Tornalama işleminde takım yolu boyunca kuvvet ve iş parçası sıcaklığının modellenmesi
Cutting force and workpiece temperature modeling along a tool path in turning operations
Yazar: İBRAHİM CİHAN SEVER
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kesme kuvveti = Cutting force ; Modelleme = Modelling ; Takım yolu = Tool path ; Talaşlı üretim = Machining ; Tornalama = Turning

Özet:
Tornalama, en sık kullanılan talaşlı imalat yöntemlerinden biridir. Özellikle, dönelsimetriye sahip parçaların talaşlı imalatında tornalama kullanılması kaçınılmazdır.Havacılık, otomotiv ve tezgâh imalatı gibi birçok sektörde dönel simetriye sahipparçaların çok sıklıkla kullanıldığı göz önüne alındığında tornalama işlemininendüstrideki yerini ve önemini daha iyi anlamak mümkündür.Tornalamanın günümüz endüstrisinde çok yoğun bir şekilde kullanıldığı elealındığında bu operasyonu iyileştirmeye yönelik çalışmaların başarılı olduğu takdirdeendüstriye çok büyük bir katkısı olacaktır. Günümüzde tornalama operasyonlarısıklıkla deneme-yanılma yöntemleri kullanılarak geliştirilmektedir. Açıklamakgerekirse bir tornalama operasyonunda ilk denemede takımın iş parçasına fazlagirmesi, dolayısıyla kesme kuvvetlerinin fazla olması nedeniyle takım kırılabilir. Birbaşka durumda gene fazla kuvvetler nedeniyle iş parçası eğilebilir. Benzer şekildekesme sırasında oluşacak çok yüksek sıcaklıklar iş parçasında termal genişlemelereneden olabilir veya iş parçasının iç yapısını bozabilir. Bütün bu bilgilerin ışığında,tez kapsamında takım yolu boyunca kuvvet ve iş parçası sıcaklığının modellenmesiüzerine çalışılmıştır.Tez kapsamında ilk olarak yayın araştırması yapılmıştır. Yayın araştırması üç anabaşlık altında incelenmiştir. İlk başlıkta literatürde yer alan kesilen alanınhesaplanmasına dair yayınlar incelenmiştir. Literatürde bu konuda çalışmalarolmakla birlikte genelde bu çalışmalarda alan, takımın iki farklı konumu arasındakifark hesaplanarak bulunmuştur. Bu alanı bulmak için başka bir yöntem çokgenlerinkesişim algoritmalarından faydalanmaktır. Çokgenlerin kesişimine dair literatürde birçok algoritma var olmakla birlikte bunların iş parçası ? takım kesişimindekullanıldığı az sayıda yayın vardır. Literatür araştırmasının ikinci kısmında kesmekuvveti tahmini için malzeme modelleme ve kuvvet tahmini ile ilgili yayınlarincelenmiştir. Yayınlarda, iş parçası ? kesici takım çifti için malzeme modeligeliştirilmesine yönelik farklı yöntemler olduğu tespit edilmiştir. Bu yöntemlersırasıyla; dik kesme deneyleri kullanarak, bulanık mantık, veritabanı ve yapay sinirağları ile malzeme modellemedir. Kuvvet tahmini ile ilgili incelenen yayınlarda,kesit talaş alanının birim elemanlara bölündüğü ve bu birim elemanlara etkiyenkuvvetler hesaplandıktan sonra oluşan toplam kuvvetin birim elemanlar vasıtasıylahesaplandığı yöntemler göze çarpmıştır. Literatür araştırmasının son kısmında isesıcaklık tahmini ile ilgili literatür incelenmiştir. Kesme sırasında sıcaklık tahmini ileilgili yayınlarda temel olarak iki farklı yöntem göze çarpmaktadır. Bunlardan ilkisonlu elemanlar yöntemi, ikincisi ise fiziksel ilkelerin kullanıldığı analitik yöntemdir.Yayın araştırmasının ardından tezde takım yolu boyunca kesişim algoritmasıgeliştirilmiştir. Daha önce de belirtildiği gibi literatürde tornalama ile ilgili kesişimalgoritmalarında genellikle takımın iki konumu arasındaki fark analitik olarak hesaplanarak kesme anında oluşan talaşa alanı bulunmuştur. Bu yöntemi, takım yoluboyunca uygulama imkanı yoktur çünkü takım yolu boyunca olan hesaplarda kesmealanı takımın iki konumu arasındaki fark değil takım ile iş parçasının kesişimalanıdır.Geliştirilen algoritmada hem kesici takımın hem de iş parçasının çevresi noktalarkullanılarak oluşturulmuştur. Noktalar ile oluşturulan iş parçası ve kesici takımınkesişim hesaplarının yapılmasında çokgen kesişim algoritmaları kullanılmıştır.