Analytical modeling of cutting process mechanics and dynamics for simulation of industrial machining operations

Abstract

Talaşlı imalat, sanayi devriminden bu yana en çok kullanılan imalat tekniklerinden biri olmuştur. Teknolojik gelişmeler, dayanımı daha yüksek, daha hızlı işleme yeteneğine sahip ve daha yüksek kaliteli parçaları imal edebilen takım tezgahlarının üretilmesini olanaklı kılarken, süreç parametrelerinin seçimi halen deneyimlere dayanarak yapılmaktadır. Kabul edilebilir ya da en iyi parametrelerin seçimi yalnızca çok sayıda deney yapılarak ya da süreç modelleri ile mümkündür.Bu çalışmanın ana amacı, kesme işlemleri sırasında metallerin gerçek mekanik ve dinamik davranışlarını temsil eden analitik süreç modellerinin geliştirilmesidir. Dik ve eğik kesme süreçleri için analitik modeller sunulmuştur. Bu modeller, endüstride yaygın şekilde kullanılan tornalama ve 5-eksenli frezeleme operasyonlarının benzetiminde kullanılmıştır. Bununla birlikte, kesici takım ucu yarıçapının dikkate alındığı durumlar için bir ilk yaklaşım modeli önerilmiştir. Önerilen modellerde talaş yüzeyi teması ve sürtünme, literatürdeki diğer çalışmalardan daha doğru bir şekilde temsil edilmektedir. Ayrıca çok az sayıda testle sürtünme ve malzeme modeli katsayıları kalibre edilebilmektedir. Bütün bu özellikler, önerilen modelleri önceki çalışmalardan bir adım öteye taşımıştır. Metal kesme işlemlerindeki diğer önemli bir husus da kesme sırasındaki dinamik davranıştır. Bunun için, dinamik kesme sürecini çok boyutlu bir şekilde ele alan bir kararlılık modeli sunulmuştur. Tüm önerilen modeller deneylerle doğrulanmış ve karşılaştırmalar sonucu hesap edilen değerlerin deney sonuçlarıyla oldukça yakın olduğu görülmüştür. Önerilen modeller, operasyon sürelerinin kısaltılması, parça kalitesinin artması, takım ömrünün uzaması, kararlı işlemler ve böylelikle imalat maliyetinin azaltılması amacıyla endüstriyel operasyonlarına uygulanabilir durumdadırlar.

Machining has been one of the most widely used manufacturing methods since the industrial revolution. Although the technological developments enabled machine tools to be stronger, work faster and produce more precise parts, the process parameters are still selected based on the experience. Selection of the acceptable or optimum parameters can only be possible by conducting extensive amount of experiments or by the help of the process models.The main aim of this thesis is to develop analytical models in order to represent the true mechanical and dynamical behavior of metals during cutting operations. Analytical models for the orthogonal and oblique cutting processes are proposed. These models are used as a base in order to simulate commonly used industrial operations such as turning and 5 axis milling. Moreover, an initial approach is proposed in order to model cutting behavior when the cutting tool has a hone radius. The proposed models are step ahead from the previous ones as they represent the rake face contact and friction in a more accurate manner, and have the ability to calibrate the material model parameters and friction by few tests. The dynamic behavior during cutting is also a very important aspect. For this, a stability model which includes multi-dimensional nature of the cutting process is proposed. All the proposed models are verified by experiments and overall good agreement is observed. These models can be applied to industrial machining operations yielding shorter machining times, better surface quality, longer tool life, stable operations and less manufacturing costs.