed and tool angles), but also by positioning of the milling  cutter  in  relation  to  the workpiece. The  thickness of  the  chip will vary during  the engagement of  cut.  It  is obvious  that  this will have another  impact on heat generation and  therefore  tool wear,  in comparison  to a conventional  turning application. The conclusions drawn from conventional turning studies can therefore not directly be applied to milling.  

A  novel method was  for  this  reason  developed.  The  goal  of  the method was  to represent a milling operation, emulated  in  turning via  transposition of  the  cutting process  in milling  to  turning. This approach opens  the opportunity  to use devices and sensors used  for studying  the cutting zone physics  in  turning, e.g.,  IR camera, thermocouples, high speed cameras,  force sensors or quick‐stop devices. A special workpiece, with  unique  design, was  developed.  During  cutting,  its  special  design results  in  a  chip  shape  with  varying  thickness.  This  is  enabled  by  an  axial displacement  of  a  cylindrical  surface  that  is  machined,  see  Figure  28a.  The eccentricity, i.e. the cylindrical surface’s axial displacement relative the rotating axis of  the workpiece  fixtured  in  the  lathe,  gives  the  chip  thickness  variation which  is illustrated  in Figure 28b. The design of  the workpiece also enables an  intermittent process (as in milling) via reducing the diameter for three quarters of the workpiece geometry.  

Workpieces were cast in CGI and machined to the right dimensions. The workpieces were  characterized both  regarding microstructural and mechanical properties,  see Figure 29 and Table 6. 

Table 6: Microstructural and mechanical properties of the simulated milling workpiece.  

Factor ValueNodularity 4 [%]Pearlite content 75 [%]Tensile strength 385 [MPa]Elongation to fracture 1.8 [%]HBW (10/3000) 196

A special turning tool holder was also designed on which a milling insert was placed (coated cemented carbide  insert, R365‐1505ZNE‐KM K20W), as this  is designed for an  intermittent  process.  The  turning  tool  holder  was  produced  to  resemble  the milling tool holder used in the machinability studies (Chapter 3) with the same axial rake  angle,  γp,  and  same  radial  rake  angle,  γf.  It  was  however  not  possible  to reproduce the same entering angle, κr, due to the design of the workpiece resulting in an end milling operation rather than a face milling operation.  

The diameter of the milling cutter, Dc, (as in milling) was reproduced by the diameter of the workpiece. Furthermore, width of cut, ae, (as in milling) was replicated via the axial cutting length, see Figure 28b. The design of the workpiece reproduces a down milling operation as the chip thickness in entry of cut is 0.3 mm reducing to 0 mm at exit.  

Page 61: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A NOVEL METHOD TO STUDY THE CHARACTERISTICS OF THE INTERMITTENT CUTTING PROCESS

47 

(a) 

 

(b) 

 

Figure 28: (a) Illustration of the simulated milling approach. The workpiece dimensions are 400 mm x Ø130 mm (Ø120 mm). (b) Illustration of the emulated chip cross section (grey arc).  

   

(a)  (b) 

Figure 29: Microstructure of the CGI material at 30x magnification (a) and 110x magnification (b), respectively.  

Workpiece

Chip cross section

Tool

ae, Dc / 2

Page 62: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

48 

4.2 Experimentalevaluationofthetechnique

The  developed  simulated  milling  method  was  used  to  study  the  temperature distribution  on  the  cutting  tool  during  intermittent machining  of CGI.  The  reason why  temperature  is  of  such  great  importance  is  that  the  heat  generated  during cutting  affects  tool  wear,  which  eventually  results  in  tool  failure,  especially  in machining of cast  iron and steel [39].  If the temperature field on the  insert can be measured, it can also be controlled, which is important in both tool design and when using  the  inserts  in  manufacturing  to  obtain  high  process  accuracy  and  high productivity.   

Analytical models can be used to predict the temperature  field on the cutting tool during  machining,  but  in  order  to  validate  these  models,  experimental measurements needs to be made. One accurate and  fast  technique  to acquire  the temperature on the cutting tool is the infra red (IR) camera technique. Commonly, it is  used  to  study  the  cutting  temperature  in  the  tool‐chip  interface  in  orthogonal cutting  operations.  This  was,  for  example,  the  method  used  by  M´Saoubi  and Chandrasekaran [63]. Often the  IR technique  is used to verify FE models [64], [65], [66],  [67].  Sometimes,  the  IR  technique  is  analysed  solely  to  measure  the temperature in the cutting zone, as Behnam did [68].  

In  this  thesis,  the  IR  camera  technique  has  been  used  to  study  the  cutting  tool temperature field on the rake face of the tool  in  intermittent machining of CGI. By studying the rake face temperature of the tool, the contribution of the nose radius and depth of cut are also observed, as opposed to  if the tool‐chip  interface would have been studied. The latter case also requires orthogonal cutting, which is rather rare in real industrial applications. Another advantage with the “rake face approach” is that standard tools can be used. 

Another approach that will be taken  in this thesis  is to use the data obtained from the  cutting  tool  temperature  measurements  as  input  data  in  an  inverse thermo−mechanical FE model, see Chapter 5. The data will be used both to validate and calibrate the FE model. 

Since the chip covers the cutting zone (highest temperature), it was not possible to register the highest temperature during machining, with this “rake face approach”. It was however possible to measure the temperature  in the areas right next to the cutting  zone  and  also  the  back  side  of  the  produced  chip,  during  machining. Furthermore,  the  intermittent  process  enabled  the  possibility  to  study  the temperature field on the insert directly before and after cut.  

The emissivity on the rake face of the tool was measured as 0.50. The camera used for the experiments had a resolution of 640x480 pixels and an  image frequency of 30  Hz.  A macro  lens was  used  to  get  as  close  as  possible  to  the  cutting  insert, resulting in an image focus distance of 75 mm and a field of view of 32x24 mm. Since the camera was so close  to  the cutting zone, where chips were  flying  towards  the lens, the camera had to be protected. A protective case for the camera was built in steel, in which an over pressure airflow was applied, see Figure 30a and Figure 30b. This reduced the amount of graphite particles penetrating the case. In the front end of the case, a special made coated germanium lens was placed. One side of the lens had a durable diamond  like carbide coating  (DLC),  the other  side a high efficiency anti‐reflective  (AR) coating which  resulted  in a  transmission coefficient > 89% at a 

Page 63: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A NOVEL METHOD TO STUDY THE CHARACTERISTICS OF THE INTERMITTENT CUTTING PROCESS

49 

wavelength from 8‐12 µm. The hard surface of the  lens reduces the abrasive wear from the chips but also allows infra red radiation to penetrate with only small losses. 

