Serbest formlu yüzeylere sahip parçaların CNC frezeleme ile imalatında tolerans ve yüzey pürüzlülük değerlerinin iyileştirilmesi için kesme parametreleri ve stratejilerinin optimizasyonu
The optimization of machining conditions and strategies for the enhancement of form tolerance and surface roughness values in three-axis sculptured surface machining
Yazar: EYUP BAĞCI
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KURT
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: CAD/CAM = CAD/CAM ; CNC frezeleme = CNC milling ; Makine mühendisliği = Mechanical engineering

Özet:
Uçak (özellikle türbin kanatçıkları), otomotiv endüstrisi, biyomedikal cihazlar, hassas makina imalatı ve kalıp endüstrilerinde sıklıkla kullanılan imalat metotlarından biri de serbest formlu yüzey işlemedir.Yüksek imalat maliyetleri, istenilen dar tolerans değerleri ve sürekli artan yeni ürün talepleri, NC kod oluşturma ve proses planlamasını çok kompleks ve hataya meyilli bir sürece dönüştürmektedir. Çok karmaşık geometriye sahip parçaların imalatında hem istenilen yüzey kalitelerini sağlamak hemde yüksek imalat verimliliği elde etmek için uygun kesme şartlarının belirlenmesi çok önemli ve o oranda da zor bir işlemdir. Özellikle kesme kuvvetlerinin, kesici takım sehimlerinin, yüzey işleme hatalarının ve aşınma değerlerinin arttığı yüksek ilerleme hızlarında yapılan kesme işleminde uygun ilerleme hızının doğru şekilde belirlenmesi gereklidir.Bu çalışmada serbest formlu yüzeylerin işlenmesinde verimliliğin yükseltilmesi için kesme parametrelerinin tahmini ve ilerleme hızının optimizasyonu için yeni ve hassas bir yaklaşım önerilmiştir. Bu tez çalışması özetle, yeni ve realistik geometrik simülasyon modülünü, hassas kesici-iş parçası girişim hesaplama algoritmasını ve serbest formlu yüzeylerin imalatında kullanılan takım yolunun optimizasyonu için önerilen 3 farklı ilerleme hızı düzenleme yaklaşımını içermektedir. Bazı ticari CAM yazılımları çok kısa hesaplama zamanına sahip ilerleme optimizasyon modüllerini içermektedirler. Bu sistemlerin en önemli yetersizliği, optimizasyon için gerekli olan geometrik bilginin elde edilmesinde doğru ve hassas metodu kullanmamalarıdır. Bu tez çalışmasında ilk olarak bu sorunu çözmek amacıyla realistik ve hassas yeni bir yaklaşım sunulmuştur. Sistem, kesici kenarın temsili için B-spline eğrilerini kullanırken, kaldırılan malzeme ve iş parçasının temsili için katı model yaklaşımını kullanmaktadır. İkinci olarak, serbest formlu yüzeylerin hassas işlenmesinde büyük etkiye sahip kesme parametrelerinden biri olan ilerleme hızının optimizasyonu ve iyileştirilmesi sanal imalat ortamında irdelenmiştir. Bu amaçla, B-rep katı modelleme tekniği temeline dayanan serbest formlu yüzey işleme simülasyon ve ilerleme hızı optimizasyon sistemi 3 eksen küresel takımla frezemele için geliştirilmiş ve ticari CAD/CAM yazılımına entegre edilmiştir. Sistem geometrik simülasyon ve realistik ilerleme hızı optimizasyon modüllerinden oluşmaktadır. Geometrik simülasyon modülünde, takım süpürme hacmi her bir NC blok için hesaplanmakta ve parça ile kesişiminden hareketle kaldırılan malzeme hacmi elde edilmektedir. Kesici kenarlar ile hacim kesişiminden de kesici-iş parçası girişim geometrisi elde edilmektedir. Bu sistem kullanılarak anlık ve ortalama KMO değerleri, efektif kesici çap değerleri, talaş kalınlığı, talaş hacmi, yüzey form hataları ile kesici-iş parçası temas alanı hassas olarak hesaplanabilmektedir.İlerleme optimizasyon modülünde anlık KMO değeri hesaplanmakta ve CL dosyası belirlenen referans KMO ya da referans kuvvet değerine göre optimize edilmektedir. KİO yaklaşımında anlık KMO değerini kesici takım yolu boyunca sabit tutmak için CL dosyası içerisine birden fazla ilerleme hız değerleri atanmaktadır. Geliştirilen sistemin doğrulanması serbest formlu yüzeylerin işlenmesinde farklı kesme şartları ve işleme stratejileri için simülasyon ve deneysel çalışmalar yapılarak başarıyla uygulanmıştır. Geliştirlen ilerleme hızı optimizasyon stratejisi serbest formlu yüzeylerin imalatında kesici sehimi, kesme kuvvetleri ve yüzey form hatalarını bariz şekilde azaltmıştır.Ek olarak tez çalışmasında, mevcut ilerleme hızı optimizasyon algoritmaları, KMO hesaplama yaklaşımları, kesme kuvveti hesaplama algoritmaları, algoritmalarının detayları, işleme zamanı ve yüzey doğruluğu üzerindeki etkileri, mevcut CAM yazılımlarının yetenekleri, ilerleme optimizasyonunun uygulanmasında karşılaşılan zorluklar ve aşma yöntemleriyle konu hakkında yapılan son çalışmalarada geniş şekilde yer verilmiştir.

