Design and Development of Ceramic-based Composites for Cutting Tool Inserts. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis,_Taha_Waqar.pdf Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

يتطلب التطوير الناجح لمواد أدوات القطع المحسنة تطبيق مفاهيم مبتكرة في كل مرحلة من مراحل عملية التصنيع. في هذا العمل ، يتم تطبيق نهج التصميم الحسابي في تطوير إدخالات أداة قطع السيراميك المقواة مع الخصائص الهيكلية والحرارية المصممة. يتم النظر في عدة مواد حشو محتملة في مرحلة تصميم المواد لتحسين الخصائص الهيكلية والحرارية لمواد مصفوفة مختارة. تعتبر الخصائص مثل التوصيل الحراري المُحسَّن وانخفاض معامل التمدد الحراري ضرورية لإدخال أداة القطع الفعالة لامتصاص الصدمات الحرارية عند درجات حرارة متفاوتة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب تعزيز أو الحفاظ على الخصائص التركيبية مثل صلابة الكسر ومعامل المرونة ضمن نطاق معتدل. يتم تطبيق نظرية تجانس المجال الوسطي وتقريب متوسط الفعالية بالإضافة إلى تحديد صلابة الكسر من خلال منهج التقييم J المتكاملة باستخدام كود داخلي للتنبؤ بالخصائص الهيكلية والحرارية المحتملة المثلى للتطبيق المطلوب. ويتحقق ذلك من خلال النظر في تأثير الادراج كدالة لكسر حجم وحجم الجسيمات في مصفوفة قاعدة السيراميك. يتم تطوير المواد المركبة باستخدام عملية Spark Plasma Sintering ؛ يتم قياس الخصائص الهيكلية والحرارية تجريبيا من أجل التحقق من صحة النتائج الحسابية. من النتائج ، وجد أن نهج تصميم المواد الحسابية دقيق بما فيه الكفاية في التنبؤ بالخصائص المستهدفة لمركب هجين مركب مصمم لإدخال أداة القطع. يتم تقييم أداء أداة القطع المركبة المصمّمة للمادة أثناء عملية القطع من خلال استخدام FEM. أظهرت الدراسات المقارنة أداء أكثر قوة للمركب عند مقارنته بالمواد القياسية بسبب خصائصه المستهدفة الحرارية والهيكلية المحسنة.

English Abstract

Successful development of enhanced cutting tool materials requires the application of innovative concepts at every phase of the manufacturing process. In this work, a computational design approach is applied in the development of reinforced ceramic based cutting tool inserts with tailored structural and thermal properties. Several potential filler materials are considered at the material design stage for the improvement of structural and thermal properties of a select matrix material. Properties, such as an improved thermal conductivity and reduced coefficient of thermal expansion are essential for an effective cutting tool insert to absorb thermal shock at varying temperatures. In addition, structural properties such as fracture toughness and elastic modulus should be enhanced or maintained within a moderate range. A mean-field homogenization theory and effective medium approximation along with fracture toughness determination through J-integral evaluation approach using an in-house code are applied for predicting potential optimum structural and thermal properties for the required application. This is achieved by considering the effect of inclusions as a function of volume fraction and particle size in the ceramic base matrix. Development of composites is done using the Spark Plasma Sintering process; structural and thermal properties are measured experimentally in order to validate the computational results. From the results, it is found that the computational material design approach is precise enough in predicting the targeted properties of a designed hybrid composite material for cutting tool inserts. The designed composite cutting tool insert material’s performance is evaluated during a cutting process through the use of FEM. Comparative studies showed more robust performance of the composite when compared to benchmark materials due to its enhanced thermal and structural target properties.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Akhtar, Syed Sohail
Committee Members:	Arif, Abul Fazal M. and Laoui, Tahar
Depositing User:	TAHA WAQAR (g201078780)
Date Deposited:	05 Jun 2018 10:51
Last Modified:	31 Dec 2020 07:28
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140752