مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

تحلیل تجربی تاثیر هندسه براده‌شکن بر نیروهای برشی، دما و کیفیت سطح در تراشکاری خشن و پرداخت فولاد ضد زنگ AISI 304

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
10.22034/ijme.2026.576322.2166
چکیده
ماشین‌کاری فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 304 به دلیل رفتار کارسختی شدید و رسانایی حرارتی پایین، با چالش‌هایی مانند نیروهای برشی بالا، افزایش دما و افت کیفیت سطح همراه است. در این پژوهش، شش نوع هندسه براده‌شکن شامل سه براده‌شکن مخصوص پرداخت و سه براده‌شکن مخصوص خشن کاری با ویژگی‌های هندسی متفاوت از نظر عرض و عمق شیار، زاویه براده مؤثر و هندسه ناحیه هدایت براده، به صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفتند. اثر این هندسه‌ها بر نیروهای برشی، دمای ناحیه برش، نرخ براده برداری و زبری سطح به صورت تجربی ارزیابی شد. نتایج نشان دادند که افزایش سرعت اسپیندل از 500 به 1000 دور بر دقیقه موجب کاهش نیروی برشی در براده شکن‌های پرداخت حدود 15 تا 30 درصد و در براده شکن‌های خشن کاری حدود 10 تا 20 درصد شد. همچنین، افزایش نرخ پیشروی از 08/0 به 16/0 میلی‌متر بر دور باعث افزایش نیروی برشی در پرداخت 30 تا 45 درصد و در خشن کاری 40 تا 60 درصد گردید. دمای ناحیه برش در براده‌شکن‌های پرداخت کمتر از سایر هندسه‌ها بود و اختلاف دما بین کمترین و بیشترین نرخ پیشروی در پرداخت 15 تا 25 درصد و در خشن کاری 30 تا 45 درصد اندازه‌گیری شد. زبری سطح نیز با افزایش پیشروی 40 تا 60 درصد در پرداخت و 30 تا 50 درصد در خشن کاری افزایش یافت، در حالی که براده‌شکن‌های بهینه پرداخت تا 25 تا 35 درصد زبری کمتری نسبت به هندسه‌های غیر بهینه ایجاد کردند. نتایج نشان داد که انتخاب هندسه مناسب براده‌شکن متناسب با نوع عملیات نقش تعیین کننده‌ای در کاهش نیرو و دما، بهبود کیفیت سطح و افزایش بهره‌وری تراشکاریAISI 304 دارد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Experimental analysis of the effect of chipbreaker geometry on cutting forces, temperature and surface quality in rough and finish turning of AISI 304 stainless steel

نویسندگان English

Adel Azad
Mohammad Honarpisheh
Saeed Amini
Mechanical Engineering Department, University of Kashan, Kashan, Iran
چکیده English

Machining AISI 304 austenitic stainless steel is associated with challenges such as high cutting forces, elevated cutting temperatures, and poor surface quality due to its severe work-hardening behavior and low thermal conductivity. In this study, six chip-breaker geometries, including three finishing and three roughing designs with different groove widths, groove depths, effective rake angles, and chip-guiding geometries, were experimentally investigated. The effects of these chip-breaker geometries on cutting force, cutting temperature, material removal rate (MRR), and surface roughness were evaluated. The results showed that increasing the spindle speed from 500 to 1000 rpm reduced the cutting force by approximately 15–30% for the finishing chip breakers and 10–20% for the roughing chip breakers. Moreover, increasing the feed rate from 0.08 to 0.16 mm/rev increased the cutting force by 30–45% in finishing and 40–60% in roughing operations. The cutting temperature was lower for the finishing chip breakers than for the other geometries, while the temperature difference between the lowest and highest feed rates ranged from 15–25% in finishing and 30–45% in roughing operations. Surface roughness increased by 40–60% in finishing and 30–50% in roughing with increasing feed rate, whereas the optimized finishing chip breakers produced up to 25–35% lower surface roughness than the non-optimized geometries. The results demonstrate that selecting an appropriate chip-breaker geometry according to the machining operation plays a decisive role in reducing cutting force and temperature while improving surface quality and machining productivity of AISI 304 stainless steel.

