Mechanics, dynamics and optimization of special end mills

Abstract

Talaşlı imalat, özellikle frezeleme operasyonları yüksek kalitede parça üretme potansiyeli ve esnekliği sayesinde endüstride en sık kullanılan imalat yöntemlerinden birisidir. Frezeleme performansı değişken aralıklı, değişken helisli veya kaba frezeleme takımları gibi özel frezeleme takımları kullanılarak belirgin bir şekilde arttırılabilmektedir. Bu takımlar hakkında yapılmış yayınlar genellikle frezeleme kuvvetlerinin ve frezeleme kararlılığının modellenmesi ve tahmin edilmesi ile sınırlıdır. Değişken aralıklı ve değişken helisli takımların eniyilenmesi üzerine birkaç yayın bulunmasına rağmen, kaba frezeleme takımlarının seçimi veya eniyilenmesi üzerine herhangi bir yayın bulunmamaktadır. Bu tezde, bahsi geçen frezeleme takımlarının mekaniği ve dinamiği detaylı bir sekilde incelenmiştir. Ayrıca bu takımlarla yüksek kararlılık ve düşük frezeleme kuvvetleri elde edilmesi için eniyileme yöntemleri ve sonuçları sunulmuştur. Verilen bir frezeleme sistemi ve istenilen bir iş mili devri için farklı aralık açısı kalıpları kullanılarak değişken aralıklı freze takımları tasarlanmıştır. Tasarlanan değişken aralıklı freze takımlarının performansları incelenmiş, önemli ve pratik sonuçlar bulunmuştur. Kaba frezeleme takımlarının dalga geometrilerinin frezeleme kuvvetleri ve süreç kararlılığı üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Eniyileme sonuçlarına göre bu takımların seçimi ve tasarımı için yollar sunulmuştur.

Machining, especially milling, is still one of the most commonly employed manufacturing operations in industry because of its flexibility and potential to produce high quality parts. Milling performance can be increased significantly using special milling tools, such as variable pitch and helix or serrated end mills. The literature on these special tools is mostly limited to prediction of milling forces and chatter stability. Although there are very few studies on optimal design of variable pitch and helix tools, no work has been reported on selection or optimization of serrated end mills. In this thesis, mechanics and dynamics of these tools are investigated in detail. Furthermore, methods and their results on optimization of these tools for minimized milling forces and increased stability are also presented. Optimal variable pitch tools are designed for a given milling system and a desired spindle speed, using different pitch patterns. Their performances are compared and some important and practical results are found. The effects of serration waveform geometry on cutting forces and chatter stability are also investigated in detail. According to the optimization results, guidelines for selection and design of these tools are proposed.