Takım ve iş parçası dinamik esnekliğine göre talaşlı işleme kararlılığı
Machining stability considering tool and workpiece dynamic flexibility
Yazar: KADİR KIRAN
Danışman: PROF. DR. MEHMET CENGİZ KAYACAN ; PROF. DR. MUSTAFA REŞİT USAL
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: CNC frezeleme = CNC milling

Özet:
Frezeleme işlemi imalat sanayisinde yaygın olarak kullanılan temel talaşlı imalat yöntemlerinden biridir. Tezgâh/İş mili-takım tutucu-takım sistemi ve iş parçası dinamiği frezeleme sürecinin verimini etkileyen faktörler arasında yer almaktadır. Bu iki sistemin dinamiğine ve kesme parametrelerine bağlı olarak ortaya çıkan zorlanmış ve tırlama titreşimleri sürecin kalitesi üzerinde kayda değer bir etkiye sahiptir. Hatta bazı durumlarda bu titreşimler kısıtlayıcı bir faktör olabilmektedir. Havacılık, savunma, uzay, medikal vb. gibi alanlarda yaygın bir şekilde talep edilen esnek iş parçalarının, frezeleme operasyonlarında iş parçası dinamiği baskın bir rol üstlenerek meydana gelen titreşimlerin seviyesini, dolayısıyla da kesme işleminin kalitesini belirlemektedir. Tırlama ve zorlanmış titreşimlerin olumsuz etkilerinden süreç modelleri vasıtasıyla kaçınılabilmektedir. Bu kapsamda, sunulan tez çalışmasında Tezgâh/İş mili-takım tutucu-takım sistemi ve iş parçası dinamiği göz önünde bulundurulup, matematiksel ve deneysel olarak frezeleme sürecinin analizi gerçekleştirilmiştir. Kesme kuvvetlerinin modellenmesi ve ölçülen kesme kuvveti sinyallerinin düzeltilmesi, iş parçası dinamiğinin modellenmesi, iş parçası dinamiğine göre kararlılık analizi ve iş parçası boyut hatasının tahmini olmak üzere toplam dört ana başlık altında frezeleme süreci irdelenmiştir.

Frezelemede kesme kuvvetleri, Tezgâh/İş mili-takım tutucu-takım sistemi ve iş parçası dinamik karakteristiği dikkate alınarak mekanistik kesme kuvveti modeli ve zaman ortamı simülasyonu vasıtasıyla tahmin edilmiştir. Mekanistik kesme kuvveti modelinin ana parametrelerinden olan kesme kuvveti sabitlerinin tespiti ise en çok olabilirlik yaklaşımı temelli bir optimizasyon algoritması ile sağlanmıştır. Bu optimizasyon algoritması vasıtasıyla kesme kuvveti sabitlerinin iş mili devir sayısına ve ilerlemeye bağlı olarak değişkenlik sergilediği tespit edilmiştir. Öte yandan, deneysel çalışmalar ile ölçülen kesme kuvveti sinyallerinde yer alan, esas olarak iş parçası kuvvet iletebilirliğinden kaynaklanan dinamik bozulmalar tersine tabanlı bir filtreleme yöntemi ile giderilmiştir. Tek ve iki serbestlik dereceli deney düzeneklerinde farklı kesme parametrelerinde gerçekleştirilen deneyler ile, kesme kuvvetleri tahminlerinin doğruluğu ve kesme kuvveti sinyallerine uygulanan filtreleme yönteminin performansı test edilmiştir. İş parçasının esnek olması  durumunda ölçülen kesme kuvveti sinyallerindeki dinamik bozulmalar ciddi boyutlara ulaşarak ölçüm kalitesinin önemli oranda azaldığı gözlemlenmiştir. Ayrıca tersine tabanlı filtreleme yöntemi vasıtasıyla dinamik bozulmalardan arındırılan kesme kuvvetleri ile zaman ortamı simülasyonu kullanılarak hesaplanan kesme kuvvetlerinin uyum içerisinde olduğu görülmüştür.

İş parçası dinamiği ise reseptans bağlama, sonlu elemanlar analizi ve tersine reseptans bağlama yöntemleri ile modellenmiştir. Frezeleme işlemi neticesinde kaldırılan talaş miktarı göz önünde bulundurularak adım adım iş parçası frekans tepki fonksiyonunun tahmini gerçekleştirilmiştir. Ayrıca her işleme adımı için hesaplanan frekans tepki fonksiyonları kullanılarak iş parçası modal parametreleri tespit edilmiştir. Tüm modelleme sonuçları deneysel çalışmalar ile elde edilen verilerle karşılaştırılarak, modellerin tahmin etme kabiliyetleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Modelleme ve deneysel çalışmalar neticesinde, talaş kaldırma işlemi ile iş parçası dinamiğinin önemli oranda değişkenlik sergilediği tespit edilmiştir.

