Kesici takım dinamiğinin modellenmesi ve analizi
Modeling and analysis of cutting tool dynamic
Yazar: BAYRAM SERCAN BAYRAM
Danışman: PROF. DR. İHSAN KORKUT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmalat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ayrık diskriminant analizi = Discrete discriminant analysis ; CNC frezeleme = CNC milling ; Dinamik analiz = Dynamic analysis ; Dinamik benzetim = Dynamic simulation ; Mekanik titreşim = Mechanical vibration ; Sistem benzetimi = System simulation ; Sistem dinamiği = System dynamics

Özet:
Bu çalışmada, parmak frezeleme işlemi için mekanistik olarak hesaplanan kesme katsayılarına dayalı bir kuvvet tahmin modeli geliştirilmiştir. Kesme katsayılarının hesaplanması için, farklı ilerleme hızlarında, sabit kesme hızı ve eksenel derinlikte, kesici takım ve malzeme çifti için üç tekrarlı frezeleme deneyleri yapılmıştır. Deney koşullarının özdeşliğinin sağlanması için iş parçası numuneleri eş boyutlara işlenmiş ve yüzeyleri taşlanmıştır. İş parçası malzemesi AISI 4140 ıslah çeliğidir. Kesici takım AlCrN kaplamalı Tungsten Karbür (WC) alaşımından üretilmiş 38° helis açılı 9,5 mm çapında parmak frezedir. Frezeleme deneyleri 500 μm eksenel derinlikte 3350 dev/dk iş mili hızı ve 10 kHz örnekleme aralıklarında gerçekleştirilmiştir. Frezeleme deneyleri ile yapılan ölçümlerden elde edilen ve ayrık zamanda bulunan kesme kuvveti verilerine Fourier analizi yapılmıştır. Sistemin yapısında bulunan gürültüler optimize edilmiş ve sürekli zaman sinüzoidal kuvvet tahmin fonksiyonları için Fourier katsayıları tespit edilmiştir. Sinüzoidal kuvvet fonksiyonlarının performansı, determinasyon katsayısı aracılığıyla deneysel ölçüm sonuçlarına göre kıyaslanarak %95,5 oranında deneysel veriler ile benzerlik göstermiştir. Kesme katsayılarına ve talaş hacmine bağlı bir kuvvet tahmin modeli geliştirilmiş ve model ile yapılan tahminler, deneysel ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Üç farklı ilerleme hızlarında yapılan kuvvet tahminleri ile aynı şartlarda elde edilen deneysel ölçüm verilerinin Fx-Fy kuvvetleri için %83,6 - %89,7 oranında benzer olduğu tespit edilmiştir. Kesme kuvveti uyarıları altındaki parmak freze, ankastre kiriş şeklinde iki serbestlik dereceli olarak modellenmiştir. Modellenen sistemin hareket denklemleri, sonlu farklar denklemleri kullanılarak, Python programlama dili aracılığı ile sayısal olarak çözümlenmiş ve sistem cevapları zaman alanında verilmiştir. Çalışma kapsamında, verilen yöntemler ile kesme sırasında oluşan yüklerin tahmini ve bu yüklerin etkisi altındaki takımın dinamik analizlerinin gerçekleştirilmesi konusunda literatüre katkı sağlanmıştır. Ayrıca, sunulan sayısal yöntemler, anlık takım izlemesi ve kontrolü gibi çeşitli uygulamaların geliştirilmesine yardımcı olacaktır. Böylece yüzey pürüzlülüğü, boyutsal hatalar ve takım ömrünün iyileştirilmesi hususunda ekonomik ve endüstriyel kazanımlar sağlayacaktır.

Abstract:
In this study, a force estimation model was developed for end milling based on mechanistically calculated cutting coefficients. In order to calculate the cutting coefficients, three repetitive milling experiments were carried out for the cutting tool and material pair at different feed rates, constant cutting speed and axial depth. In order to ensure the equality of the test conditions, the workpiece samples were machined to equal dimensions and their surfaces were ground. The workpiece material is AISI 4140 tempered steel. The cutting tool is a diameter of 9.5 mm with 38° helix angle AlCrN coated end mill, produced from Tungsten Carbide (WC) alloy. Milling experiments were carried out at an axial depth of 500 μm, at a spindle speed of 3350 rpm and a sampling rate of 10 kHz. Fourier analysis was performed on the obtained cutting force data from the milling experiments in discrete time. The noise in the system structure was optimized and Fourier coefficients were determined for the continuous time sinusoidal force estimation functions. The performances of the sinusoidal force functions were compared with the experimental results according to the coefficient of determination, and the functions showed at the rate of 95.5% similarity with the experimental data. A force estimation model based on the cutting coefficients and chip volume was developed and the predictions made with the model were compared with the experimental results. It was determined that the force estimations made at three different feed rates and the experimental data obtained under the same conditions were between the rates of 83.6% - 89.7% similarity for the Fx-Fy forces. The end mill under shear force excitations is modeled as a fixed beam with two degrees of freedom. Motion equations of the modeled system are numerically solved by using the finite difference equations with the Python programming language, and the system answers have been given in the time domain. Within the scope of the study, a contribution is provided in the literature with given methods to estimate the occurred loads during cutting, and performing the dynamic analysis of the tool under the effect of these loads. In addition, the numerical methods shown in this study will provide an assistance for the development of several applications, such as instant tool monitoring and control. Thus, the economic and industrial improvements were provided in terms of surface roughness, dimensional errors and tool life improvement.