Abstract:
Free-form, or sculptured surface milling is one of the continually used manufacturing processes for die/mold, aerospace(especially turbine blades), precision machine design, bio-medical devices and automotive industries. High production costs, narrow tolerance requirements, and the continuous demand for new components make process planning and NC code generation very complex and error-prone tasks. It is very important and difficult to choice suitable cutting conditions to obtain high productivity while maintaining surface quality due to the most complicated wokpiece geometry. Particularly, the selection of the feed-rate value must be performed carefully because high feedrate increase machining forces, tool deflections, surface form errors and wears.In this work, to improve the productivity of the free-form milling operations, a procedure to predict and optimize the cutting process is proposed. The contributions of the thesis include a new and realistic geometric simulation modules, precise cutter-workpiece engagement calculation algorithm and three methods of optimizing feed rates for free form surface machining tool paths. Some commercial CAM softwares come with feedrate optimization algorithms which have a very short calculation time. A major impediment to implementing the systems is the lack of a general and accurate method for extracting the required geometric information. Firstly, in this thesis, a realistic and precise approach to perform this task is presented. It uses general and accurate representations of the part shape, removed material and cutting edge. Solid models are used to represent the part and removed volume, B-spline curves are used for the cutting edge representation. Secondly, the improvement and optimization of machining feedrate value, which is one of the cutting parameters which has a tremendous effect on the precise machining of free-form surfaces, was discussed by using the virtual machining environment framework. For this purpose, the B-rep solid modeling technique-based free form milling simulation and feedrate optimization system integrated with commercial CAD/CAM software is developed for 3-axis ball end milling. It consist of geometric simulator and realistic feedrate optimization modules. In the geometric simulation, the tool swept volume is generated for every completed tool path (one NC block) and intersected with the part, yielding the corresponding removed material volume. The tool cutting edges are then intersected with that volume to produce the tool-part immersion geometry in the form of in-cut segments. The sytem predicts the intentaneous MRR, average MRR, chip thickness, chip volume, effective cutter diameter, surface form errors and realistic cutter-workpiece engagement area.The feedrate optimization modules uses the intentaneous MRR to compute and regulate feedrate values. Through feedrate scheduling, CL file is optimized to regulate MRR at given reference MRR or reference cutting force values. In MFO technique, the instantaneous MRR are aimed to be kept constant by varying the feedrate along the tool path. Simulations and experimental validations are performed for complex sculptured surfaces using different cutting conditions and milling strategies. It is shown that with the new feedrate optimzation strategy; the surface form errors, cutting forces and tool deflection values of sculptured surface machining are decreased significantly.Additionally, the thesis includes the information regarding the following topics: The algorithms developed for the feedrate value adjustment, MRR calculation approaches, cutting force calculation methods, details of algorithms, the effects on the surface accuracy, the effects on the machining time, the capabilities of the present commercial software packages, the encountered difficulties and overcoming those difficulties and recent developments.