Frezeyle tornalama operasyonunun geometrik, kuvvet ve ısıl modellenmesi
Geometric, force and thermal modeling of turn-milling operations
Yazar: UMUT KARAGÜZEL
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL ; PROF. DR. ERHAN BUDAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Matematiksel modelleme = Mathematical modelling

Özet:
Gün geçtikçe artan işlenmiş parça kalitesi ve yüksek üretkenlik talepleri mühendisleri yeni üretim teknikleri arayışına itmiştir. Frezeyle tornalama bu yeni arayışların sonucu olarak ortaya çıkmış bir teknik olup, ortaya çıkan bu fikrin altında freze takımı ile geleneksel tornalama yapmak vardır. Bu sayede parça, döner simetrik olsun veya olmasın istenilen yüksek bir hızda işlenilebilir. Yöntem geleneksel tornalamaya göre çok önemli avantajlar sunmaktadır, bunlar; talaş kontrolü (geleneksel tornalamada özellikle sünek malzemelerin işlenmesinde sürekli talaş ortaya çıkarken; frezeyle tornalama kesintili bir işlem olduğundan talaş kırılır.), daha iyi yüzey kalitesi, yüksek talaş kaldırma hızları ve daha düşük kesme sıcaklıklarına bağlı olarak daha uzun takım ömürleri olarak sıralanabilir. Frezeyle tornalamanın uygulanması sırasında takım ve işparçasının birbirine göre konumları esas alınarak tanımlanmış  3 farklı konfigürasyon kullanılabilir, bunlar "dik", "teğetsel" ve "eşeksenli" frezeyle tornalama olarak adlandırılırlar. Bunlar arasında dik frezeyle tornalama literatürde de üzerine en çok araştırma yapılmış konfigürasyon olup, bu işlemde takım ekseni işparçası eksenine diktir. Frezeyle tornalamada işlem verimini arttırmak ve yüzey kalitesi değerlerini optimize etmek için alışık olmadığımız bazı işlem parametreleri de kullanılmaktadır. Bunlar arasında eksantirisite (takım ve işparçası ekseni arasındaki mesafe), işparçası devri başına ilerleme değeri gibi parametreler sayılabilir. Bu parametrelerle birlikte diğer kesme parametrelerinin de uygun seçilmesi ile frezeyle tornalamada iyi bir parça kalitesi sağlanırken aynı zamanda yüksek talaş kaldırma hızlarına da ulaşılabilir. Bunun hızlı ve pratik bir biçimde başarılabilmesi için süreci tanımlayan modellere ihtiyaç vardır. Çalışmada bu amaçla geometrik, kuvvet ve ısı modellerinin elde edilmesi hedeflenmiştir.
Frezeyle tornalama işlemi, takım ve işparçasının eşzamanlı hareketinden dolayı özel bir kinematiğe ve kesme geometrisine sahiptir. Bu nedenle tez çalışmasına öncelikle talaş geometrisi belirlenerek başlanmıştır. Takım ve işparçası hareketleri beraber düşünülerek ve çeşitli geometrik ifadeler kullanılarak "dik", "teğetsel" ve "eşeksenli" frezeyle tornalama işlemleri için kesilmemiş talaş geometrisi elde edilmiştir. Elde edilen geometri çalışmanın sonraki aşamaları olan kesme kuvveti ve kesme sıcaklığı hesabında başlangıç noktası olarak kullanılmıştır. 