کلیدواژه‌ها English

Turning
Chip Breaker Geometry
Force
Surface Roughness
[1] Azarhoushang B, Paknejad M, Bösinger R, Benner HM. The effects of alloy composition and surface integrity on the machinability of austenitic stainless steels 304 and 304L. Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2024 Oct 25;8(6):238. doi: 10.3390/jmmp8060238
[2] Lin T, Wang Y, Lu M. The chip breaking methods in turning of stainless steel: a review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2026 Jun 16:1-21. doi: 10.1007/s00170-024-14223-1
[3] Yılmaz B, Karabulut Ş, Güllü A. Performance analysis of new external chip breaker for efficient machining of Inconel 718 and optimization of the cutting parameters. Journal of Manufacturing Processes. 2018 Apr 1;32:553-63. doi: 10.1016/j.jmapro.2018.03.021
[4] Sristi NA, Zaman PB. A review of textured cutting tools’ impact on machining performance from a tribological perspective. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024 Aug;133(9):4023-57. doi: 10.1007/s00170-024-13865-5
[5] Yang D, Xu L, Zhang Z, Liu M, Liu B. Review of microtextured tools: pattern types, machining methods, and cutting performance. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024 Jan;130(1-2):1-33. doi: 10.1007/s00170-023-12628-y
[6] Zhuang K, Fu C, Weng J, Hu C. Cutting edge microgeometries in metal cutting: a review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021 Oct;116(7):2045-92. doi: 10.1007/s00170-021-07559-9
[7] Pereira Guimaraes BM, da Silva Fernandes CM, Amaral de Figueiredo D, Correia Pereira da Silva FS, Macedo Miranda MG. Cutting temperature measurement and prediction in machining processes: comprehensive review and future perspectives. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022 May;120(5):2849-78. doi: 10.1007/s00170-022-08970-y
[8] Aşcıoğlu M, Boy M. Machining characteristics investigations of duplex stainless steel by considering dual effect of chip breaker and cooling conditions. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2022 Jul;236(14):7885-98. doi: 10.1177/09544062211070244
[9] Denkena B, Bergmann B, Murrenhoff M. Influence of chip breaker geometries on chip breaking behaviour during profile grooving. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2024 Oct 1;53:95-102. doi: 10.1016/j.cirpj.2024.05.011
[10] Ze W, Jianxin D, Yang C, Youqiang X, Jun Z. Performance of the self-lubricating textured tools in dry cutting of Ti-6Al-4V. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2012 Oct;62:943-51. doi: 10.1007/s00170-011-3853-x
[11] Samant A, Sahoo AK, Kumar R, Panda A. Performance improvement through textured cutting tool during machining hard-to-cut materials: A review. AIP Conference Proceedings. 2024 Feb 20;3007(1):020005. doi: 10.1063/5.0194459
[12] Sharma R, Pradhan S, Bathe RN. Machinability Aspects of Non-Textured and Micro-Textured Cutting Inserts in Turning of Titanium gr 2. Surface Review and Letters. 2024 Feb;31(02):2450011. doi: 10.1142/S0218625X2450011X
[13] Chavoshi SZ, Tajdari M. Surface roughness modelling in hard turning operation of AISI 4140 using CBN cutting tool. International Journal of Material Forming. 2010 Dec;3(4):233-9. doi: 10.1007/s12289-009-0671-5
[14] Gaitonde VN, Karnik SR, Figueira L, Davim JP. Machinability investigations in hard turning of AISI D2 cold work tool steel with conventional and wiper ceramic inserts. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2009 Jul 1;27(4):754-63. doi: 10.1016/j.ijrmhm.2008.11.008
[15] Joch R, Cedzo M, Czán A, Šajgalík M, Holubják J, Drbúl M, et al. Impact of Chip Breaker Geometry on the Performance of Actively Rotary Monolithic Turning Tools. Materials. 2025 Mar 4;18(5):1154. doi: 10.3390/ma18051154
[16] Shu S, Hu Z, Li X, Huang Q. Impact of active chip breakers on Ti6Al4V turning process. Materials and Manufacturing Processes. 2025 Jun 11;40(8):1123-32. doi: 10.1080/10426914.2024.2372740
[17] Yılmaz Y, Kıyak M. Investigation of chip breaker and its effect in turning operations. Journal of Advances in Manufacturing Engineering. 2020 Mar 3;1(1):29-37. doi: 10.47119/IJASRE.2020.33724
[18] Kuo RY, Wang JJ, Lee RN. Effect of insert groove geometry on chip breaking performance. Journal of Mechanics. 2018 Feb;34(1):67-73. doi: 10.1017/jmech.2017.38