Geri Dön

Mechanics, dynamics, and stability of orthogonal turn-milling operation

Dik frezeyle tornalama işleminin mekaniği, dinamiği, ve kararlılığı

PDF İndir

  1. Tez No: 761363
  2. Yazar: KAVEH RAHIMZADEH BERENJI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ERHAN BUDAK
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sabancı Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Üretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 217

Özet

Endüstride daha yüksek kalite ve üretkenlik talebi arttıkça, çok amaçlı takım tezgahları, tek bir kurulumda karmaşık parçalar üretebilme yetenekleri nedeniyle artan bir ilgi görmektedir. Freze-tornalama (mill-turn) işleme merkezleri, tornalama, delme, delik işleme ve çok eksenli frezeleme dahil olmak üzere çeşitli talaşlı imalat operasyonlarını aynı anda gerçekleştirebilen çok amaçlı bir takım tezgahıdır. Çok eksenli bir talaş kaldırma işlemi olarak tanınan frezeyle tornalama (turn-milling), kesici ve iş parçasının aynı anda döndürülmesi ve takımın ilerlemesinin bir sonucu olarak malzemenin kaldırıldığı frezeleme ve tornalama işlemlerinin bir kombinasyonudur. Frezeyle tornalama, kesilmesi zor malzemelerle büyük ölçekli parçaların üretiminde çeşitli avantajlar sunarken, yüzey biçimi hataları, proses mekaniği ve dinamikler açısından belirli zorluklar içerir. Proses parametrelerinin, takım geometrisinin ve eksantrikliğin yanlış seçilmesi, istenmeyen kalite hatalarına ve iş parçası, takım ve makine arızalarına yol açabilecek aşırı kesme kuvvetlerine neden olabilir. Ayrıca, zayıf yüzey kalitesine ve takım kırılmasına yol açan, tırlama titreşimi meydana gelebilir. Bu çalışmada, dik torna frezeleme için proses kinematiği ve kesici-iş parçası kesişimi (cutter-workpiece engagement) modellenmiştir. Takımın yan ve alt kenarları için yeni bir matematiksel kesilmemiş talaş geometrisi modeli sunulmuştur. Talaş geometrisi ve kesme kinematiğine dayalı olarak, üretkenliği arttırırken yüzey form hatalarından, yani çıkıntılardan kaçınmak için matematiksel bir metot geliştirilmiştir. Alt ve yan kesme kenarlarından kaynaklanan kesme kuvvetleri analitik olarak hesaplanıp ve deneylerle doğrulanmıştır. Eksantrikliğin kesici-iş parçası kesişimi ve kesme kuvvetleri üzerindeki etkisi sunulmuştur. Dik frezeyle tornalamanın kararlılık modeli literatürde ilk kez ayrık zaman ve frekans alanlarında tam analitik bir model geliştirilmiştir. Bu bağlamda, 3 boyuttaki rejeneratif dinamik talaş kalınlığı modellenme ve karşılık gelen yön katsayıları matematiksel olarak formüle edilmiştir. Takım ve iş parçasının aynı anda dönmesinden kaynaklanan değişen zaman gecikmesini hesaplaması için yeni bir yaklaşım önerilmiştir. Kararlılık diyagramları, kısmi-ayrıştırma ve sıfır dereceli yaklaşım yöntemleri kullanılarak birleştirilmiş zamanla değişen gecikmeli diferansiyel denklemlerin çözülmesiyle hesaplanmıştır. Eksantrikliğin proses stabilitesi üzerindeki etkisi hem parmak frezeler hem de uçlu takımlar için tartışılmıştır. İşlem parametresi seçim yaklaşımı, en yüksek kararlı kesme derinliğini ve hatasız yüzey elde etmek için önerilmiştir. Dik frezeyle tornalama mekaniği ve dinamiği için doğrulanmış modelleri, tırtıklı ve dalgalı yüzeyli (Crest-Cut) takımlara uygulama amacıyla genelleştirilmiştir. Kesme kuvvetleri, güncellenmiş kesici-iş parçası kesişim modeli kullanılarak analitik olarak hesaplanıp deneysel olarak doğrulanmıştır. Crest-cut takımları kullanarak dik frezeyle tornalama kararlılığı, literatürde ilk kez hem ayrık zaman hem de frekans alanlarında tahmin edilmektedir. İnce cidarlı parçaların frezelenmesinde tırlama bastırmada standart, değişken aralıklı ve crest-cut takımların etkinliğini ve performansını incelemek için başka bir yeni çalışma gerçekleştirilmiştir. Yeni stabilite haritaları, proses içi iş parçası dinamiklerinin neden olduğu değişken stabilite limitlerine dayalı olarak oluşturulmuştur. Elde edilen stabilite haritaları kullanılarak, verimlilik ve yüzey kalitesi dikkate alınarak farklı kesme stratejilerinin performansı karşılaştırılmıştır. Bir sürecin kararlılığına ana katkıda bulunanlar olarak, iş mili ve iş parçası düzeneklerinin dinamikleri analitik olarak modellenir ve deneylerle doğrulanır. İş mili dinamiği, Receptances Coupling teorisine dayalı olarak modellenmiştir. Daha sonra, yapısal modifikasyon tekniği kullanılarak şaft modeli ile tahmini bir yatak dinamiği modeli birleştirilmiştir. Model, farklı hızlarda iş mili dinamiklerini tahmin edebilir. Temas mekaniği dikkate alınarak proses esnasındaki silindirik iş parçası dinamiğini modellemek için benzer bir yaklaşım kullanıldı. Bu tez, farklı tipteki takımlar için geliştirilmiş parça kalitesi ile en verimli kesme koşullarını öngören kapsamlı fizik tabanlı dijital dik torna frezeleme modelleri önermektedir. Sunulan modeller, proses parametrelerinin yanı sıra takım tezgahı yapısal dinamiklerini de kapsamaktadır. Bu modeller, endüstride maliyetli fiziksel denemelerden kaçınmak, süreç planlama aşamasında ya da süreç boyunca izleme ve hata tespiti amacıyla kullanılabilir.

