Modeling statics and dynamics of milling machine components

Abstract

ÖZET Günümüzde CAD/CAM sistemlerinin ve CNC takım tezgahlarının kullanımının artması ile işleme hassasiyetinde ve verimlilikte önemli gelişmeler elde edilmiştir. Ancak talaş kaldırma oram ve kalite gibi işleme mekaniğine bağımlı konular hala CAD/CAM sistemlerinde göz ardı edilmektedir. Bu çalışmada frezeleme sisteminin yapısal özellikleri modellenmiştir. Bu modellerin elastiklik katsayısı ve transfer fonksiyonu ölçümüne gerek kalmadan, kesme kuvveti modelleri ve kararlılık modelleri ile birlikte CAD/CAM sistemlerine katılarak yüzey hatalarının tahmini ve giderilmesi, aynı zamanda tırlama oluşmadan kesme yapılabilmesini sağlar. Bu çalışmada takımlardan dolayı kaynaklanan geometrik hataları kesme yapmadan önce tahmin eden sanal üretim sistemi yapılması amaçlanmıştır. Kesme kuvvetleri takımda deformasyonlara neden olmakta ve bu deformasyonlardan dolayı ölçü ve şekil hataları meydana gelmektedir. Frezeleme kuvvetleri, kesici takım geometrisi, kesme koşullan ve iş parçası malzesine bağımlı olarak modellenmektedir. Bu modelleme sonucu elde edilen kuvvet talıminleri, işlenmiş yüzeydeki form hatalarının hesaplanmasında kullanılabilir. Tırlama, kesici takım ve iş parçası arasındaki dinamik etkileşimler nedeniyle oluşmaktadır. Tırlama düşük yüzey kalitesine ve istikrarsız ürün kalitesine sebep olur. Parmak frezenin statik ve dinamik özellikleri, form hataları ve tırlama kararlılık sınırlarını ölçmeden tahmin etmek için gereklidir. Bu araştırmada kesici takımın statik ve dinamik özelliklerini tahmin etmekte kullanılabilecek genel denklemler sunulmuştur. Takımın ve takım tutucunun statik ve dinamik karakterleri sonlu elemanlar analizi yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Takım ve takım tutucuların çok çeşitli düzenek ve geometrileri göz önüne alındığında, tamamı için ayrı ayrı sonlu elemanlar analizi yapmak çok zaman alıcı bir iştir. Bu çalışmada elde edilen modellerin statik ve dinamik karakterleri belirlemede doğru sonuçlar verdiği ispatlanmıştır.

ABSTRACT CAD/CAM systems and CNC machine tools have made significant impact on machining accuracy and productivity. However, material removal rate and quality in machining may still be limited due to issues related to the process mechanics which are not considered in CAD/CAM systems. In this study, modeling structural properties of milling system components is presented. These models eliminate the need for stiffness and transfer function measurements, and together with cutting force and stability models, they can be integrated into CAD/CAM systems to predict and compensate surface errors, and determine chatter free machining conditions. Therefore, the process is also simulated in addition to the geometry, which is usually the missing part in virtual manufacturing systems. The goal of this research is to develop a virtual machining system for precision machining of sculptured surfaces in which the part geometric errors contributed by the machine tool errors are predicted and evaluated prior to the real cutting. Cutting forces produce deformations of the tool and these cause dimensional and form errors on the workpiece. Milling forces can be modeled for given cutter geometry, cutting conditions and work material. The force prediction can be used to determine form errors on the finished surface. Chatter vibrations developed due to dynamic interactions between the cutting tool and workpiece. Chatter vibrations cause poor surface finish and inconsistent product quality. Static and dynamic properties of end mill are required to predict the form errors and chatter stability limits without measurement. In this research, generalized equations are presented which can be used for predicting static and dynamic properties of the cutting tool. The static and dynamic characteristics of tool and tool holder can be obtained by using finite element analysis (FEA). Considering great variety of machine tool and tool holder configurations and geometries, FEA for each configuration is very time consuming. In this study, the models are seemed to be accurate for prediction statics and dynamics characteristics of the tool.