   

(a)  (b) 

Figure 30: Experimental set‐up for the cutting tool temperature evaluation using IR camera technique. 

Cutting  forces were  furthermore experimentally measured. The goal of the cutting forces  evaluation  was  to  determine  whether  the  characteristics  of  the  milling process were reproduced in the proposed approach, both regarding the intermittent process and the varying chip thickness.  

Machining experiments were initiated with the overall goal to 

evaluate whether  the method  is  comparable  to milling,  concerning  cutting forces, 

study the temperature field on the insert in intermittent machining of CGI,  

use the results as input data in the thermo−mechanical FE model, presented in Chapter 5. 

4.2.1 Cuttingforceevaluation

A cutting experiment of CGI was  initiated with the following cutting parameters (in terms of milling); vc = 100 m/min, fz = 0.3 mm/tooth, ap = 3 mm, ae = 64 mm, Dc = 128  mm.  The  measured  resultant  cutting  force  during  this  simulated  milling approach is illustrated in Figure 31a.  

Page 64: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

50 

 

(a)  (b) 

Figure 31: (a) Resultant cutting force in the simulated milling operation of CGI, vc = 100 m/min, fz = 0.3 mm/tooth. (b) Resultant cutting force during one engagement of cut.   

The  intermittent  process  can  clearly  be  noted.  The  lesser  cutting  force  in  the beginning of cut (1.8 sec, Figure 31a) is explained by the smaller chip area of the first revolution (depth of cut in milling). A more detailed picture of the resultant cutting force during one revolution is demonstrated in Figure 31b. The typical cutting force characteristics of a down milling operation, with large amplitude in beginning of cut decreasing as the chip thickness reduces is clearly seen. Figure 31b can be compared with  Figure  25d,  in  Section  3.5.2.  It  is  evident  that  the  down milling  operation successfully was  replicated, even  if  the magnitude of  the  resultant cutting  force  is different.  The  difference  in  magnitude  is  explained  by  the  difference  in  cutting parameters,  entering  angle,  κr,  and  dynamometer  positioning  in  relation  to  the cutting zone.  

It is apparent that the milling operation successfully can be reproduced, concerning cutting force characteristics, by the proposed simulated milling method.          

4.2.2 Cuttingtemperatureevaluation

Each pixel, every  image sample,  is a measuring point when using the  IR camera.  In Figure 32, an IR image of the cutting insert is shown before it is engaged into the cut.  

The  full picture  cannot be  in  focus due  to  the difference  in depth. The  focus was therefore put near the cutting zone, as that  is the area of greatest  interest  from a machinability perspective.  

Machining experiments were then conducted. Figure 33a shows the insert when it is engaged into the cut with the following cutting parameters (in terms of milling); vc = 100 m/min, fz = 0.3 mm/tooth, ap = 3 mm, ae = 64 mm, Dc = 128 mm. The highest cutting  temperature  (325°C) can be seen on  the back side of  the chip. The cutting temperature in the cutting zone is obviously larger.  

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.50

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200vc=100 m/min, fz=0.3 mm/tooth, Down milling

Time [sec]

Re

sulti

ng c

utti

ng fo

rce

[N]

4.2 4.25 4.3 4.35 4.40

20

40

60

80

100

120

140

160

180

vc=100 m/min, fz=0.3 mm/tooth, Down milling

Time [sec]

Res

ultin

g c

utti

ng

forc

e [N

]

Page 65: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A NOVEL METHOD TO STUDY THE CHARACTERISTICS OF THE INTERMITTENT CUTTING PROCESS

51 

 

Figure 32: IR picture of the rake face of the cutting tool, before machining. The dashed lines illustrate the borders of the insert which are hard to distinguish due to difference in focus.  

(a)  (b) 

Figure 33: IR picture of the cutting tool during cutting (a) and directly after cut (b), respectively.   

In Figure 33b,  the  temperature of  the  insert directly after cut  is shown  (0.033 sec after  leaving  the cut).  It  is  interesting  to see  that  the  temperature  reduces  to  less than 90°C directly when the chip is removed. A more detailed analysis of the cutting tool cooling behaviour was made at a  lower cutting speed  (50 m/min),  in order to obtain more  sampled  images during one  cycle. The maximum  temperature  in  the area around the cutting zone was recorded as a function of time, see Figure 34.      

   

Insert

Page 66: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

52 

There  is  a  fast  decrease  in  cutting  temperature  directly  after  leaving  the  cut,  as clearly can be noted in Figure 34. The backside of the chip has a temperature around 300°C. One  interesting observation  is  that  the cooling  rate of  the  insert  is greater directly after  leaving the cut (highest temperature). As the cutting tool cools down to a  lower temperature, the cooling rate decreases until the  insert  is engaged  into the cut again.  

 

Figure 34: Maximum temperature registered on the back side of the chip, during six revolutions of cut.   

Another  interesting observation  is  that  the  initial cutting  tool  temperature  (before starting  to cut)  increases  for each  revolution. An explanation  for  this could be  the accumulation of the heat during consecutive engagements. The  initial temperature should  reach  thermal  equilibrium,  if  the  machining  operation  would  have  been prolonged.    

It  should nevertheless be noted  that  the  temperature  in  the cutting  zone  is much higher. One way to acquire this temperature  is by orthogonal cutting experiments, but these tests are two dimensional and not comparable with the milling operation. A temperature model is therefore needed.  

 

0

50

100

150

200

250

300

350

5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50

Temperature [°C]

Time [sec]

Page 67: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

A NOVEL METHOD TO STUDY THE CHARACTERISTICS OF THE INTERMITTENT CUTTING PROCESS

53 

4.3 Conclusions The study presented in this chapter has the purpose to add to the machining 

model  the  thermal  effects  generated  in  intermittent  machining.  This information  was  not  acquired  during  the  milling  experiments  due  to difficulties connected to temperature measurement. 

The  developed  simulated  milling  method  can  successfully  be  used  as  a complement to ordinary milling experiments, for more careful studies of the intermittent  cutting  process.  It  accurately  demonstrates  the  same  cutting force characteristics as in milling.  

The  IR  camera  technique  has  furthermore  been  used  to  show  that  the cooling  rate  is more  rapid directly after  leaving  the  cut  than  in  the  instant directly before starting cut. With  the same  technique  it was presented  that the  initial  temperature  (before  the  insert  is engaged  into the cut)  increases for each revolution.  

It  is  believed  that  the  simulated milling method  has  good  potential  to  be developed  even  further  and  be  used  in  future  experiments  to  better understand the characteristics of the intermittent cutting process. 

As some temperature  information  is still missing from the experiments with simulated milling method, due to the chip hiding the rake face of the cutting edge, an inverse computational model is needed to compute the distribution of  the  temperature  between  chip  and  cutting  tool  based  on  the  IR measurements  on  the  chip  external  surface,  tool  rake  face  between  two cycles and cutting forces.   

