Chip load, calibration analysis and dynamics of ball-end milling for free-form surface machining

Abstract

Tez Başlığı : Chip Load, Calibration Analysis and Dynamics of Ball-End Milling for Free-formSurface MachiningYazar : Burak ÖztürkÖZETOtomotiv, uzay ve kalıp tasarımı endüstrilerinde, küresel uçlu parmak frezeleme işlemi serbestformlu yüzeylerin işlenmesinde oldukça yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. İşleme operasyonlarınıntanımlanması aşamasında, operasyon planlayıcısı istenmeyen şekilde takım kırılmasına, talaşsıkışmasına ve takım deplasmanı sonucu oluşan yüzeyden aşırı miktarda talaş kaldırılması gibidurumlara meyil vermeyecek şekilde, malzeme kaldırma hızına oranlı olarak, kesme koşullarınıihtiyatlı şekilde belirlemek zorundadır. Bu gibi sorunlar eksenel ve radyal yönlü talaş miktarlarınınsürekli olarak değiştiği serbest formlu yüzeylerin işlenmesi sırasında oldukça önem kazanmaktadır. Busebepten dolayı operasyon planlayıcısına kesme koşullarını seçmede kılavuzluk sağlanması oldukçaönemlidir. Bu probleme yapılabilecek bir çözüm kesme işlemi sırasında oluşabilecek kuvvetlerinkesme koşullarının seçiminde göz önünde bulundurulmasıdır. Eğer operasyon planlayıcısı yapılacakbelli bir kesme işlemi öncesi oluşacak kuvvetleri göz önüne alabilirse, seçilen koşulların uygunluğunarahatlıkla karar verilebilir. Kesme kuvvetlerinin hesaplanmasında, temas yüzeyinin doğru bulunması,kalibrasyon katsayılarının doğru tespiti ve kullanılan kuvvet modeli oldukça önemlidirÖncelikle, küresel uçlu parmak frezelemede kullanılan kuvvet modelleri talaş kalınlığına bağlıdır.Talaş genişliği ise, takım ile parça arasında oluşan anlık temas sınırlarından hesaplanabilmektedir.Kesme kuvvetlerinin doğru tespiti için değişken temas yüzeyleri oldukça önemlidir. Yapılanaraştırmalarda, özellikle iki tip; ?Z-mapping? ve katı modelleme, temas yüzeyi tespiti yöntemibulunmaktadır. İki yöntemde temas yüzeyini belli kesinlik sınırları içerisinde tespit edebilmeklebirlikte, bu yöntemler uzun hesaplama süreleri gerektirdikleri için bir CAM programında CLdosyasının oluşumu ile eş zamanlı olarak kullanılamamaktadır. Bu çalışma üç boyutlu serbest formlumonotonik yüzeylerdeki anlık temas bölgelerinin analitik ve hızlı şekilde bulunmasını sunmaktadır.Analitik olan bu metot sonlu eleman boyutundan (grid-size) bağımsız olduğu için sonlu elemanlaraayırma ve Boolean gibi yöntemlerden daha hızlı olarak çalışmaktadır. Bununla birlikte denklemleranalitik olduğu için temas yüzeyleri katidir.İkinci olarak, kalibrasyon testleri sonucu elde edilen kalibrasyon katsayıları oldukça önemlidir.Doğru şekilde bulunan kalibrasyon katsayıları doğru kuvvet simülasyonunu mümkün kılmaktadır.Bundan önceki araştırmalarda, kalibrasyon katsayıları temas yüzeyindeki kesme ağzının giriş çıkışaçılarından bağımsız olduğu düşünülmüştür, bu nedenle her hangi bir temas yüzeyi için aynı olduklarıdüşünülmüştür. Kalibrasyon katsayıları yatay yuva kesme işlemi ile elde edilmektedir ve bu testlerdeğişik kesme derinlikleri için tekrar edilir. Bu çalışmada, kesme kuvvetlerinin doğru tespiti için,kalibrasyon katsayılarının modifikasyonunu içeren yeni bir metot sunulmaktadır. Bu araştırmada,teorik analiz ile birlikte kesme testlerinden elde edilen kuvvet sinyalleri sayesinde yüzey eğim açısınınhem kalibrasyon hem de kesme kuvveti simülasyonunda önemi gösterilmiştir. CAD çizimleri temasyüzeylerinin, deneysel kuvvet sinyalleri temas yüzeylerinin, modifikasyon algoritmasının ve kuvvetmodelinin ispatında kullanılmıştır. Küresel uçlu parmak frezeleme işlemlerinin teorik dinamik analizide ayrıca çalışılmıştır ve dinamik analiz, analitik temas yüzeyi metodu ile eşlenerek ileri zamanlıaraştırma projesi olarak bırakılmıştır.Kesme kuvvetlerinin tespitinden başka, beş eksen küresel uçlu parmak frezeleme işleminde ilerizamanlı araştırma projesi olarak belli bir düzeye kadar ele alınmıştır. Takımdaki öncül ve yanalaçıların kesme kuvvetlerine etkisi incelenmiştir.

