Optimization of broaching tool design

Abstract

ÖZET Broşlama iç ve dış birçok karmaşık profilin üretiminde sıkça kullanılan bir talaşlı imalat yöntemidir. Uygun şartlarda kesim yapıldığında yüksek verimlilikte kaliteli yüzeylerin eldesi mümkündür. Broşlamamn en büyük dezavantajı, üretim sırasında kesme hızı dışında hiçbir parametrenin değiştirilememesidir. Bunun sebebi kesme hızı dışındaki tüm parametrelerin broş tığının dizaynı ile belirlenmesidir ve bu da tığın dizaynını broşlamamn en önemli safhası haline getirir. Bu tezde tığ dizaynının optimizasyonu için geliştirilmiş bir prosedür açıklanmıştır. İlk olarak, broşlama işleminin mekanik özellikleri ve bir broş tığının genel yapısı anlatılmıştır.. Dizayn için önemli parametreler ve bunların broşlama işlemi üzerindeki etkileri gösterilmiştir. Broş tığlarının çoğu farklı geometride birkaç kısımdan oluşurlar. Dizayn işleminin en kritik noktalarından biri her bir kısımda kesilecek malzeme hacmini belirleyecek olan bölüm geometrilerinin saptanmasıdır. Bölüm geometrilerinin optimizasyonu amacıyla birçok farklı seçenek denenmiş ve bunların etkileri simülasyonlar ile gösterilmiştir. Optimizasyon probleminin hedefi ve makine, tığ ve kesilecek parçadan kaynaklanan sınırlamalar ortaya konmuştur. Buluşsal bir optimizasyon algoritması geliştirilmiş ve örneklerle açıklanmıştır. Bu algoritma yardımıyla tığ boyunun ve dolayısıyla üretim zamanının kısaldığı ortaya konmuştur. Ayrıca geliştirilen simulasyon programı da gösterilmiş ve açıklanmıştır. VI

ABSTRACT Broaching is a commonly used machining operation in manufacturing of variety of internal or external complex features. High quality surfaces can be generated with high productivity if proper conditions are used. The main disadvantage of broaching is that it is not possible to change any of the cutting parameters but the cutting speed during production. That is because all machining parameters, except cutting speed, are built into broaching tools which makes tool design the most important aspect of broaching. In this thesis, a procedure for the optimization of broaching tools is presented. First, the mechanics of the broaching process and general properties of the broach tools are explained. Important design parameters and the effects of them on the broaching process are demonstrated. Most broaching tools have several tool segments with different profiles. One of the critical factors in the design of these tools is the assignment of segment profiles which determine the relative amounts of material removal rate in each section. Several alternatives are tried for optimization of section geometries and their effects are demonstrated by simulations. The objective function of the optimization problem and the constraints due to machine, tool and part limitations are presented. A heuristic optimization algorithm is developed, and demonstrated by examples. It is also shown that by using the algorithm developed the production time can be reduced due to shortened tool length. The simulation program developed is also explained and demonstrated.