 

Page 68: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron
Page 69: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

55 

5 AN INVERSE THERMO–MECHANICAL FE MODEL FOR INTERMITTENT MACHINING

OF CGI  

The  following  chapter presents an  inverse  thermo−mechanical FE model  for  intermittent machining of CGI. The model  is based on  the experimental  results presented  in Chapter 4 and  in appended papers. Some input data are taken from literature. 

 

5.1 Thermo−mechanical FE model for intermittentmachiningofCGI

The  thermo−mechanical model  together with  the machining model  presented  in Chapter 3 and 4 form the overall machinability model which is the goal of this thesis. In this chapter, an inverse thermo−mechanical FE model will be presented, which is a  compliment  to  the  machining  model  with  the  purpose  to  obtain  the  missing information  from  the  latter  model.  In  a  future  perspective,  an  improved thermo−mechanical model will certainly contribute  to better understanding of  the machinability  evaluation  parameters  resulting  in  optimization  of  both  material design and machining model for the reliable manufacturing of CGI components.   

The purpose of  the  thermo−mechanical model  is  to provide  the  temperature and mechanical  stress  distributions  on  the  cutting  edge  interface.  To  develop  a consistent  inverse thermo−mechanical model some experimental  information from the  investigations  performed  in  intermittent  machining  is  necessary.  This information concerns temperature distribution on the external surface on the chip, cutting  forces  and  their  contact  areas  and  shear  zone  characteristics.  In  addition, knowledge about tool and tool coating material will improve the predictability. Also, available data on material behaviour at an elevated temperature and at high strain rates  is valuable  input  into the model. Some of this  information was missing at the time  the model was  build,  therefore  the  thermo−mechanical model  presented  in this chapter  is not by any means complete. However,  it has the  important purpose to  describe  how  new  knowledge  can  be  extracted  from  the model  and  how  this knowledge  can  be  interpreted  to  contribute  to  a  better  understanding  of  the machinability of CGI materials.      

Important factors affecting tool wear are thermal and mechanical load distributions on the insert during machining. It is essential to understand this in order to optimize the machining  operation.  However,  it  is  difficult  to  investigate  the  cutting  zone physics during chip removal, especially in milling, as sensor placement is difficult and often practically undoable due to the rotating cutting tool. One way to evaluate the temperature and mechanical loads on the insert in these regions is by FE modelling. 

A  thermo−mechanical  FE  model  was  developed  based  on  the  simulated  milling method, in order to use obtained experimental results as input data, see Chapter 4. This allows an  inverse approach, as the data  is used both to calibrate and validate 

Page 70: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

56 

the model. The developed model  is  the  first attempt  to evaluate  the  temperature field and the mechanical load on the insert in intermittent machining of CGI. The aim with  the  FE  model  is  to  present  a  modelling  approach,  rather  than  solely  the temperature model  itself. The equations for the flow analysis and the temperature calculation are strongly coupled, making a simultaneous solution necessary.  

The FE model  for  intermittent machining of CGI  is  illustrated  in a  two dimensional representation of  the simulated milling method, based on  the machining situation shown  in Figure 28b. A 2D  representation of a 3D machining  situation  is however not always comparable due to, e.g., geometrical compatibility. However, this  is the first attempt and  the FE model will be  further developed  to 3D.  In  this model  the workpiece  is  rotating with  the same speed as  the milling cutters  rotational speed, while the cutting tool is fixed. However, the simulated milling method is not directly comparable to a real milling operation as the produced chip is inversed.  

The  objective  of  the  developed  FE  model  is  to  compute  temperatures  and mechanical load distribution on the tool‐chip interface in intermittent machining of CGI. The machining operation corresponds  to a down milling machining operation with a chip thickness decreasing from 0.3 mm to 0. The main important time instant is at the first full chip engagement.   Therefore, the heat and stress distribution are studied in the first milliseconds´ instant during this engagement.  

Generally,  the  CGI  graphite  morphology  makes  the  iron  sufficiently  brittle  for machine swarf to break into small chips. Plastic shear is the main mechanism of chip formation.  As mentioned  above,  due  to  the  position  of  the  tool with  respect  to workpiece  eccentricity,  two  zones  of  high  stress,  exceeding  the  yield  stress,  and consequently of high plastic deformation will occur. In the zone, A, see Figure 35, at the chip tip, the first contact between tool and workpiece occurs. The second zone, B, is formed gradually along the shear zone as the chip slides along the tool face, see Figure 35. These high stresses,  forcing the chip to change the direction, result  in a fracture of the chip along the shear zone.      

 

Figure 35: Region with Von Misses stresses larger than 3.8x108 Pa. Time is 0.0315 sec. 

   

B

A

Page 71: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

AN INVERSE THERMO–MECHANICAL FE MODEL FOR INTERMITTENT MACHINING OF CGI 

57 

The high stresses result in a stronger segmentation effect than in an ordinary milling operation, this is illustrated in Figure 36a. Figure 36b shows the produced chips after the simulated milling operation with the following cutting data,  in terms of milling, vc = 100 m/min, fz = 0.3 mm/tooth and ap = 3 mm. This cutting data corresponds to the input data used in the FE model.  

   

(a)  (b) 

Figure 36: (a) Simulation of chip segmentation. (b) Chips formed by simulated milling experiments.  

The  mechanical  model  is  based  on  a  time  dependent  FE  model,  while  the temperature  is  studied  in  a  steady  state model. Therefore,  the  stress distribution can be tracked continuously while the heat distribution is studied at discrete times. 

5.1.1 MechanicalFEmodel

The  FE models used  to  solve partial differential  equations  are usually  formulated either in a spatial coordinate system (Eulerian), with coordinate axes fixed in space, or in a material coordinate system (Lagrangian), fixed to the material in its reference configuration  and  following  the  material  as  it  deforms.  Rewriting  the  partial differential equations on a  freely moving mesh,  results  in an Arbitrary Lagrangian‐Eulerian (ALE) method. In the special case when the map from mesh coordinates to spatial  coordinates  follows  the  material  deformation,  a  Lagrangian  method  is recovered.  Similarly, when  the map  is  an  identity map,  the ALE method becomes entirely  Eulerian.  The  ALE  method  is  therefore  an  intermediate  between  the Lagrangian  and  Eulerian methods,  and  it  combines  the  best  features  of  both:  It allows moving boundaries without the need for the mesh movement to follow the material. 

For this model, the Arbitrary Lagrangian‐Eulerian (ALE) approach was selected. It is a very  effective  alternative  for  simulating  large  deformation  problems.  In  its most basic  sense,  the ALE method defines  that  the mesh motion  is  independent of  the motion of the material being analyzed. The mesh model is shown in Figure 37. 

