Geometrical optimization of the broaching tools by leveling of the cutting forces

Abstract

Talaşlı imalat, endüstri devriminden beri son derece eski ve yaygın olarak kullanılan bir imalat metodudur. Broşlama operasyonu da takım tezgahlarında kullanılan en eski yöntemlerden olup, pek çok uygulama için kullanılmaktadır. Örneğin, yuvarlak profile sahip olmayan deliklerin delinmesinde ve türbin disklerine çam ağacı (fir-tree) formunda yiv ve kama yuvalarının açılmasında kullanılır. Broşlama prosesi iş parçasından düz çizgisel hareketle talaş kaldırmaktadır. Broşlama talaşlı imalat operasyonları içerisinde üzerinde en az çalışılan alanlardan biridir.Broşlama prosesinin doğası gereği, takım üretildikten sonra proses planında yalnızca kesme hızı değiştirilebilir. Bu sebeple, broş takımı tasarımı tüm broşlama operasyonunun en önemli aşamasıdır. Bu yüzden takımın üretiminden önce, kesme prosesinin modellenmesi ve kritik parametrelerin tahmini optimum takım dizaynı elde edebilmek kritik bir önem taşır. Geçmiş çalışmalarda, kesme kuvvetleri sabit tutulmadan optimizasyon çalışması yapılmıştır. Fakat, sabit kesme kuvvetleri altında gerçekleşen bir broş operasyonu karşılaşılabilecek problemleri elimine edebilir. Bu sayede takım ömründe azalma, kesici ucun körelmesi, diş kırılması, kötü yüzey kalitesi gibi problemler çözülebilir ve aynı zamanda takımın boyu/işlem zamanı kısaltılabilir.Bu çalışmada amaç, yukarıda bahsedilen sabit kuvvet ile gerçekleştirilebilen bir broşlama operasyonu için takım tasarımı yapılmasıdır. Bu sayede, takım boyu minimize edilebilecek, takım ömrünü uzayacak ve parçanın kalitesi iyileşecektir. Ayrıca bu çözüm prosesin toplam maliyetini düşürmektedir.

Subtractive machining has been one of the most extensively used manufacturing methods since the industrial revolution and the broaching operation is one of the ideal and oldest machining processes for accomplishing various applications such as turbine disc fir-tree slots, non-circular internal holes and keyways. Since the broaching operation accomplished by the linear cutting motion. Although broaching process is the only machining operation in order to machine complicated profiles without using a rotary motion, it is one of the least studied one in the literature.Due to nature of the broaching process, the broach tool design is the most important step during this operation since except cutting speed there is no any other flexibility. Therefore, modeling of the cutting process and predicting critical parameters before the design stage is crucial for optimum tool design. In previous studies, an optimized model without considering constant cutting forces for broaching tool design was presented. However, developing a method to generate an optimized broach tool design based on constant cutting forces can eliminate potential problems (i.e. reduced tool life and chipping, tooth breakage, poor surface quality etc.) while decreasing its length.In this study, a method is developed in order to minimize the length of the broach, increase tool life and quality of the final part leading to reduction of whole process cost by leveling of the cutting forces in each broaching process cycle, i.e. roughing, semi-finishing and finishing.