Selection of cutting strategy and parameters in multi-axis machining operations for improved productivity

Abstract

Çok eksenli talaşlı imalat yöntemlerinin önemi ve kullanımı havacılık, otomotiv ve kalıpçılık gibi karmaşık yüzeylere ve geometrik kısıtlara sahip parçaların üretildiği endüstrilerde oldukça artmıştır. Bu tip endüstrilerde parça bağlama sayısı azaltılarak yüksek geometrik hassasiyete ulaşılması da gereklidir. İki buçuk eksen, üç eksen ve beş eksen frezeleme ile birlikte paralel talaşlı imalat operasyonları çok eksenli talaşlı imalat sınıfında gösterilebilir. İki buçuk eksen frezelemede kesici takım aynı anda iki eksende hareket edebilirken üçüncü eksende de kesme seviyesini değiştirebilir. Üç eksen frezelemede ise takım aynı anda üç eksende hareket edebilmektedir. Beş eksen frezelemede, x, y ve z eksenlerindeki pozisyonlama yanında takım ekseni işlenen yüzeye göre istenen vektorel konuma gelebilmektedir. Paralel talaşlı imalatta ise bir parça üzerinde aynı tezgahta birden fazla operasyonun aynı anda yapılabilmesine olanaksağlanmaktadır. Örneğin, silindirik bir iş parçasının dış yüzeyi tornalanırken içine de başka bir takımla delik delinebilmektedir. Kullanılan ekipmanların, iş parçalarının ve CNC takım tezgâhlarının yüksek zaman maliyeti düşünüldüğünde bu tip operasyonlarda üretim verimliliğini ve parça kalitesinin arttırmak büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla,işlenecek parça ve kullanılacak ekipmana göre uygun kesme stratejisinin ve uygun süreç parametrelerinin seçimi gereklidir. Bununla birlikte, parallel talaşlı imalat süreçlerinde operasyon planlaması da toplam işleme zamanını azaltabilmek açısında büyük önem taşımaktadır. Bu hedeflere süreç modelleri kullanılarak süreç benzetimi yoluylaulaşılabilir.Kesme hızı düştükçe artan süreç sönümleme etkisiyle kararlı kesme limitlerinin arttığı pratik olarak bilinmektedir. Bu durum dikkate alındığında verimli kesme koşulları çok yüksek hız, ilerleme ve düşük kesme derinliklerinde elde edilebileceği gibi düşük hız,ilerleme ve yüksek kesme derinliklerinde de elde edilebilir. Yüksek kesme hızlarındakikararlı kesme derinliklerini tahmin etmek için geliştirilen birçok süreç dinamiği modeli bulunsa da henüz özellikle düşük kesme hızlarında önemli ölçüde etkisini gösteren süreç sönümlemenin modellenmesi ve tahmini için pratik bir model geliştirilememiştir. Bu yüzden de özellikle düşük hızlarda tahmin edilen teorik ve ede edilen pratik kararlı kesme derinlikleri farklı çıkmaktadır. Bu tez kapsamında süreç sönümlemenin ve düşük hızlarda kararlı kesme derinliklerinin tahmini için bir model önerilmiş ve önerilen model deneysel verilerle doğrulanmıştır ki bu çalışmanın talaşlı imalat literatürüne en önemli katkılarından biri de budur.Bu tez kapsamında çok eksenli frezeleme ve tornalama operasyonlarında kesme stratejilerinin ve parametrelerinin seçimi ve paralel talaşlı imalat operasyonlarının planlanması için süreç modelleme yoluyla yöntemler sunulmuştur. Süreç kararlılığı,takım tezgâhının iş milindeki tork ve güç, yüzey kalitesi ve şekil hataları süreç kısıtları arasında dikkate alınmıştır. Süreç sönümleme modeli, daha önce geliştirilen süreç modelleriyle birlikte bütünleşik bir şekilde kullanılmıştır ve bu yolla endüstride kullanılan farklı parçaların üretimi için farklı kesme stratejiler karşılaştırılarak çeşitli kesme stratejileri önerilmiştir. Oldukça önem taşıyan bu konu üzerinde literatürde azçalışma olduğundan bu tezin bu konuda literatüre ikinci bir katkı sağladığı söylenebilir.Bir tezgâh üzerindeki birden fazla işleme biriminin paralel şekilde aynı parça üzerinde aynı anda işlem yapmasını sağlayan paralel talaşlı imalat yöntemi, çeşitli avantajlar sağladığı gibi birçok da kısıtlama getirmektedir. Paralel talaşlı imalat sayesinde fiziksel alandan ciddi anlamda tasarruf edilebileceği gibi parçanın boyutsal toleranslarınınbütünlüğünün korunması, toplam işleme zamanının azaltılması ve operasyonların esnek olarak planlanması sağlanabilir. Bu alanda literatürde yapılan çalışmalar oldukça azdır ve mevcut çalışmalarda da operasyonların planlanmasında aynı anda yürütülen süreçlerin birbirleri arasındaki dinamik ve mekanik etkileşim dikkate alınmamıştır.Bu tezde paralel talaşlı imalat süreçlerinin planlanması için süreçlerin birbirileri arasındaki mekanik ve dinamik etkileşimi de dikkate alan yöntemler önerilmiştir.Tez kapsamında geliştirilen ve önerilen yöntemlerin ve modellerin uygulanabilirliği gerçek endüstriyel iş parçaları üzerinde gösterilmiş ve elde edilen faydalar da sunulmuştur. Böylece, bu tez içeriğinin endüstriye doğrudan fayda sağladığı da ortaya konmuştur.