Çalışmanın bir sonraki aşamasında frezeyle tornalama işleminde kesme kuvvetlerinin hesabı için yeni bir model geliştirilmiş ve bu modelde çeşitli kesme parametrelerinin kuvvet üzerine olan etkisi incelenmiştir. Talaşlı imalatta kesme kuvvetlerinin belirlenmesi önemli bir aşamadır; çünkü ortaya çıkan kuvvetler hem parça hem de takımda deformasyonlara yol açarak parça kalitesini etkiler, ayrıca tezgah seçiminde kullanılan tork (dönme momenti) ve güç hesabı da kesme kuvvetleri esas alınarak yapılır. Çalışmada frezeyle tornalama operasyonu için geliştirilen kesme kuvveti modeli yarı analitik bir modeldir. Modele yarı analitik denmesinin sebebi, modelin önceden yapılan deneysel verilerin kullanılması ile oluşturulmasıdır. Bu deneysel veriler aynı işparçası-takım çifti için gerçekleştirilen dik kesme (orthogonal) testleri ile sağlanır. Bu veriler daha sonra eğik (oblique) kesme mekaniği formülasyonuna aktarılarak kesme kuvveti modeli oluşturulur. Bu çalışmada elde edilen model çıktılarının doğrulanabilmesi için kesme deneyleri gerçekleştirilerek kesme kuvvetleri dinamometre yardımı ile ölçülmüş ve modelden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Her iki sonucun da birbiri ile uyum içinde olduğu görülerek model doğrulanmıştır. Bu sonuçlara göre kesme kuvvetleri; ae (işparçası devri başına ilerleme)ve ap (paso miktarı) değerlerinin artması ile artarken, hız oranının artışı ile (rn) azalmaktadır. Bir diğer önemli parametre olan e'nin (eksantirisite) artmasıyla kesme kuvvetlerinin azaldığı görülmüştür. 
Çalışmada bir sonraki adım, yuvarlaklık ve çıkıntı oluşum hatalarının modellenmesidir. Frezeyle tornalamada, geleneksel talaşlı imalat işlemlerini değerlendirirken kullanılan yüzey pürüzlülüğüne ek olarak yuvarlaklık hatası (circularity) ve çıkıntı oluşumu (cusp height) adı verilen iki farklı yüzey oluşumu daha vardır. Çalışma sırasında bu her iki yüzey durumu için de analitik ifadeler geliştirilmiş olup, çıkıntı oluşumu için deneylerle bu model doğrulanmıştır. Modele göre yuvarlaklık hatasında en öne çıkan parametre rn'dir. Bu parametrenin artmasıyla yuvarlaklık hatası azalmakta, elde edilen parça kesiti ideal daireye yaklaşmaktadır. Çıkıntı oluşumunda ise ae ve e'nin etkisi daha büyüktür. Ayrıca belirli bir e değeri için çıkıntı oluşumu olmadan uygulanabilecek bir sınır ae değeri mevcuttur. Bu da malzeme kaldırma hızını (MKH) optimize edebilmemizi sağlar. Bunlara ek olarak yüzey pürüzlülüğü de çalışmada deneysel olarak araştırılmıştır. Farklı kesme parametreleri ile kesme testleri gerçekleştirilmiş ve elde edilen yüzey pürüzlülükleri ölçülmüştür. Yüzey pürüzlülüğü açısından özellikle silici(wiper) takımın belirli bir e değerine kadar önemli bir avantaj sağladığı görülmüştür.
Isıl modelleme öncesi farklı soğutma şartları için takım aşınması testleri yapılmıştır. Frezeyle tornalama yukarıda da bahsedildiği gibi kesintili bir işlem olduğundan, bu durumun takım ömrü açısından önemli bir avantaj sağlaması beklenmektedir. Bunu belirlemek amacıyla işlenmesi zor malzemeler olarak adlandırılan nikel ve titanyum alaşımları için farklı soğutma koşulları altında deneysel bir çalışma yapılmıştır. Çalışma sırasında takım aşınması periyodik olarak ölçülmüştür. Çalışmanın sonucunda frezeyle tornalamanın geleneksel tornalamaya göre 2 ile 40 kat arasında daha avantajlı olduğu belirlenmiştir. Ayrıca çalışmada MQL ve sulu kesmenin de kuru kesmeye göre takım aşınması yönünden daha avantajlı olduğu ortaya çıkmıştır. 