Çokgen kesişim algoritması, sonuç olarak iş parçası ile kesici takımın kesiştiği alanınçevresini bir nokta bulutu olarak vermektedir. Bu nokta bulutunda, kesici takıma aitolan noktalar kesme durumunda olan kenarı vermektedir. Kesme kenarındakinoktaları kullanarak ilk olarak kesme kenarı vektörlerini, daha sonra da dönüşümmatrisleri yardımıyla kesme kenarına dik vektörleri hesaplamak mümkündür. Kesmekenarına dik vektörler algoritmada birim talaş alanlarının hesaplanmasındakullanılmıştır. Birim talaş alanları, hesaplandıktan sonra bu alanların toplanmasıylakesme anında kesilen toplam alanı bulmak mümkündür. Tezin bu kapsamındageliştirilmiş olan kesişim algoritmasının verdiği sonuçlar örnek bir takım yoluboyunca sınanmış ve verdiği sonuçların doğruluğu test edilmiştir. Elde edilensonuçlar kesişim algoritmasının takım yolu boyunca sorunsuz bir şekilde çalıştığınıgöstermektedir.Tezin kuvvet algoritması geliştirme kısmında öncelikli olarak dik kesme deneyleriyaparak iş parçası ? kesici takım malzeme çifti için malzeme modelinin nasılgeliştirilebileceği anlatılmıştır. Bir sonraki aşamada var olan bir malzeme modelikullanılarak kuvvetlerin takım yolu boyunca nasıl tahmin edilebileceği açıklanmıştır.Daha sonra literatürde var olan örnek malzeme modelleri algoritmada denenmiş veelde edilen sonuçlar tezde paylaşılmıştır.Takım yolu boyunca iş parçası sıcaklığının tahmin edilmesi kısmında öncelikliolarak iş parçası sıcaklığının nasıl tahmin edilebileceği detaylı bir şekildeanlatılmıştır. Daha sonra iş parçası sıcaklığını takım yolu boyunca tahmin etmek içinliteratürde var olan bir yöntem takım yolunda kullanılmak üzere genişletilmiştir.Geliştirilen sıcaklık algoritması sınanmış ve birincil kesme bölgesinde oluşan ısımiktarı, iş parçasına geçen ısı oranı ve iş parçasındaki sıcaklık artışı değerlerininhepsinin literatürde yer alan çalışmalarla paralellik gösterdiği tespit edilmiştir.Tezin sonraki aşamasında geliştirilen algoritmalar kullanılarak bir tornalama yazılımıgeliştirilmiştir. Geliştirilen tornalama yazılımı, arayüz vasıtasıyla kullancıdan takım,iş parçası ve takım yolu gibi bilgileri alarak takım yolu boyunca kuvvet ve sıcaklıkartışı tahmini yapabilmektedir. Geliştirilen yazılım hesaplamaları yaptıktan sonrakullanıcıya sonuçları arayüzünde vermektedir.Tezin deneysel kısmında takım yolu boyunca camsı metal bir iş parçası kesilmiş vedeney sırasında üç yönde kuvvet toplanmıştır. Deneyden elde edilen kuvvet sonuçlarıgeliştirilen yazılımın hesapladığı kuvvetler ile kıyaslanmıştır. Karşılaştırmasonrasında geliştirilen yazılımın deney ile yakın sonuçlar verdiği tespit edilmiştir.Tezin son kısmında, tezin kısa bir özeti yapılmış, tezden yapılan çıkarımlaraçıklanmış ve ileride yapılacak çalışmalar için önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
Turning is one of the mostly used machining techniques in the industry. Especially,when machining workpieces with a rotational symmetry, turning is used veryfrequently. In aerospace, automotive and machine tools industries, workpieces with arotational symmetry are used very often and when this frequent usage is taken intoconsideration, the importance of turning can be understood better.Since turning is used very common in the industry, it is very important to improvethis process. If a major improvement can be achieved for the turning process, it willbe very beneficial for the industry. Nowadays, trial-error methods are used frequentlyto develop a turning process. For example, when turning a new part, the tool can bebroken in the first trial due to the high depth of cut values which can result inexcessive cutting forces. In another situation workpiece can be bent to the excessiveforces, acting on the workpiece. Similarly, high cutting temperatures in machiningcan create severe problems such as thermal expansions or inner structure changes forthe workpiece. Taking all of these facts into consideration, the topic of the thesis isdecided as cutting force and workpiece temperature prediction along the tool path inturning.Before beginning to the thesis a literature review was made. This review is groupedunder three main topics. At first topic, literature about the cut area and engagementcalculations is reviewed. Although there are some work about this topic in theliterature, most sources calculate the cut area by calculating the area between twodifferent positions of the tool. Another method to find this area is using the polygonclipping algorithms. Lots of researchers dealt with the polygon clipping algorithms ingeneral, however only a few researchers used polygon clipping algorithms tocalculate the engagement between the cutting tool and the workpiece. In the secondpart of the literature review, articles about the material modeling and cutting forcepredictions are reviewed. For the cutting tool ? workpiece material pair modelingdifferent methods were identified during the literature review. These