 

Chip fragment

Page 72: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

58 

 

Figure 37: Meshed 2‐D model. 

The FE model is based on two different meshing concepts. The deformed geometry interface is used to represent the separation of the material and the moving mesh is used  to  study  the  deformation  of  the material  as  the  result  of  physical  load.  In moving  mesh,  the  mesh  follows  the  deformation.  The  work‐hardening characteristics of  the material  are  taken  into  account  in  the plasticity model. The frictional conditions are described as shear within a layer of the chip adjacent to the rake face of the tool. 

5.1.2 Thermo−viscoplasticFEmodel

A cutting model is developed based on the thermo−viscoplastic FE model to analyse the mechanics of steady state intermittent process. The workpiece is assumed to be a thermo−viscoplastic material and the tool is assumed to be a rigid body. The flow stress  is computed as a  function of strain, strain rate and temperature. The model can predict the chip geometry and chip‐tool contact. 

Generally,  the heat  sources are  localized  in  three  zones at  the  tool‐chip  interface. Mechanical energy dissipated  in the shear zone consists of plastic flow energy and, for  the most  part,  that  is  converted  into  heat.  The  second  significant  source  of heating  is on  the  rake  face between  the  sliding  chip  and  the  cutting  tool  face. A tertiary source, frictional heating, not considered here, is between the flank face of the cutting tool and the moving workpiece. For sharp tools, the contact area is very small, resulting in the neglect of this source in most models. 

Analytical models provide the temperature rise at the tool–chip  interface, which  is due  to  a  combination  of  the  shear  plane  heating  of  the  chip  and  the  frictional heating between the chip and the tool face. 

The thermal model presented here takes  into consideration the heat generation  in the  primary  zone  and  secondary  shear  zone.  The  heat  generation  in  the  primary shear zone is calculated based on the distributions of strain, strain rate and velocity in the primary shear zone.  In the secondary shear zone, the heat generation  is the result of the superposition of the heat due to shearing forces in the chip adjacent to the contact area tool‐chip, and due to friction forces  in the contact area. The heat generated in the primary and secondary zones is used as heat sources in computing the temperature distribution within the tool and chip based on the FE temperature model. As the thermal model is stationary, the temperature distribution is calculated at discrete time interval.  

Page 73: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

AN INVERSE THERMO–MECHANICAL FE MODEL FOR INTERMITTENT MACHINING OF CGI 

59 

The  thermal  model  has  the  aim  of  solving  the  energy  equation,  in  Cartesian coordinates,  for  the  temperature  distribution  at  the  tool‐chip  interface  during intermittent  machining.  The  equation  governing  the  conductive  heat  transfer processes is the stationary, two‐dimensional energy balance equation 

 Equation 3 

Where K is thermal conductivity, ρ is the density cp is specific heat of the material, T is  temperature and    is  the volumetric energy addition  (taking  into  consideration the width of cut). 

The boundary conditions for the thermal model are selected according to following rules.  

Fixed  temperature  T  =  T0  where  T0  is  the  temperature  measured experimentally on the backside of the chip. 

Specified  temperature T = T∞ where T∞  is  the ambient  temperature on  the boundaries. 

Thermal  insulation q0  = 0 on  the boundaries, where q0  is  inward heat  flux (W/m2), normal to the boundary. 

Specified heat flux, q = k(∂T/∂n), where q is the specified heat flux normal to Sq.  k  is  the  specified heat  transfer  coefficient along  Sq and n  is  the normal vector to the boundary.  

Heat losses to the surroundings due to convection or radiation are considered to be negligible. The temperature model boundaries were selected at a sufficient distance from  the  heat  sources  in  order  to minimize  the  effect  of  heat  generated  in  the cutting zone.  

5.1.3 Results

Material  characterization was performed on  the workpiece used  in  the  simulated milling experiments, presented in Chapter 4, see Table 7. These results were used as input data for the material model. Furthermore, data obtained from the machining experiments using the IR camera, Section 4.2.2, were also used as input data in the FE model. This is illustrated in Table 7. 

Table 7: Experimental input data.  

Factor ValueTensile strength 288 [MPa]UTS 385 [MPa]Elastic modulus 145 [GPa]Elongation to fracture 1.8 [%]Hardness 196 [HBW]Tool temperature before entry of cut 90 [°C]Chip temperature at end of cut 325 [°C]

The model  is  based  on  a  thermo−viscoplastic model  for  the  chip  and workpiece where  the  strain hardening data are extracted  from an experimental  stress−strain diagram performed on CGI at two different strain rates, see Figure 38.    

Page 74: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

60 

 

Figure 38: Stress−strain curves for two different strain rates. 

Because  the  cutting  process  is  characterized  by  high  strain  rate,  in  the  present simulation  the values corresponding  to  the  red curve were considered. The  tool  is represented  as  a  rigid  body.  Some  material  properties,  which  are  considered elementary, were taken from literature, and not presented here.  

The  model  also  takes  into  consideration  the  cutting  parameters  used  for  the simulated milling experiments in Chapter 4, see Table 8.  

Table 8: Cutting parameters (in terms of milling).  

Factor ValueCutting speed, vc 100 [m/min]Feed, fz 0.3 [mm/tooth]Depth of cut, ap 3 [mm]Width of cut, ae 64 [mm]Tool diameter, Dc 128 [mm]

COMSOL  Multiphysics  [69]  was  used  to  solve  the  model  with  the  boundary conditions  and  the  presented  input  data  according  to  Table  7  and  Table  8.  The model  can  be  used  to  estimate  the  mechanical  load  on  the  insert  and  the temperature  distribution  on  the  tool  during  intermittent  machining  of  a  CGI material. These are the two most important features affecting tool wear.   

The plastic deformation of  the  chip at  the  time  instant 53.875 ms  is  illustrated  in Figure 39. The figure shows that most part of the chip in contact with the tool is in a plastic deformation state. 

Str

es

s [

MP

a]

Strain [%]

Page 75: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

AN INVERSE THERMO–MECHANICAL FE MODEL FOR INTERMITTENT MACHINING OF CGI 

61 

 

Figure 39: Plastic deformation of the chip at t = 0.053875 sec. Black areas shows the zones of plastic deformation.  

At a cutting speed, vc = 100 m/min,  the chip segmentation starts at 0.069645 sec, see Figure 40. Then  the process  is  repeated  for  thinner chip  thickness values until complete removal of the chip from the workpiece for one cycle. The mechanical load and temperature are gradually decreasing with chip thickness.  

 

Figure 40: Chip deformation, von Mises stress [Pa], at the time instant 0.069645 sec, where chip segmentation starts.  