Özet (Çeviri)

As the demand for higher quality and productivity increases in industry, multi-tasking machine tools attract increasing attention due to their ability to produce complex parts in a single set-up. The mill-turn machining center is a multi-tasking machine tool capable of performing a variety of machining operations simultaneously, including turning, drilling, boring, and multi-axis milling. As a multi-axis machining operation, turn-milling is a combination of milling and turning processes, in which the material is removed as a result of simultaneous rotations of the cutter and workpiece and translational feed of the tool. While turn-milling offers several advantages in manufacturing large-scale parts with hard-to-cut materials, it presents specific challenges in terms of surface form errors, process mechanics, and dynamics. Improper selection of process parameters, tool geometry, and eccentricity may result in undesired form errors and excessive cutting forces leading to workpiece, tool, and machine component failures. Moreover, self-excited chatter vibration may occur, leading to poor surface finish and tool failure. In this study, process kinematics and cutter-workpiece engagement are modeled for orthogonal turn-milling. A novel mathematical uncut chip geometry model for the side and minor edges of the tool is presented. Based on the chip geometry and cutting kinematics, a guideline is developed to avoid surface form errors, namely cusps, while increasing productivity. The cutting forces resulting from minor and side cutting edges are calculated analytically and verified through experiments. The effect of eccentricity on cutter-workpiece engagement and cutting forces is presented. A fully analytical model is developed to predict the stability of orthogonal turn-milling in the discrete-time and frequency domains for the first time in the literature. In this regard, the regenerative dynamic chip thickness in feed, cross-feed, and axial are modeled, and the corresponding directional coefficients are formulated mathematically. A novel approach is proposed to calculate the varying time delay caused by the simultaneous rotation of the tool and workpiece. The stability diagrams are computed by solving the coupled time-varying delayed differential equations using semi-discretization and zero-order approximation methods. The effect of eccentricity on process stability is discussed for both end mills and inserted tools. The process parameter selection approach is proposed to achieve the highest stable depth of cut and cusp-free surface. The verified models for the mechanics and dynamics of orthogonal turn-milling are generalized to implement serrated and crest-cut tools. The cutting forces are calculated analytically using the updated cutter-workpiece engagement model and verified experimentally. The stability of orthogonal turn-milling using crest-cut tools is predicted in both the discrete-time and frequency domains for the first time in the literature. Another novel study is performed to study the effectiveness and performance of standard, variable-pitch, and crest-cut tools on chatter suppression in milling thin-walled parts. The novel stability maps are generated based on varying stability limits caused by in-process workpiece dynamics. Using the obtained stability maps, the performance of different cutting strategies is compared, considering productivity and surface finish quality. As the main contributors to the stability of a process, the dynamics of spindle and workpiece assemblies are modeled analytically and verified through experiments. The spindle shaft dynamics are modeled based on receptance coupling theory. Then a predictive bearing dynamics model is coupled with the shaft's model using the structural modification technique. The model can predict spindle dynamics at different speeds. A similar approach is used to model in-process cylindrical workpiece dynamics considering contact mechanics. This thesis proposes comprehensive physics-based digital models of orthogonal turn-milling that predict the most productive cutting conditions with improved part quality for different types of tools. The presented models encompass the process parameters as well as the machine tool structural dynamics. The presented models can be used in industry either at the process planning stage to avoid costly physical trials or during the process for monitoring and fault-detection purposes.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    75329

    Deprem yükleri altında yığma duvarların dayanımı ve takviyesi

    Başlık çevirisi yok

    A.TUĞRUL BOZDOĞANGİL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Yapı Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN BODUROĞLU

  2. Tez No

    75268

    Deprem yüklerinin altında yığma binaların davranışı

    Başlık çevirisi yok

    MORTEZA SABERİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN BODUROĞLU

  3. Tez No

    897428

    Improving FEAST for real symmetric standard eigenvalue problems

    FEASTin gerçek simetrik standart özdeğer problemleri için iyileştirilmesi

    KADİR ÖZÇOBAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT MANGUOĞLU

    DOÇ. DR. EMRULLAH FATİH YETKİN

  4. Tez No

    230746

    Analytical modeling of cutting process mechanics and dynamics for simulation of industrial machining operations

    Endüstriyel metal işleme operasyonlarının modellenmesi için kesme mekaniği ve dinamiğinin analitik olarak hesaplanması

    EMRE ÖZLÜ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Endüstri ve Endüstri MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. ERHAN BUDAK

  5. Tez No

    325604

    Boundary control of transient temperature in internal pipe flow heat transfer by POD-galerkin ROM

    Boru içi akışı ısı transferinde geçici sıcaklığın POD-galerkin model küçültme yöntemiyle sınır denetimi

    ERDEM EREN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Makine MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EŞREF EŞKİNAT

Geri Dön