methods aredepending on orthogonal cutting experiments, fuzzy logic, database and artificialneural networks. Most of the researchers divide the cut area into smaller elementalareas to find the cutting forces. After the cut area is divided into elemental pieces,forces acting on each elemental area are calculated separately and at the end they areadded together to find the total cutting forces. When summing up forces at eachelemental cutting area, the directions of the forces are also considered. At the lastpart of the literature review, articles about the cutting temperature predictions arereviewed. There are mainly two different methods to predict the cutting temperaturesduring machining. The first method to predict cutting temperatures is using the finiteelement analysis and second method is using analytical approaches, based on cuttingmechanics and physics.After the literature review, the engagement calculations along the tool path in turningwere developed. As mentioned before, most of the researchers find the cut area inturning by calculating the area between two different positions of the cutting toolanalytically. Although this solution gives quick and exact results, it cannot be usedalong the tool path since the cut area in tool path calculations is the engagement areabetween the cutting tool - workpiece and not the area between two different toolpositions.In the thesis, borders of the cutting tool and workpiece are identified by using points.Since the borders of the workpiece and cutting tool are defined by using points,polygon clipping algorithms can be used in the algorithm to make the engagementcalculations and find the intersection area. After polygon clipping algorithms areapplied to make the engagement calculations, the borders of the intersection area arefound as a point cloud. The points, belonging to both of the cutting tool andintersection point cloud define the cutting edge. By using point data in the cuttingedge, cutting edge vectors can be calculated. By using these vectors andtransformation matrices orthogonal vectors to the cutting edge can be found. Theseorthogonal vectors are very useful to find the elemental chip thicknesses andelemental cutting areas. After all the elemental cutting areas are calculated totalcutting area can be found by simply adding all the elemental areas. At the end of thischapter, the engagement calculation algorithm is tested along an arbitrary tool pathand the calculated areas are verified successfully.At the beginning of the chapter about the force prediction algorithm development,the steps to create a material model for a workpiece - cutting tool pair by usingorthogonal cutting experiments are explained in detail. At the next step, prediction ofcutting forces along a tool path by using an orthogonal material model are explained.At the last part of this chapter, sample material models are used in the developedalgorithm to verify the capability of the algorithm.At the chapter about the cutting temperature predictions, the methods to predict theworkpiece temperature during machining are described. Later cutting temperatureprediction method is extended to cover the temperature prediction along an arbitrarytool path. At the end of this chapter the developed cutting temperature predictionalgorithm is tested. For this reason, the heat generated in the first deformation zone,the heat ratio passing to the workpiece and the temperature rise in the workpiece arecompared with the results in literature.At the next chapter in the thesis a turning software is developed using the previouslydefined algorithms. With the help of its GUI the software can take tool, workpieceand tool path inputs from the user. The software can calculate forces in threedirections and workpiece temperature rises along the tool path. At the end of thecalculations the developed turning software presents results to the user with its GUI.In the experimental part of the thesis, a bulk metallic glass workpiece is cut on aturning lathe along a tool path and forces in three directions are collected.Experimental results are compared with the software predictions and a greatagreement between the experimental results and software predictions are found out.At the very last of the thesis, a short summary is given, results obtained from thethesis are identified and some suggestions are made for the future studies.