The analysis of the stresses on the shear plane shows a non‐uniformed distribution of the shear stress, as shown in Figure 41b at two different time instants. Although, in  the  earlier  time  instant,  the  distribution  is  rather  constant,  due  to  stress exceeding the level of yield stress, the distribution becomes non‐uniformed.   

Cuttingtool

Deformed chip

Page 76: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

62 

   

(a)  (b) 

Figure 41: Von Misses stress along the shear plane (dashed line) at the beginning of cut (blue curve) and at t = 0.0543 sec (green curve). 

The CGI thermal parameters variation with temperature was determined according to the following equation: 

 Equation 4 

Where  K  is  the  thermal  conductivity  of  the  CGI  material,  K0  is  the  thermal conductivity of unalloyed iron and ∑A is the sum of alloying elements in percentage. The variation of thermal conductivity for CGI is illustrated in Figure 42. 

 

Figure 42: Thermal conductivities of different materials [70].   

For the time t = 0.0315 sec, the  isothermal lines are shown  in Figure 43a. The heat source in the primary zone is calculated for the region with stresses shown in Figure 35. The seizure region at the interface, chip‐tool, is representing by the region A and B in Figure 35, while the heat generated by the friction is considered by the rest of the boundary.  

Shear plane

Page 77: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

AN INVERSE THERMO–MECHANICAL FE MODEL FOR INTERMITTENT MACHINING OF CGI 

63 

(a) 

 

(b) 

 

Figure 43: Isothermal contour plot for two different time instants, (a) 0.0315 sec and (b) 0.05 sec. The black lines illustrate the starting position of the chip.    

In Figure 43b, the isothermal lines are shown at t = 0.05 sec. It can be noted that the maximum temperature increase from 708.80 °C to 808.61 °C.   

   

Page 78: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

64 

5.2 Conclusions

The  objective  of  the  model  was  to  explain  the  thermal  and  mechanical  load distributions on  the  chip  and  insert, based on  inverse  computation.  Inputs  in  the model were  the  temperature on  the external  surface of  the chip,  temperature on the  insert between two cutting cycles, material characterization, cutting forces and shear plane angle. The last parameter is obtained from quick‐stop tests. However, in the  present  research,  the  cutting  force  and  the  quick‐stop  results  have  not  been used since at the time of performing the experiments these data were not available.  

The model  shows  good  correspondence  to  the  experimentally measured  values, considering temperature, although the method is not fully representing of a milling process.   

 

 

Page 79: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

65 

6 DISCUSSION AND CONCLUSIONS  

This  chapter  concludes  the  work  presented  in  the  thesis.  It  also  addresses  some  future  research opportunities. 

 

6.1 Discussionandconclusions

The objective of this thesis was to develop a CGI machinability model by identifying and investigating the effect of the major factors and their individual contributions on CGI machining process behaviour. The machinability model in this thesis is based on two sub‐models, a machining model and an inverse thermo−mechanical FE model. 

The  presented  CGI machining model  has  demonstrated  that  the microstructural parameters;  pearlite  content  and  nodularity,  strongly  affect  both  the  material physical properties and the machinability. Furthermore, it has been shown that the concentration of carbide promoting elements carefully needs to be monitored as  it has  great  effect  on  the machinability.  The model  also  illustrates  the  influence  of cutting parameters on CGI machinability. These results have been obtained via  full factorial design of experiments studies. It has been demonstrated that this approach has  been  successful  as  important  cross‐correlation  effects,  between  factors, have been  identified.  This would  not  have  been  possible  in  a  “one  factor  at  the  time study”  approach.  The  model  clearly  illustrates  that  these  material  and  process parameters should be considered, when designing a material  to be used  in engine applications.          

The presented CGI machining model also demonstrated that the machining process behaviour  strongly differs, when machining homogenous workpieces  compared  to complex  components,  e.g.,  as  the  “component  like” workpiece,  under  the  same cutting  conditions. The  latter  case has  shown  stronger  tendency  for  tool  fracture. This  is explained by the  influence of cyclic thermal and mechanical  loads with each revolution,  due  to  the  multiple  entries  and  exits  for  the  inserts  caused  by  the cavities,  as holes  and  slots. Another  factor  that  results  in  the different machining process  behaviour  for  the  two  cases  is  the  influence  of  alternating  component width. When machining a component with non‐constant width,  the entry and exit angles will  change  during  the  cutting  pass.  It  has  been  shown  that  this  leads  to unfavourable  cutting  situation,  as  entering  or  leaving  the  cut  at maximum  chip thickness, resulting  in  large  impact on the tool. This  is highly damaging for the tool and  could  lead  to  tool  fracture, especially when machining CGI  since  it  is  strongly affected by section  thickness. From a process planning perspective,  this  thesis has therefore demonstrated that  it  is not solely the basic cutting parameters (depth of cut,  feed  and  cutting  speed)  that  should  be  considered  in  the  optimization procedures  of  a  CGI machining  operation.  Component  configuration,  number  of inserts  cutting  simultaneously, positioning  and diameter of  the milling  cutter,  are parameters that influence the stability of the cutting process. If these are not set in a proper way, an unstable cutting operation can occur.  

Page 80: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

66 

The  presented  model  in  this  thesis,  consequently  demonstrates  that  the  CGI machinability  should  be  considered  from  both  a  design  and  production  planning perspective,  in order to obtain a highly productive component manufacturing with high process accuracy.   

The  thesis  also  demonstrates  that  complex  components  cast  in  CGI  clearly  have inhomogeneous microstructure. One could say that it is rather a material family than a  single material. The  cutting  tools used  for  the machining of  components  in CGI should  therefore be able  to machine an  interval of  large range of microstructures, rather than be specialized for just one specific material. 

In  the  thesis, a novel simulated milling method has been presented as part of  the CGI  machining  model.  This  method  successfully  reproduces  an  intermittent machining operation, similar to milling,  in a  turning application. This  facilitates  the experimental work as the turning process is easier to study than the milling process due to the rotating inserts in the latter case. With this approach, analysis techniques only  formerly  used  for  turning  applications,  e.g.,  quick  stop  tests,  can  also  be implemented in intermittent cutting operations.  

A  first  attempt  to  build  an  inverse  thermo−mechanical  FE model  for  intermi ent machining of CGI has also been  illustrated. The model  is used to study the thermal and  mechanical  load  distributions  on  the  chip  and  insert,  based  on  inverse computation. The  results  received  from  the simulated milling experiments, e.g.,  IR camera measurements of cutting  tool  temperature, have been used as  input data both to calibrate and validate the FE model. The model shows good correspondence to  the  experimentally  measured  values,  considering  temperature,  although  the method is not fully representing of a milling process.   

