Geometrical analysis and optimization of 5-axis milling processes

Abstract

5 eksen frezeleme süreçleri karma k yüzeylerin ve parça üzerinde geometriktlar n oldu u, havac k, kal p ve otomotiv endüstrilerinde yayg n olarakkullan lmaktad r. Yüksek hareket kabiliyeti, kesici tak n parçaya ula maskolayla rd ndan, geometrik k tlara ra men karma k yüzeylerin üretilmesimümkün hale gelmektedir. Bu tür endüstrilerde boyutsal tolerans bütünlü ü, yüzeykalitesi ve üretim verimlili i çok önemlidir. Bu yüzden, en iyi ya da en iyiye yak nsüreç ko ullar n belirlenmesi ve en uygun kesme stratejisinin seçilmesi gereklidir. 5-eksen frezeleme süreçlerindeki yüksek hareket kabiliyeti süreç geometrisini vemekani ini karma kla r. Bunun sonucu olarak, 5-eksen frezeleme süreçlerinineniyilemesi karma k bir mühendislik problemi haline dönü ür. Bu problemi çözmekiçin süreç modelleri, geometrik çözümleme yöntemleriyle birlikte kullan lmal r.Kesme stratejisi seçiminde ise yüzey karakteristi i ve süreç mekani i dikkateal nmal r. Bu tezde, küresel uçlu tak m kullanan 5-eksen frezeleme süreçleri için tambir geometrik çözümleme modeli sunulmu tur ve 5-eksen süreç modeliyle birliktekullan p süreç benzetimi yap lm r. Süreç mekani ine etkisi olan tak m aç lar nde ik ko ullar için en iyi de erleri ara lm r. Ayr ca, kesme stratejilerini çe itlikriterlere göre kar la p en uygun stratejiyi bir model geli tirilmi tir. Geli tirilenmodeller deneysel olarak do rulanm ve karma k yüzeyler üzerindeki uygulamalargösterilmi tir.

5-axis milling processes are widely used in industries where complex surfacesare machined, and cutter accessibility is limited due to geometrical constraints on theworkpiece. Additional motion capability increases the accessibility of the cutting tool,so it becomes possible to machine complex surfaces despite the geometrical constraints.In most of these industries dimensional tolerance integrity, surface quality, andproductivity are of great importance. Therefore, identification of optimal or near-optimal process conditions, and selection of appropriate machining strategy for a givenworkpiece are required. Increased motion capability in 5-axis complicates the geometryand the mechanics of the process. Thus, optimization of 5-axis milling processesbecomes a complex engineering problem. In order to solve such a problem, processmodels should be used together with geometrical analysis methods. In selection ofappropriate machining strategy, surface characteristics should be known together withthe process mechanics. In this thesis, a complete geometrical model is presented for 5-axis milling processes using ball-end mills. The developed model is integrated with anexisting 5-axis process model in order to simulate the cutting forces throughout a giventoolpath. Also, the effect of lead and tilt angle pair on process mechanics is investigated,and optimized values of those under various conditions are identified. In addition, amodel suggesting the most appropriate strategy among various machining strategies forroughing and finishing operations for regular free form surfaces is presented. Thedeveloped models are verified through experiments and their applications aredemonstrated on complex surfaces.