effect of electrical discharge machining on stress concentration in titanium alloy holes

Efeito da usinagem por descarga elétrica na concentração de tensões em furos de liga de titânio

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2016
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Abstract
Titanium alloys have several advantages, such as a high strength-to-weight ratio. However, the machinability of titanium alloys is not as good as its mechanical properties. Many machining processes have been used to fabricate titanium alloys. Among these machining processes, electrical discharge machining (EDM) has the advantage of processing efficiency. EDM is based on thermoelectric energy between a workpiece and an electrode. A pulse discharge occurs in a small gap between the workpiece and electrode. Then, the material from the workpiece is removed through melting and vaporization. However, defects such as cracks and notches are often detected at the boundary of holes fabricated using EDM and the irregular profile of EDM holes reduces product quality. In this study, an innovative method was proposed to estimate the effect of EDM parameters on the surface quality of the holes. The method combining the finite element method and image processing can rapidly evaluate the stress concentration factor of a workpiece. The stress concentration factor was assumed as an index of EDM process performance for estimating the surface quality of EDM holes. In EDM manufacturing processes, Ti-6Al-4V was used as an experimental material and, as process parameters, pulse current and pulse on-time were taken into account. The results showed that finite element simulations can effectively analyze stress concentration in EDM holes. Using high energy during EDM leads to poor hole quality, and the stress concentration factor of a workpiece is correlated to hole quality. The maximum stress concentration factor for an EDM hole was more than four times that for the same diameter of the undamaged hole.
As ligas de titânio apresentam diversas vantagens, como uma elevada relação resistência-peso. No entanto, a usinabilidade das ligas de titânio não é tão favorável quanto suas propriedades mecânicas. Diversos processos de usinagem têm sido empregados na fabricação de ligas de titânio. Entre esses processos de usinagem, a usinagem por descarga elétrica (EDM) destaca-se pela vantagem da eficiência de processamento. A EDM baseia-se na energia termoelétrica entre a peça de trabalho e um eletrodo. Uma descarga pulsada ocorre em uma pequena folga entre a peça e o eletrodo. Em seguida, o material da peça é removido por meio de fusão e vaporização. Contudo, defeitos como trincas e entalhes são frequentemente detectados na borda de furos fabricados por EDM, e o perfil irregular desses furos compromete a qualidade do produto. Neste estudo, foi proposto um método inovador para estimar o efeito dos parâmetros de EDM sobre a qualidade superficial dos furos. O método, que combina o método dos elementos finitos e o processamento de imagens, é capaz de avaliar rapidamente o fator de concentração de tensões de uma peça. O fator de concentração de tensões foi adotado como um índice de desempenho do processo de EDM para estimar a qualidade superficial dos furos gerados. Nos processos de fabricação por EDM, utilizou-se a liga Ti-6Al-4V como material experimental e, como parâmetros de processo, foram considerados a corrente de pulso e o tempo de pulso ativo (*pulse on-time*). Os resultados demonstraram que as simulações por elementos finitos podem analisar com eficácia a concentração de tensões em furos produzidos por EDM. A utilização de altos níveis de energia durante a EDM resulta em baixa qualidade do furo, e o fator de concentração de tensões da peça correlaciona-se com essa qualidade. O fator máximo de concentração de tensões para um furo usinado por EDM foi superior a quatro vezes o verificado para um furo íntegro de mesmo diâmetro.
Reference Key
hsu2016materialseffect Use this key to autocite in the manuscript while using SciMatic Manuscript Manager or Thesis Manager
Authors ;Wei-Hsuan Hsu;Wan-Ting Chien
Journal Nature Materials
Year 2016
DOI
10.3390/ma9120957
URL
http://www.mdpi.com/1996-1944/9/12/957
Keywords
Finite Element Method ti-6al-4v titanium alloy electrical discharge machining electronics civil engineering (general)microscopydescriptive and experimental mechanics nuclear engineeringengineering (general) stress concentrationtechnologyelectrical engineering

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