The CGI material has great potential to be used  in several applications where high strength  is  desired.  In  the  automotive  industry,  the material  physical  properties make it ideal as engine material as long as the casting process is robust, resulting in high quality microstructure without a large presence of carbides.   

6.2 Futureresearch

In  this  thesis,  CGI  machinability  has  been  evaluated  from  both  a  design  and production planning perspective. However,  there are other parameters  that affect the machinability of the material which also need to be studied, e.g., the  influence of tool material and tool geometries. This is something that should be done in order to obtain a deeper understanding of the machinability of the material.    

The developed simulated milling method has great potential to be developed even further  in order  to  study  the  intermittent process more  carefully. One  interesting investigation  in  this  application would be  to perform quick  stop  tests. This would make  it possible to study the chip formation  in milling of CGI. High speed cameras and  faster  IR  cameras  could  also  be  used  in  this  new  approach  as  it  opens  the opportunities  for  more  thorough  studies  of  the  intermittent  machining  process behaviour. The faster and better cameras constantly being introduced on the market make more detailed analyses possible.       

The  developed  inverse  thermo−mechanical  FE  model  should  be  improved.  Both regarding  the  input data  (material model, cutting  forces, quick  stop  results) but  it 

Page 81: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

DISCUSSION AND CONCLUSIONS 

67 

should  also  be  extended  in  3D,  as  shown  in  Figure  44.  The  cutting  situation  in industry  is  not  two‐dimensional  and  in  order  to  improve  the model  it  should  be considered  in  three dimensions  in order  to  take  into account  the wear and  stress mechanisms  in  all  three  cutting  zones,  i.e. primary,  secondary  and  tertiary  zones, respectively.   

 

Figure 44: A 3D representation of the inverse thermo−mechanical FE model for simulated milling. 

 

 

Page 82: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron
Page 83: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

69 

REFERENCES  

[1] BIL Sweden. Bilbranschen nr 1 2011.

[2] BIL Sweden. Bilbranschen nr 2 2010.

[3] S. Dawson  and  T.  Schroeder,  "Practical  Applications  for  Compacted Graphite 

Iron,"  in Transactions of  the American  Foundry  Society and  the One Hundred 

Eigth Annual Metalcasting Congress, Rosemont, USA, 2004, pp. 813‐821. 

[4] A. Berglund, Characterization of Factors Interacting in CGI Machining (Licentiate 

Thesis). Stockholm, Sweden: KTH Royal Institute of Technology, 2008. 

[5] M.  König,  Microstructure  Formation  During  Solidification  and  Solid  State 

Transformation in Compacted Graphite Iron (PhD thesis). Gothenburg, Sweden: 

Chalmers University of Technology/School of Engineering, Jönköping University, 

2011. 

[6] I.S.O.  Standardization,  "Compacted  (Vermicular)  Graphite  Cast  Irons‐ 

Classification," ISO 16112:2006, 2006. 

[7] S. Dawson, "Processs Control for the Production of Compacted Graphite  Iron," 

in Based on  the presentation made at  the 106th AFS casting congress, Kansas 

city, 2002. 

[8] Novacast, www.novacastfoundry.se, August 2011.

[9] G.  M.  Goodrich,  Iron  Castings  Engineering  Handbook.  Schaumburg,  USA: 

American Foundery Society, 2006. 

[10] M.  Selin, On Thermal Conductivity and  Strength of Compacted Graphite  Irons 

(PhD  thesis). Gotenburg,  Seden: Chalmers University of Technology/School of 

Engineering, Jönköping University, 2010. 

[11] V.S.R.  Murthy,  S.  Seshan,  and  Kishore,  "Subsurface  Features  of  Compacted 

Graphite  Cast  Iron  Subjected  to Wear," Wear,  vol.  97,  no.  2,  pp.  199‐202, 

August 1984. 

[12] A.M. Pye, "Applications of some of the Newer Cast Irons," Materials & Design, 

vol. 3, no. 4, pp. 534‐537, August 1982. 

[13] S. Dawson et al., "The Effect of Metallurgical Variables on the Machinability of 

Compacted Graphite Iron," in SAE 2001 World congress, Detroit, 2001, pp. 4‐16. 

[14] Sintercast, www.sintercast.com, August 2011.

[15] R.J.  Warrick  et  al.,  "Development  and  Application  of  Enhanced  Compacted 

Graphite Iron for the Bedplate of the New Chrysler 4.7 Liter V‐8 Engine," in SAE 

Technical Paper 1999‐01‐0325, Detroit, Michigan, 1999. 

Page 84: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

70 

[16] O.  Bayard,  Investigation  of  Forces  and  Contact  Area  for  Modelling  Turning 

Processes (PhD Thesis). Stockholm, Sweden: KTH Royal Institute of Technology, 

2003. 

[17] B.  Lindberg,  Spånbildningens  dynamik  ‐ ett  steg  mot  adaptiva 

övervakningssystem  (in  swedish)  (PhD Thesis).  Stockholm,  Sweden: KTH Royal 

Institute of Technology, 1986. 

[18] G. Georgiou, "CGI High Speed Machine Tool Solutions," in Compacted Graphite 

Iron Machining Workshop 2002, Darmstadt, Germany, 2002. 

[19] A.  Berglund,  C. M.  Nicolescu,  and  H.  Svensson,  "The  Effect  of  Interlamellar 

Distance  in  Pearlite  on  CGI Machining,"  in  Proceedings  of world  academy  of 

science, engineering and technology, vol. 41, Tokyo, 2009, pp. 33‐40. 

[20] A. Berglund and C. M. Nicolescu, "Investigation of the Effect of Microstructure 

on  CGI Machining,"  in  Swedish  Production  Symposium, Gothenburg,  Sweden, 

2007. 

[21] G. Grenmyr, A. Berglund, J. Kaminski, and C. M. Nicolescu, "Investigation of Tool 

Wear Mechanisms  in CGI Machining,"  Int.  J. Mechatronics and Manufacturing 

Systems, vol. 4, no. 1, pp. 3‐18, 2011. 

[22] Y. H. Shy, C. H. Hsu, S. C. Lee, and C. Y. Hou, "Effects of Titanium Addition and 

Section  Size  on  Microstructure  and  Mechanical  Properties  of  Compacted 

Graphite Cast  Iron," Materials Science and Engineering A, vol. 278, pp. 54‐60, 

2000. 

[23] R.  E.  Showman  and  R.  C.  Aufderheide,  "Controlling  Nodularity  in  Thin‐Wall 

Compacted Graphite  Iron Castings,"  in  Transactions  of  the American  Foundry 

Society and the One Hundred Eigth Annual Metalcasting Congress, Rosemont, Il, 

USA, 2004, pp. 823‐829. 

