Analysis of thermal fields in orthogonal machining

Abstract

İmalatta düşünülmesi gereken en kritik faktörlerden biri kesme sıcaklığıdır. Kesmesıcaklığı takımdaki aşınmayı direkt olarak etkiler, dolayısıyla takım performansını ve imalathassasiyetini etkiler. Ayrıca, takımın ve parçanın sıcaklığı bazı sınırların üstünde olmamasıgerektiğinden sıcaklık kesme parametrelerinin seçiminde sınırlayıcı bir faktördür, özellikle deyüksek ilerleme ve kesme hızlarının düşünülmesi gerektiği yüksek hızlı imalatta (high-speedmachining). Tüm bu gerçekler göz önüne alındığında kesin olarak anlaşılmaktadır ki sıcaklıkimalattaki en önemli hususlardan birisidir. Bu projede, dik (ortogonal) kesme sırasında talaş,takım ve parçada oluşacak termal alanları simule eden sonlu farklar (finite-difference)prensibine dayalı bir matematiksel modelin validasyonu hassas bir kızılaltı kamera düzeneğiile yapılmıştır. Sıcaklık simulasyonları ve validasyon deneyleri değişik malzemeler ve takımgeometrileri için yapılmıştır. Takım geometrisinde takımın eğrilik açısı (rake angle)değiştirilmiştir. İmalatta var olan ısı mekanizmasını daha iyi analiz edebilmek için deneylersırasında kesme ve ilerleme hızları da değiştirilerek, kesme hızının, ilerleme hızının, takımgeometrisinin, takım ve malzeme karakteristiklerinin sıcaklık dağılımına olan etkisi analizedilmiştir.

One of the most important factors to consider in machining is the cuttingtemperature. The cutting temperature effects tool wear directly, so it changes toolperformance and machining precision. Also, temperature creates some limitations forcutting parameters since the temperature of the workpiece and the tool should not exceedsome critical boundaries. Especially for high-speed machining temperature is a limitingfactor due to the fact that in high-speed machining high cutting speeds and feedrates areto be considered. When all of these facts are taken into consideration, it is obvious thattemperature prediction is one of the most important key issues in machining, especially inthe high-speed era. In this study, the temperature fields generated during turning processare predicted with a mathematical model based on finite-difference analysis. The analysisis done for three different regions; the chip, the tool and the workpiece. The simulationresults for the tool are validated with experiments conducted with an infra-red camerasetup. The temperature simulations and experiments are carried out for differentworkpiece materials, different tool geometries with varying rake angle. Moreover, duringthese experiments the cutting speeds and feedrates are also varied, in order to understandthe mechanism of heat generation and the effect of critical parameters such as tool rakeangle, thermal conductivity of the workpiece and the tool on temperature distribution.