Son modelleme çalışması kesici takım için ısıl modelin geliştirilmesidir. Bu adımda öncelikle dik kesme testleri sırasında kesme sıcaklıkları termal kamera yardımı ile ölçülmüştür. Bu testler sırasında titanyum, nikel alaşımları ve çelik gibi çok farklı işparçası malzemeleri çeşitli kesme parametrelerinde kesilmiş ve sıcaklıklar ölçülerek zengin bir veritabanı oluşturulmuştur. Sonrasında bu bilgilerin de kullanılacağı  modelleme çalışmalarına geçilmiştir. Kesme sıcaklıkları için Green fonksiyonları kullanılarak takım için 3 boyutlu ve zamana bağlı bir analitik model geliştirilmiştir. Bu model termal kamera kullanılarak doğrulanmaya çalışılmış; ancak hem takımın hem de parçanın dönmesi nedeniyle sağlıklı ölçüm alınamamıştır. Bu amaçla döner işlemlerde sıcaklık ölçmeye yarayacak yeni bir sistem geliştirilmiştir ve geliştirilen model bu sistemle doğrulanmıştır. Sonuçlar özellikle kesme hızının, kesme sıcaklığı üzerinde çok etkili olduğunu göstermiştir. 
Çalışmada son olarak elde edilen bilgi birikimi endüstriyel bir parça üzerinde uygulanmıştır. Yüzey sertleştirilmesi yapılmış bir kam mili frezeyle tornalanmış ve bu sırada kesme kuvvetleri ve takımdaki sıcaklıklar ölçülmüş sonrasında bu çıktılar geliştirilen modellerle tahmin edilmiştir. Çalışmada ortaya çıkan sıcaklıkların takımda ısıl deformasyonlara yol açtığı gözlemlenmiş ve bunu önlemek amacıyla soğuk hava kullanılmıştır. Sonuçta daha hassas bir frezeyle tornalama operasyonu gerçekleştirebilmek için bir işleme stratejisi ortaya çıkarılmıştır. 
Özet olarak bu doktora tez çalışmasında frezeyle tornalama operasyonu tanımlanmış ve süreç verimliliğini arttırmak amacıyla kesme parametrelerinin seçimi için talaş geometrisi, kesme kuvveti, yüzey kalitesi ve kesme sıcaklığı modelleri ortaya konmuştur. Bu modeller aynı zamanda gerçekleştirilen deneylerle de doğrulanmış ve geliştirilen modellerin güvenilirliliği sınanmıştır. Çalışmada elde edilen çıktıların özellikle Boeing, Prat & Whitney gibi işlenmesi zor malzemelerin talaşlı imalatı ile uğraşan firmalar için oldukça yararlı olacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Increasing demands for better quality and higher productivity in industry force process engineers to investigate alternative new manufacturing concepts. Turn-milling is a process of one of these new concepts in which turning of parts, whether rotationally symmetric or not, is performed by a milling tool.  Turn-milling offers many advantages compared to conventional turning such as excellent chip control, better surface quality, higher material removal rate and improved tool life due to the interrupted nature of the process. While performing turn-milling processes, orthogonal, axial or tangential configurations which are defined according to arrangement of tool-workpiece axes can be used. Among these, orthogonal turn-milling in which the tool axis is perpendicular to the workpiece axis is the most preferred and studied configuration. In turn-milling, the operator can define some unconventional cutting parameters to increase productivity. These unconventional cutting parameters can be summarized as eccentricity and feed per workpiece revolution. In order to optimize the process and improve the productivity in turn-milling one should select the cutting parameters in a correct and practical way. To achieve this task some useful models are needed which define the process and give the relationships between cutting parameters and process outputs. 
Turn-milling is a relatively new machining process and the cutting parameters are different than those in conventional milling or turning. That is why a clear definition of the process geometry is necessary for better understanding of the process. For example, there are two feed rates in turn-milling. The circumferential feed (fz) in turn-milling corresponds to the feed rate in conventional milling whereas axial feed (ae) defines the radial depth of cut. Uncut chip geometry and engagement limits are very important from cutting force, cutting temperature and stability points of view. Therefore, uncut chip geometry is introduced for orthogonal, tangential and co-axial turn-milling. The tool-workpiece contact area is defined and analytically calculated for instantaneous rotation angle of the cutting tool. The definitions developed for uncut chip geometry can be used for cutting force, temperature and stability analysis in turn-milling operations.
