Analysis of tool life for tungsten carbide helical end mills in milling aerospace aluminum

Abstract

Günümüzün rekabetçi havacılık ve uzay endüstrisinde yüksek hız, yüksekhassasiyet ve düşük maliyette üretime olan talep gün geçtikçe artmaktadır. Airbus?unyayınladığı raporlara göre dünya üzerindeki yolcu uçaklarının sayısı her 15 senede bir ikikatına çıkmaktadır. Frezeleme, jet motoru ve yapısal elemanlar gibi birçok uçak parçasınınüretiminde kullanılan en yaygın ve önemli yöntemlerden biridir. Havacılık ve uzayendüstrisinde üretilen parçaların ağırlıklarının azaltılması için, kaba malzemenin hacimselolarak %90-95?inin talaş olarak atılması sıklıkla gerçekleşen bir durumdur. Bu nedenle, eniyi üretim koşullarının ve en uygun kesici takımların seçiminin bilimsel temelleredayandırılması yüksek kaliteli ürünlerin düşük maliyet ve kısa süre içerisinde üretilmeleriaçısından elzemdir. Üretim süresinin azaltılması için kesme hızlarının arttırılması ise kesme kuvvetleri, ortaya çıkan ısı ve işlem sıcaklıklarının tümünün artmasına neden olmaktadır. Oluşan bu zor şartlar takım aşınmasını hızlandırmaktadır. Böylece aşınan takımlar daha da yüksek kuvvetler oluşturmakta ve üretilen yüzeyin kalitesini düşürmektedirler. Bunlara ek olarak üretilen parça ve takım üzerindeki şekil bozuklukları ile hurdaya çıkan parça sayısı artmakta ve bazı durumlarda aşınan bu takımlar beklenmeyen ani ve büyük hasarlara yol açmaktadırlar. İş güvenliği, takım tezgâhı ve iş parçasının üzerindeki olumsuz etkilerinin yanı sıra, takım maliyetleri üretim maliyetlerinin önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Bu nedenle takım ömürlerinin hassas tahmini ve eniyilemesi hem akademik hem de endüstriyel açıdan önemli bir araştırma konusudur.Bu çalışmada uzay ve havacılık endüstrisinde yaygın olarak kullanılan Alüminyum7050 alaşımının frezelenmesinde kullanılan parmak frezelerin ömürleri deneysel olarakincelenmiştir. Çalışma, Türk Havacılık Endüstrisi (TAI)?nin desteği ile gerçekleştirilmiş,kesici takımlar ile iş parçaları TAI tarafından sağlanmıştır. Öncelikle frezeleme sırasındatakımların maruz kaldıkları kuvvetler freze alt yüzeyinin de etkileri göz önüne alınarakmekanistik kalibrasyon yöntemi ile modellenmiş ve bu kuvvetler Mori Seiki NMV5000DCG dikey işleme tezgahında yapılan deneylerle doğrulanmıştır. Daha sonra bu değerlerkullanılarak işlem sırasında açığa çıkan ısı ve takım üzerindeki sıcaklık dağılımıhesaplanmıştır. Hesaplanan sıcaklıklar, Koç Üniversitesi Üretim ve Otomasyon AraştırmaMerkezi bünyesinde yapılan kızılötesi sıcaklık ölçümleri ile karşılaştırılmıştır. Bir sonrakiadımda sıcaklık ve kuvvet bilgileri kullanılarak takım aşınması incelenmiş ve yapılandeneylerle karşılaştırılmıştır. Aşınmanın yüzey kalitesine olan etkisi üretilen yüzeylerinpürüzlülüklerin bakılarak incelenmiştir. Son olarak uygun kesme şartları ve kesici takımlarseçilerek takım maliyetlerinde %85?e varan iyileştirmeler yapılabileceği gösterilmiştir.

In today?s competitive aerospace and a ircraft industries, demand in manufacturing productswith high speed, high precision and lower cost is increasing. According to the Airbusreports, number of commertial aircrafts is doubled every 15 years. Milling is one of themajor manufacturing processes in producing aerospace and aircraft parts such as allstructural parts and jet engine components. In aerospace and aircraft industry, removing of90-95% of the bulk material with milling is very common to lower the weight of parts.Therefore, milling is perhaps the most critical manufacturing process in these criticalparts. Selections of optimal machining conditions and the appropriate tools based onscientific analysis are very critical for high quality part manufacturing with lower cost in shorter cycle times. When machining velocities are increased in order to reduce the process time, machining forces, heat generated and process temperatures all increase. The harsh machining environment accelerates the tool wear. As a result, worn tools generates higher forces and more deformations on parts and tools, may cause bad surface quality andscraped parts, and sometimes may results into catastrophic failures. Along with negativeeffects on the work safety, machining center and final product, the tool costs are one of the main contributors of the overall cost. Therefore, accurate prediction and optimization of the tool life are very important both from the scientific and industrial perspective.In this thesis, tool lives of different helical end mills in milling aerospace grade aluminum alloy Al-7050 which is used in structural parts of aircrafts and aerospace systems are investigated experimentally. This research was sponsored by the Turkish AerospaceIndustries (TAI). The workpiece material and milling tools are supplied by TAI. In thisresearch, the forces acting during the milling of Al-7050 are modeled using mechanisticcalibration technique taking the bottom edge cutting affects into account. The cutting force model is validated with the cutting experiments conducted on multi-axis CNC millingprocesses in Mori Seiki NMV5000 DCG. Moreover, the heat generated and temperaturedistributions in the tool geometry are predicted using the mechanic and thermal modelingmethods. The thermal model outputs are compared with the available data in the literatureand with the infrared thermal measurements performed in the Manufacturing andAutomation Research Center. After the temperature field is established, an analysis onwear is performed. The predicted wear values are also compared with the experimentalmeasurement results. The surface roughnesses of the manufactured parts are measured toobserve the effect of wear on the finished part. Besides the scientific analysis on millingmechanics and thermal analysis, this research concludes that by selecting appropriatecutting tools and machining conditions significant saving (up to 85%) on tooling cost inindustry is possible.