Thermal modelling of high speed machine tool spindles
Yüksek hızlı iş millerinin termal modellenmesi
- Tez No: 418649
- Danışmanlar: PROF. DR. ERHAN BUDAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği, Industrial and Industrial Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Talaşlı imalat, bulunuşundan bu yana en çok tercih edilen imalat yöntemlerinin başında gelmekte ve ilerleyen teknoloji ile paralel olarak gelişimini sürdürmektedir. Daha hassas toleranslara sahip parçaların daha hızlı, daha kaliteli ve daha ucuza üretilmesi yönündeki talep gün geçtikçe artmaktadır. Artan bu talebin karşılanabilmesi için geleneksel yöntemlere nazaran yüksek hızlı işleme yöntemleri ve ekipmanları daha da önem kazanmaktadır. Talaşlı imalatın yeni döneminin kilit elemanları olan yüksek hızlı takım tezgâhları, işleme hızı ile birlikte genel performans artışı sağlayabilmek adına en son teknolojiler ve yenilikçi mühendislik uygulamaları kullanılarak geliştirilmektedir. Geleneksel takım tezgâhlarında olduğu gibi yüksek hızlı tezgâhlarda da pozisyonlama hassasiyeti son parça boyutlarına doğrudan yansıdığı ve boyutsal hatalar doğurduğu için tezgâh değerlendirme kriterleri arasındaki en önemli faktördür. Pozisyonlama hassasiyetinin tezgâhların termal karakteristikleri ile son derece kuvvetli ve karmaşık ilişkisi, yüksek hızlı takım tezgâhlarındaki termal davranışların modellenmesinin önemini arttırmaktadır. Bu tez çalışmasının amacı, yüksek hızlı iş millerinde sıcaklığa bağlı oluşan pozisyonlama hatalarının doğru tahmin edilebilmesi ve azaltılabilmesi için iş mili üzerindeki dahili soğutma sistemi etkilerini de göz önünde bulunduran termal modellerin oluşturulmasıdır. Zamana bağlı ve lineer olmayan sıcaklık denklemlerinin kompleks geometriler ile birlikte tamamen analitik yöntemlerle çözümü son derece zor olduğundan; sonlu elemanlar yöntemine baş vurulmuştur. İş mili sıcaklık kaynaklarının en önemlisi olan iş mili bilyalı yataklarının ürettiği ısı miktarı analitik olarak hesaplanması modelin ilk adımıdır. Hesaplanan ısılar iş mili sonlu elemanlar modeline(SEM) aktarılarak iş mili elemanları arasındaki ısı transferleri ve bu transferler sonucu oluşan termal uzamalar hesaplanmıştır. İş milinde bulunan dahili soğutma sistemi, akışkanlar dinamiği çözümleri için yine sonlu elemanlar analizi kullanılarak incelenmiştir. Isı kaynakları ve soğutma sistemleri sonucu oluşan sıcaklık dağılımları ve termal uzamalardan kaynaklanan pozisyonlama hataları SEM kullanılarak hesaplanmıştır. Oluşturulan modele ait simülasyon sonuçları 5 eksenli CNC takım tezgahı üzerinde yapılan sıcaklık ve termal uzama testleri ile doğrulanmıştır. Pozisyonlama hatalarına pratik bir çözüm olarak soğutma sistemine ait parametrelerin iyileştirilmesi yine oluşturulan modeller üzerinden yapılmıştır. Soğutma sistemi dizayn iyileştirmesi yönünde farklı kanal geometrilerinin iş mili sıcaklık dağılımına ve pozisyonlama hatalarına olan etkileri simülasyonlar aracılığı ile incelenmiştir. Simülasyon ve test sonuçlarının birbirine yakın olduğu gözlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Machining is the most widely used manufacturing method by far since its foundation and its development process still continues parallel to the technology. Demand for higher quality parts together with the lower machining time and cost is rapidly increasing. In order to meet this increasing demand, high speed machining processes and equipment are getting much more important compared to the traditional methods. High speed machine tools are the key elements of this new machining era; but making the machine tools faster while improving their overall performance requires high end technology together with advanced engineering applications. Positioning accuracy of a high speed machine tool is the most important metric among others because of its direct effect on the finished parts, which are measured as dimensional errors. The highly strong and nonlinear relationship between the positional accuracy and the thermal characteristics of the machine tools raises the importance of modeling the thermal behavior of the machine tools. The main aim of this thesis is to develop robust thermal models for high speed machine tool spindles, by considering the effects of built-in cooling systems, to be able to predict and then reduce the positioning errors related to the thermal behavior of the spindle unit. Fully analytical approaches are very complex for solving the nonlinear thermal behavior of the spindle units; but they are still powerful when they used together with the finite elements model of the complex spindle geometry. As the first step of the thermal model, the heat generated by the ball bearings, which is considered as the main heat source of the entire spindle unit, is calculated analytically. Calculated heat is used as an input to the Finite Elements Method (FEM) model for the heat transfer and thermal error calculations. Built-in cooling system of the spindle unit is also analyzed using the Computational Fluid Dynamics (CFD) approaches again using FEM models. Overall temperature distributions and thermal elongations leading to positioning errors are calculated by the FEM model. Simulation results are validated by temperature and thermal elongation experiments measured on a 5-axis CNC machine tool spindle. Cooling system parameters optimization is achieved by using the developed models as quick solutions to the positioning problems. On the other hand cooling system design improvements are also analyzed by the developed models and several different cooling channel designs are investigated for increasing the positioning accuracy of the high speed machine tool spindle used in the experiments. Overall good agreement is observed between experiments and simulations.
Benzer Tezler
- Improving machine tool design trough novel analytical and numeric methods
Başlık çevirisi yok
ESRA YÜKSEL
- Konik sürtünme diskli varyatörün sonlu elemanlar metodu ile analizi
Başlık çevirisi yok
SERKAN YÜRÜK
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SERDAR TÜMKOR
- Frezeyle tornalama operasyonunun geometrik, kuvvet ve ısıl modellenmesi
Geometric, force and thermal modeling of turn-milling operations
UMUT KARAGÜZEL
Doktora
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL
PROF. DR. ERHAN BUDAK
- Kompakt grafitli dökme demirin delik delme işleminin incelenmesi ve sıcaklık modelinin oluşturulması
Investigation and thermal modelling of compacted graphite iron drilling
ALİ TANER KUZU
Doktora
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Asenkron motorun ısıl modellemesi ve hava aralığındaki akışın ısınma üzerine etkisinin araştırılması
Thermal modelling of induction motor and investigation of air gap flow effect on temperature rise
HALİL NACİ TOP
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. HAKAN ÖKSÜZOĞLU