In order to select a machine tool based on torque value and to determine the mechanical deformations on cutting tool  and workpiece, cutting forces are needed to be known by such practical models or experiments. Turn-milling is an intermittent cutting process which in turn causes periodic forces during cutting. Based on chip geometry definitions, cutting force model is developed by using orthogonal cutting database and orthogonal to oblique transformation procedure. Cutting experiments were performed on a Mori Seiki NTX 2000 multi-tasking machine tool in order to verify the introduced model. Model and experiments results, which agree well with each other, show that cutting forces increase with ap and ae and decrease with rn. Experimental results show that cutting forces decrease with an increasing tool axis offset and it is concluded that the proposed model is in good agreement with experimental results. Therefore, the model can be used in predicting cutting forces under different cutting parameters quickly and in a practical way.    
Manufacturing time, cost and quality of machined workpieces are affected by productivity and surface quality. MRR is an indicator of the productivity as it represents the removed material volume in unit time. Although turn-milling process potentially can generate high MRR, there are some drawbacks and limitations on it. One of the main problems with increasing MRR in turn-milling is the form errors in circumferential direction. Due to the simultaneous rotations of both tool and workpiece, the resulting machined cross section is a polygon. In addition to the adverse effects of high MRR, cusp height may be observed on the machined workpiece especially for high ae. The degree of polygon strictly depends on the rn ratio. If rn ratio increases, the deviation from ideal circle decreases, which means that when tool rotates faster, the resulting surface approaches to an ideal circle and the circumferential surface roughness also decreases. It is possible to achieve high MRR by turn-milling, however the part quality has to be taken into account as the parameters which affect the surface quality determine the MRR as well. Increase in ae can improve MRR which comes at the cost of increased cusp height. On the other hand, it can be possible to turn-mill a part without cusp up to a certain value of ae for a specific eccentricity value. As a result, MRR can be optimized according to the desired surface quality by using the analytical expressions derived in this study. As a result of simultaneous workpiece and cutting tool motions in turn-milling, the trajectory of the cutting tool on the workpiece is a helical path which causes variable circumferential surface roughness. The analytical expressions show that ae and rn have significant effect on the circumferential surface roughness.  Up to a certain value of ae the circumferential roughness is equal to the circularity error and increases by decreasing rn. However, beyond that value, the circumferential surface roughness increases dramatically by ae. Surface roughness experiments, which are an indicator of the machined part quality, show that using a wiper insert could improve the surface roughness up to a certain offset value and that the rn parameter has no significant effect on surface roughness.
Machining of difficult-to-cut materials such as high temperature metals is challenging due to their low machinability resulting in reduced productivity and high manufacturing cost. Turning is a common operation used for production of these parts where cutting speed, and thus the material removal rate, is limited due to high tool wear rate. Therefore, there is a need for alternative techniques in order to increase productivity in machining of these materials. Ti6Al4V, Waspaloy and Inconel 718 alloys are very important materials especially for aerospace applications. These materials offer several advantages such as high specific strength and hardness maintained even at high temperatures. However, manufacturing of these materials is a real challenge. Particularly machining of Ti6Al4V, Waspaloy and Inconel 718 alloys is difficult because of high temperatures in the cutting zone and chemical affinity of these materials with tool materials. That's why it is very crucial to reduce cutting temperatures and increase the productivity in cutting these hard-to-cut materials. Nonconventional cutting strategies like turn-milling could be an alternative to conventional turning operation in which high tool temperatures occur due to continuous contact with the material. Results presented in this study show that several folds increase in tool life is possible by turn-milling compared to conventional turning operation while machining Ti6Al4V, Waspaloy and Inconel 718 alloys.  The remarkable increase in tool life can be explained by the intermittent characteristics of the turn-milling operation. In the literature it is shown that average tool temperatures in interrupted cutting are low according to continuous cutting which is the case in conventional turning operations. The results also include experimental data for different cooling strategies such as MQL and flood cutting. It is shown that tool life can be further improved with proper selection of the cooling strategy. Axis offset is a cutting parameter that is special to turn-milling operation. Effect of axis offset on tool life was investigated as well, and results indicate that there is an optimum value of axis offset from tool life point of view. At the optimum axis offset value the engagement between tool and workpiece becomes maximum causing less tool wear per unit area.