[24] C. Heisser and J. C. Strum, "Casting Process Simulation of Compacted Graphite 

Iron  (03‐025),"  in  Transaction  of  hte  American  Foundry  Society  and  the One 

Hundred Seventh Annual Casting Congress, Milwaukee, 2003, pp. 685‐692. 

[25] F. Mampaey,  "Prediction  of  Gray  Iron  Tensile  Strength  by  the  Separation  of 

Variables," AFS Transaction, vol. 97, pp. 879‐897, 2004. 

[26] S.  Kim,  S.L.  Cockcroft,  and  A.M.  Omran,  "Optimization  of  the  Process 

Parameters  affecting  the  Microstructures  and  Properties  of  Compacted 

Graphite Iron," Journal of Alloys and compounds, vol. 476, no. 1‐2, pp. 728‐732, 

May 2009. 

[27] W.  Guesser,  T.  Schroeder,  and  S.  Dawson,  "Production  Experience  with 

Compacted Graphite  Iron  Automotive  Components,"  in  AFS  Transactions  01‐

Page 85: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

REFERENCES 

71 

071, 2001, Reprinted from 2001 AFS Transactions.

[28] I. Sadik, "The  Influence of Titanium Content on  the Tool Performance  in High 

Speed Milling of Compacted Graphite Iron," in Sixth International Conference on 

High Speed Machining 2007, 2007. 

[29] A.  Berglund,  C.M.  Nicolescu,  and  K.  Richnau,  "Effect  of  Carbide  Promoting 

Elements on CGI Material Processing," in Proceedings of CIRP 2nd International 

Conference on Process Machine Interactions, Vancouver, Canada, 2010. 

[30] L.V.  Diaconu,  T.  Sjögren,  P. Skoglund,  and  A.  Diószegi,  "Thermomechanical 

Fatigue  Investigation  of  Compacted  Graphite  Irons,"  in  XXIV.  microCAD 

International Scientific Conference, Miskolc, Hungary, 2010. 

[31] U.  Reuter, Wear Mechanism  of  the Machining  of  Cast  Iron with  PCBN‐tools 

(Ph.D.  thesis).  Darmstadt,  Germany:  Faculty  of  Mechanical  Engineering 

Darmstadt University of Technology, 2001. 

[32] M. Gastel et al., "Investigation of the Wear Mechanism of Cubic Boron Nitride 

Tools used for the Machining of Compacted Graphite Iron and Grey Cast Iron," 

International Journal of Refractory Metals & Hard Materials (UK) 18(6), pp. 287‐

296, 2000. 

[33] E.  Abele,  A.  Sahm,  and  H.  Schultz,  "Wear  Mechanism  when  Machining 

Compacted Graphite  Iron," CIRP Annals  ‐ Manufacturing  Technology,  vol.  51, 

no. 1, pp. 53‐56, 2002. 

[34] A. Berglund and M. Näslund, "Skärbarheten hos Kompaktgrafitjärn," Production 

Engineering, Stockholm, Sweden, Research report 2006. 

[35] M.B.  Da  Silva,  V.T.G.  Naves,  J.D.B.  De  Melo,  C.L.F.  De  Andrade,  and  W.L. 

Guesser,  "Analysis of Wear of Cemented Carbide Cutting Tools during Milling 

Operations  of  Gray  Iron  and  Compacted  Graphite  Iron," Wear,  no.  271,  pp. 

2426‐2432, 2011. 

[36] H. Jönsson,Milling of Compacted Graphite Iron (CGI) (Master of Science Thesis). 

Stockholm, Sweden: KTH Royal Institute of Technology, 2008. 

[37] I.  Sadik,  "The  Interaction  between  Cutting  Data  and  Tool  Performance  for 

different Cutting Tool Material in Milling of Compacted Graphite Iron," in Sixth 

International Conference on High Speed Machining 2007, 2007. 

[38] S.  Gabaldo,  A.S.  Diniz,  C.  L.  Andrade,  and  W.  L.  Guesser,  "Performance  of 

Carbide and Ceramic Tools in the Milling of Compact Graphite Iron – CGI," J. of 

the Braz. Soc. of Mech. Sci. & Eng., vol. Special Issue 2010, Vol. XXXII, no. No. 5, 

pp. 511‐517, 2010. 

[39] E. M. Trent and P. K. Wright, Metal Cutting, 4th ed. London, USA: Butterworth‐

Page 86: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

72 

Heinemann, 2000.

[40] K.J.  Trigger  and  B.T.  Chao,  "An  analytical  Evaluation  of  Metal  Cutting 

Temperatures," Transactions of ASME, vol. 73, pp. 57‐68, 1951. 

[41] J‐E.  Ståhl,  Skärande  Bearbetning  ‐ Teori  och  modeller  (in  swedish).  Lund, 

Sverige: Lunds Tekniska Högskola, Lunds Universitet, 2009. 

[42] W.  Grzesik,  "Determination  of  Temperature  distribution  in  the  Cutting  Zone 

using  Hybrid  Analytical‐FEM  Technique,"  International  Journal  och  Machine 

Tools & Manufacture, vol. 46, pp. 651‐658, 2006. 

[43] F.  Klocke  et  al.,  "Examples  of  FEM  application  in Manufacturing  Technology 

120," Journal of Materials Processing Technology, pp. 450‐457, 2002. 

[44] J. Pujana, P.  J. Arrazola, R. M´Saoubi, and H. Chandrasekaran, "Analysis of  the 

Inverse  Identification of Constitutive  Equations  applied  in Orthogonal Cutting 

Process,"  International Journal of Machine Tools & Manufacture 47, pp. 2153‐

2161, 2007. 

[45] J.  Lin,  "Inverse  Estimation  of  the  Tool‐Work  Interface  Temperature  in  End 

Milling," International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 35, no. 5, 

pp. 751‐760, May 1993. 

[46] D. A. Stephenson and J. S. Agapiou, Metal Cutting ‐ Theory and Practice, 2nd ed. 

USA: Taylor & Franciis Group, LLC, 2006. 

[47] M. C. Shaw, Metal Cutting Principles, 2nd ed. New York, USA: Oxford university 

press, 2005. 

[48] C. Andersson, M. Andersson,  and  J‐E.  Ståhl,  "Experimental  Studies of Cutting 

Force  Variation  in  Face  Milling,"  International  Journal  of  Machine  Tools  & 

Manufacture, vol. 51, pp. 67‐76, 2011. 

[49] B.  Isaksson, Senior Manager, Application Development, Sandvik Coromant AB, 

2008 AMG presentation (video), Presentation from the Sintercast homepage. 

[50] R.  L. Mason,  R.  F.  Gunst,  and  J.  L.  Hess,  Statistical  Design  and  Analysis  of 

Experiments  ‐  With  Applications  to  Engineering  and  Science,  2nd  ed.  New 

Jersey, USA: John Wiley & Sons, 2003. 