Importance and application of multi-axis machining operations has been continuing to increase in several industries such as aerospace, automotive, die and mold, where parts with complex surfaces. In such industries achieving tight tolerances is required with minimum number of setups, as well. Two and half, three and five axis milling can beconsidered in such a class together with parallel machining operations. The cutting tool has simultaneous translation in two axes, and the third axis is used to change the axial level. In three axis milling the cutting tool is able to have simultaneous translation in ?x,?y and ?z axis of Cartesian coordinates. However, in five axis milling, tool orientation changes with respect to the machined surface due to the rotary axes in addition to the linear motions in x, y, and z directions. Parallel machining, which can also be considered as a multi-axis process, consists of simultaneous machining operations on a given part. For instance, while the outer diameter of a part is machined, a drillingoperation can be conducted in parallel. Increasing the productivity and part quality in such operations is important due to the high cost of machine tools, equipment and raw material involved. For this purpose, the right machining strategy and appropriate set of process parameters should be selected for a given part. Moreover, proper scheduling ofparallel machining operations is also of great importance for decreased machining time on a part. This objective can be achieved using of process simulations based on process modeling.It is practically known that as the cutting speed is decreased, process stability increases with the effect of process damping. Considering this fact, high productivity conditions can be achieved by selecting low cutting speeds and high cutting depths, besides the high speed cutting conditions. Although there are several models for estimation ofprocess stability at high cutting speeds, there has not been a practical method for estimation of stability limit considering the process damping effect for low cutting speed conditions. Therefore, current models fail to accurately estimate the stability limits, especially at low cutting speeds. In this thesis, a new and practical method is proposed for modeling of process stability at low cutting speeds. The model predictions are also verified through experiments. Thus, it is one of the major contributions of this thesis to the machining research. In this thesis, selection of cutting strategies and parameters is studied for multi axis milling and turning operations through process modeling. Process stability, spindle torque and power, quality requirements on the workpiece, form errors and tool life are considered as the constraints. The proposed model for estimation of process damping and stability limits at low cutting speed is used together with the previously developed process models. By doing so, different cutting strategies are compared for industrial parts. Considering that there is not much study dealing with such a problem, it can be said that this thesis contributes to literature in this respect.Parallel machining operations, where more than one machining units are allowed to work on the part provide several advantages, while bringing additional challenges. By the help of parallel machining physical space can be saved, tolerance integrity can be achieved easier, total machining time can be decreased and flexibility in processscheduling can be achieved. The literature on scheduling of parallel machining operations is relatively scarce. Moreover, current studies do not consider the dynamic and mechanic interaction between the processes conducted in parallel. In this thesis,such interactions are also considered in scheduling of parallel machining operations.The applicability of the method and models proposed in the thesis is shown on industrial workpiece geometries and the improvements are also presented together with the results.