Investigation of cutting temperature is one of the most important research areas in metal cutting since it is a significant factor that affects the tool life and the quality of the machined part. It is known that cutting temperatures in continuous cutting are higher than those in interrupted cutting. It requires great effort to measure and predict the temperatures experienced in machining due to characteristics of the operation such as high speeds, number of parameters, size of the heat generation zone etc. Process modeling of cutting temperature contributes to determine the effects of cutting parameters and select them to achieve more effective production. On the other hand measuring cutting temperature can provide useful data to verify the proposed models, and can also be used in online monitoring. In this study, first orthogonal cutting tests were performed under different cutting conditions with Inconel 718, Waspaloy, Ti6Al4V, AISI 304 and AISI 1050 workpieces. Cutting temperatures were measured by a thermal camera using a designed fixture which was used to locate the thermal camera inside the machine tool. These results formed a fundamental base for futher studies. Then, a cutting temperature model was built for turn-milling operation. Turn-milling is an interrupted cutting process in which turning is performed by a milling tool. The temperature model can be performed by finite element method, finite difference method or analytical methods. However finite element and finite difference methods are the numerical methods which are required enormous period of time. Generally in manufacturing industry, users need fast and practical models to predict the process outputs. That's why, an analytical model has been developed in this study. In this anaytical model, cutting edge is assumed as a semi-infinite rectangular corner. In turn-milling operation, a cutting insert is exposed to cyclic heating and cooling periods. Thus, the problem must be solved as a function of time. In order to solve this three dimensional transient heat conduction problem, Green functions were used in the study. The heat flux which is calculated by using cutting force and cutting speed is applied on xy surface as a boundary condition. The other boundaries are kept as adiabatic. After solution of this problem the effects of some parameters in turn-milling on cutting temperature were obtained in which results indicate that cutting temperature increases with cutting speed and ae parameter. In order to verify the proposed model, a series of cutting experiments have been performed to measure the tool temperature. Measuring transient temperatures occurred in milling operation is a significant challenge. To overcome this problem a novel experimental setup is developed and applied to milling operation. The setup includes a miniature data acquisition system (DAS) rotating with tool holder during cutting mounted by screws, a connector and a K type thermocouple. The thermocouple is embedded to the cutting insert and located near the cutting zone. The DAS is an off-the-shelf-item with 500k sampling rate. The measured data is stored in the device during cutting operation. This novel experimental setup described above is used to verify the proposed 3D transient heat conduction model. As it is discussed below in detail there is a good match between prediction and measurement results.
Finally an application of turn-milling is presented in this study. A cam shaft which was an induction hardened ductile cast iron was turn-milled with a CBN tool. During cutting tests cutting forces and temperatured were measured and theywere predicted by developed models in this study. It is shown in the study that thermally induced displacements on cutting tool during turn-milling could be up to 40% of the depth of cut depending on the cutting parameters. Furthermore, these displacements can be predicted and reduced by cooled air. Experiments demonstrate that pressurized cool air could be a solution to reduce the displacements by 65% and to improve the accuracy of parts machined by fine turn-milling operations.
In conclusion, geometrical and kinematic definitions for turn-milling operation are made and some practical models are presented to improve process productivity through cutting parameters selection. These predictive models were also verified by performed experiments. This PhD thesis is thought that it will be an example for furhter studies on turn-milling operations.