Thesis Title : Chip Load, Calibration Analysis and Dynamics of Ball-End Milling for Free-formSurface MachiningAuthor : Burak ÖztürkABSTRACTThe ball-end milling process is used extensively in machining of free-form surfaces in automobile,die/mold and aerospace industries. In planning machine operations, the process planner has to beconservative in selecting machining conditions with respect to metal removal rate in order to avoidunwanted results such as chipping, cutter breakage or overcut due to excessive cutter deflection. Theseproblems are particularly important for machining of free-form surfaces where axial and radial depthsof cuts are abruptly changing. For this reason it will be very critical to provide the process plannerwith guidance in selecting machining conditions. One solution to this problem is to consider thecutting force in the stage of selecting machining conditions. If the process planner can predict thecutting force for a certain machining condition, it would be very helpful in judging whether theselected condition is appropriate. In the prediction of cutting forces exact determination of engagementregions, calibration coefficients and force model play very important roles.Firstly, cutting force models for ball-end milling are based on the undeformed chip thickness.Undeformed chip load can be constructed from the boundaries of instantaneous engagement regionbetween the ball-end mill and workpiece. In order to predict the cutting forces accurately,determination of the varying engagement region is important. In the literature, there are two mainengagement region constructing methods; one is the Z-mapping and the other one is using a solidmodeler based on Boolean operation method. Both methods construct the engagement region withinaccuracy limits, on the other hand the computational time for these methods are long such that it is notpossible to calculate the forces at the same time of CL-point construction in a CAM package. Thiswork presents development of an analytical method for fast and accurate determination of theinstantaneous engagement regions in the 3D machining of monotonic free-form surfaces. Theanalytical tool is grid size independent, thus it is much faster than discretization and Boolean methods.In addition to that, there is no need for smaller grid sizes to have the exact engagement domain sincethe equations are analytical and thus give the exact engagement regions.Secondly, obtaining the calibration coefficients from calibration tests is a very influential processin the prediction of cutting forces. Accurately obtained calibration coefficients lead to better forcepredictions. In the literature the calibration coefficients are assumed to be independent of the changeof the start and exit angles within the engagement region, thus they are assumed to be identical for anyengagement region. Calibration coefficients are obtained from the horizontal slot cutting tests andthese tests are repeated for different depth of cuts. In this work, in order to achieve more precise forcepredictions in free-form machining simulations, a new modification algorithm for calibrationcoefficients is presented. In this research, with theoretical analysis and experimental force signals, it isshown that the inclination angle has a great importance in calibration and in force simulation of 3Dfree-form machining. CAD drawings are performed to validate the analytical engagement model withmeasured forces and extensive experiments are performed to validate both the analytical engagementregion and the modification model of calibration coefficients. Theoretical Dynamic analysis of ball-end milling is also studied.In addition to predicting the cutting forces, five-axis ball-end milling is also studied up to aninformative level for the future work. Experiments are performed in five-axis ball-end milling andeffect of lead/tilt angles on force signals is stated. Dynamics of ball-end milling is coupled withengagement model and an analytical method is presented which needs to be developed as a futurework.