Frezeleme sürecinde talaş kaldırma ile iş parçası dinamiği değişimi dikkate alınarak kararlılık analizleri gerçekleştirilmiştir. Her talaş kaldırma işleminden sonra ölçülen iş parçası frekans tepki fonksiyonları kullanılarak kararlılık diyagramları oluşturulmuş ve tek serbestlik dereceli deney düzeneği üzerinde yapılan deneysel çalışmalar ile kararlılık limitleri test edilmiştir. Talaş kaldırma sonucunda iş parçası dinamiği değişiminin kararlılık sınırlarını etkilediği gözlemlenmiştir.

Tezgâh/İş mili-takım tutucu-takım sistemi ve iş parçası dinamik davranışı dikkate alınarak iş parçası boyut hatası tahmini için bir analitik model sunulmuştur. Hem x hem de y-yönü takım ve iş parçası zorlanmış titreşimlerinin göz önünde bulundurulduğu modele sikloidal takım yolu dahil edilerek iş parçası işlenmiş yüzey geometrisi hesaplanmıştır. Elde edilen bu geometri kullanılarak iş parçası boyut hatası tahmini gerçekleştirilmiştir. Ayrıca zaman ortamı simülasyonu vasıtasıyla da belirlenen iş mili devir sayısı aralığında iş parçası boyut hatası tahmin edilerek analitik çözüm ile kıyaslanmıştır. Bütün bunlara ek olarak, iş parçası boyut hatası tahminlerini deneysel çalışmalar ile doğrulamak amacıyla iki serbestlik dereceli deney düzeneği tasarımı ve imalatı yapılmıştır. Modelleme ve deneysel sonuçlar birbiriyle benzerlik sergilemiştir, ve iş parçası boyut hatasının iş mili devir sayısına göre kayda değer değişimi gösterilmiştir.

Abstract:
Milling is one of the fundamental metal cutting methods, which is widely used in the manufacturing industry. The Machine/Spindle-tool holder-tool system and workpiece dynamics are among the factors affecting productivity of milling process. The forced and chatter vibrations depending upon these system dynamics and cutting parameters have significant influence on the process quality. In some cases, those vibrations may be a limiting factor. The workpiece dynamics plays a dominant role and determines vibration levels in the milling of flexible workpieces that are demanded in aviation, defense, space, medical, etc. areas, which in turn defines cutting quality. The negative effect of chatter and forced vibrations can be avoided via process models. Within this scope, the milling process analysis was mathematically and experimentally conducted considering the Machine/Spindle-tool holder-tool system and workpiece dynamics in the present thesis. The milling process was investigated under four main chapters, namely: Cutting force modeling and correction of measured cutting force signals, workpiece dynamics modeling, stability analysis considering workpiece dynamics and surface location error prediction.

The cutting forces in milling were predicted using mechanistic cutting force model and time domain simulation that takes into consideration the Machine/Spindle-tool holder-tool system and workpiece dynamic characteristic. The cutting force coefficients, which are the main parameters in the mechanistic cutting force model, were identified by an optimization algorithm based on maximum likelihood approach. It was determined that cutting force coefficients varied depending on spindle speed and feed per tooth with this optimization algorithm. On the other hand, dynamic distortions in the experimentally measured cutting forces, which are mainly resulted from workpiece force transmissibility, were removed via inverse-based filtering method. Cutting force predictions and performance of filtering technique applied on cutting force signals were verified with the experimental work carried out in different cutting parameters on single and two degree of freedom experimental stages. It was observed that dynamic distortions in the measured cutting force signals reached serious rates and measurement quality was significantly reduced when workpiece is flexible. It was also seen that cutting forces eliminated from dynamic distortions by means of inverse-based filtering method and computed ones with time domain simulation were in good agreement. 

The workpiece dynamics was modeled using receptance coupling, finite element analysis and inverse receptance coupling. The workpiece frequency response function was gradually predicted considering removed material in the milling operation. The workpiece modal parameters were also identified using computed frequency response functions for each milling step. The prediction capability of models were examined in detail by comparison between experimental and modeling results. As a result of modeling and experimental studies, it has been determined that workpiece dynamics exhibits remarkable change with material removal.

The stability analysis was performed considering workpiece dynamics change due to material removal in the milling. The stability lobe diagrams were created using workpiece frequency response functions that were measured after each material removal step and stability boundaries were tested with the milling experiments conducted on single degree of freedom experimental stage. It has been observed that change in the workpiece dynamics due to material removal influences stability limits.

An analytical model was presented to predict surface location error by considering the Machine/Spindle-tool holder-tool system and workpiece dynamic behaviors. The workpiece machined surface geometry was computed including both the Machine/Spindle-tool holder-tool system and workpiece forced vibrations in x and y-directions to the cycloidal tool path. The surface location error prediction was performed using this obtained geometry. The surface location error was also numerically predicted via time domain simulations in the defined spindle speed range, and results were compared with analytical ones. In addition, two degree of freedom experimental stage was designed and constructed in order to experimentally verify the surface location error predictions. The modeling and experimental results were in good agreement with each other, and strong dependence of surface location error on the spindle speed was illustrated.