Improving productivity in free-form machining

Abstract

ÖzetSerbest formdaki yüzeyler otomotiv, uzay sanayii ve kalıpçılık gibi çeşitli endüstriler tarafındanyaygın olarak kullanılırlar. Endüstride, fiziksel modellerin ve optimizasyon araçlarının yokluğundandolayı sabit ve güvenli ilerleme hızları kullanılmaktadır. Kompleks serbest formaki yüzeylerde parçakalitesinden ödün vermeden yüksek verimlilik sağlamak için kesme koşullarını seçmek genelliklekritik ve zordur.İlerleme hızı planlamasında yaygın olarak kullanılan yaklaşım malzeme kaldırma oranı (MRR)tabanlı geometrik modeldir. Günümüzde sıkça kullanılan bilgisayar destekli üretim ve sayısalfrezeleme kodu yaratan programlar sadece geometrik ve hacimsel analizlere dayanır. Ancak, buprogramlarda serbest formdaki yüzey üretiminin fiziği ve mekaniği eksiktir. Bu tezde uygulanan yeniyaklaşım işlemin mekaniğine dayanır. Başka bir söylemle kuvvet tabanlı modellerde ilerleme hızıanlık veya ortalama kesme kuvvetlerinin altında tutulur. Bu çalışmada, serbest formadaki yüzeylerinküresel uçlu parmak freze ile kesilmesi için her iki ilerleme hızı planlama stratejileri deneysel ve teorikolarak karşılaştırılmıştır. Geometrik tabanlı hız planlama stratejisinin yüksek kesme kuvvetlerineneden olan daha yüksek ilerleme hızları verdiği gösterilmiştir. Geometrik tabanlı stratejinin verdiğisonuçlara göre yüksek olan ilerleme hızları ve kuvvetler parça kalitesine, kesme takımına ve CNCmakinesine zarar verebilir.Kuvvet tabanlı ilerleme hızı planlamasının yanı sıra, parmak freze ile üretilen serbest formdakiyüzeylerde yüzey kalitesini ve yüzey hatalarını tahmin etmek için yeni matematiksel bir modelsunulmuştur. Teorik yüzey hata tahminleri Koordinat Ölçme Makinesi (CMM) ile belirlenen deneyselsonuçlar ile karşılaştırılıp doğrulandı.

AbstractFree-form machining is one of the most commonly used manufacturing processes by severalindustries, such as automotive, aerospace, die and mold. Conservative constant feedrate values havebeen mostly used lately since there was lack of physical models and optimization tools. In complicatedfree-form surfaces, it is critical, but often difficult, to select applicable cutting conditions to achievehigh productivity while maintaining high quality of parts.The common approach used in feedrate scheduling is material removal rate (MRR) model.Commonly used CAM programs and NC code generators based on only the geometric and volumetricanalysis, but they do not concern the physics of the free-form machining process. The new approachwhich has been adapted in this thesis is based on the mechanics of the process. In other words, theforce based models in which feedrate is set to values which keep either average or instantaneousmachining forces to prescribed values. In this study, both feedrate scheduling strategies are comparedtheoretically and experimentally for ball-end milling of free-form surfaces. It is shown that volumetricbased strategy outputs higher feedrate values which will cause higher forces compared to force basedstrategy. These forces can damage to the part quality and CNC Machine.Besides developing the force based strategy and comparing with constant and MRR basedstrategy, a new mathematical model is introduced for predicting the form errors which affect thesurface quality and productivity in 3D free form machining with ball-end milling. Theoretical surfaceerror predictions are compared and verified with the experimental results determined from CoordinateMeasurement Machine (CMM).