[51] Umetrics, Modde version 9.0.

[52] M. Selin, D. Holmgren, and  I. L. Svensson,  "Influence of Alloying Additions on 

Microstructure  and  Thermal  Properties  in  Compact  Graphite  Irons," 

International Journal of Cast Metals Research, vol. 22, pp. 283‐285, 2009. 

[53] Scania, K. Richnau, F. Wilberfors, and J. Esbjörner, "Method for Determining the 

Machinability  of  a  Compacted  Graphite  Iron,"  International  Application 

Number: PCT/SE2010/050950, March 17, 2011. 

Page 87: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

REFERENCES 

73 

[54] F.W.  Taylor,  "On  the  Art  of  Cutting  Metals,"  Transactions  of  the  American 

society of mechanical engineers, vol. 28, pp. 31‐279, 1907. 

[55] B. Colding, A Wear Relationship  for Turning, Milling and Grinding  ‐ Machining 

Economics (PhD thesis). Stockholm, Sweden: KTH Royal Institute of Technology, 

1959. 

[56] A.  Berglund,  A.  Archenti,  and  C.M.  Nicolescu,  "Analytical  Modelling  of  CGI 

Machining  System  Dynamic  Behaviou,"  in  The  International  3rd  Swedish 

production symposium, Gothenburg, Sweden, 2009. 

[57] A. Archenti and C.M. Nicolescu, "Recursive Estimation of Operational Dynamic 

Parameters  in  Milling  using  Acoustic  Signals,"  in  CIRP  2nd  International 

Conference on Process Machine Interactions, Vancouver, Canada, 2010. 

[58] C.M. Nicolescu, Analysis, Identification and Prediction of Chatter in Turning (PhD 

thesis). Stockholm, Sweden: KTH Royal Institute of Technology, 1991. 

[59] Sandvik  Coromant,  Productive metal  cutting.  Sandviken,  Sweden:  Idéreklam, 

Sandviken, 1997. 

[60] R. Woxén, H. Hallendorf, and O. Svahn, Handbok i Verkstadsteknik (in swedish). 

Stockholm, Sweden: Bokförlaget Natur och Kultur, 1944, vol. II. 

[61] L.  Daghini,  A.  Archenti,  and  C.M.  Nicolescu,  "Design  and  Dynamic 

Characterization of Composite Material Dampers for Parting‐off tools," Journal 

of Machine Engineering, vol. 10, no. 2, pp. 57‐70, 2010. 

[62] A  Berglund,  G  Grenmyr,  C.  M.  Nicolescu,  and  J.  Kaminski,  "Analysis  of 

Compacted Graphite Iron Machining by Investigation of Tool Temperature and 

Cutting Force," in 1st International Conference on Process Machine Interactions, 

Hannover Germany, 2008. 

[63] R. M´Saoubi and H. Chandrasekaran, "Investigation of the Effects of Tool Micro‐

Geometry  and  Coating  on  Tool  Temperature  during  Orthogonal  Turning  of 

Quenched  and  Tempered  Steel,"  International  Journal  of Machine  Tools  and 

Manufacture, vol. 44, no. 2‐3, pp. 213‐224, February 2004. 

[64] V. Dessoly, S. N. Melkote, and C. Lescalier, "Modeling and Verification of Cutting 

Tool  Temperatures  in  Rotary  Tool  Turning  of  Hardened  Steel,"  International 

Journal och Machine Tools & Manufacture 44, pp. 1463‐1470, 2004. 

[65] E. G. Ng, D. K. Aspinwall, D. Brazil, and J. Monaghan, "Modelling of Temperature 

and  Forces  when  Orthogonally  Machining  Hardened  Steel,"  International 

Journal of Machine Tools & Manufacture 39, pp. 885‐903, 1999. 

[66] C. Dinc, I. Lazoglu, and A. Serpenguzel, "Analysis of Thermal Fields in Orthogonal 

Machining with  Infrared  Imaging," Journal of Materials Processing Technology, 

Page 88: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

   

74 

vol. 198, pp. 147‐154, 2008.

[67] G.M. Pittalà and M. Monno, "A New Approach to the Prediction of Temperature 

of  the Workpiece  of  Face Milling  Operations  of  Ti‐6Al‐4V,"  Applied  Thermal 

Engineering, vol. 31, pp. 173‐180, 2011. 

[68] B.  Ghiassi,  Evaluation  of  Temperature  Distribution  on  Carbide  Cutting  Tools 

using  IR Technique  (Licentiate  thesis). Stockholm, Sweden: KTH Royal  Institute 

of Technology, 2001. 

[69] COMSOL, COMSOL Multiphysics version 4.1. 

[70] P.A.  Green  and  A.J.  Thomas,  "Thermal  conductivities  of  different material," 

Trans. of American Foundry Society, vol. 87, p. 569, 1979. 

 

 

 

Page 89: Criteria for Machinability Evaluation of Compacted Graphite Iron

 

75 

APPENDED PAPERS  

Paper A  Berglund, A., Nicolescu, C.M., Richnau, K., “Effect of carbide promoting elements  on  CGI  material  processing”,  Proceedings  of  CIRP  2nd International Conference on Process Machine  Interactions, Vancouver, Canada, 2010, ISBN: 978‐0‐9866331‐0‐2 

Paper B  Berglund, A, Nicolescu, C.M., Svensson, H., “The Effect of  Interlamellar Distance  in  Pearlite  on  CGI  Machining”,  ICME  2009:  International Conference on Mechanical Engineering, Tokyo, Japan, 2009, ISSN: 2070‐3740 

Paper C  Berglund,  A.,  Grenmyr,  G.,  Nicolescu,  C.M.,  Kaminski,  J.,  “Analysis  of Compacted  Graphite  Iron  Machining  by  Investigation  of  Tool Temperature  and  Cutting  Force”,  Proceedings  of  1st  International Conference  on  Process  Machine  Interactions,  Hannover,  Germany, 2008, ISBN: 978‐3‐939026‐95‐2 

Paper D  Berglund,  A.,  Nicolescu,  C.M.,  “Investigation  of  the  Effect  of Microstructures  on  CGI  Machining”,  The  Swedish  Production Symposium, Gothenburg, Sweden, 2007, TRITA‐IIP‐07‐06 

Paper E  Grenmyr,  G.,  Berglund,  A.,  Kaminski,  J.  and  Nicolescu,  C.M., “Investigation of tool wear mechanisms in CGI machining”, International Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems, Vol. 4, No. 1, pp. 3–18, 2011, ISSN: 1753‐1039