CNC tezgahlarında kesme şartları ve işleme kalitesi arasındaki ilişkinin analizi - Özkan, Sinan Serdar (My University, 2000)
Günümüz imalat yöntemleri içerisinde talaşlı imalat, özellikle hassas parçaların işlenmesinde önemli bir yere sahiptir. Ancak takım tezgahlarında parçanın işlenmesi sırasında meydana gelen titreşimler işleme kalitesini olumsuz yönde etkileyen en önemli problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışmada yüzey kalitesini iyileştirmek amacıyla yüzey frezeleme işleminde hem kesme kuvveti modeli hem de yüzey frezeleme işlemi için kesici takım, iş parçası ve iş milinden oluşan kesme sistemi modeli oluşturulmuş ve değişik kesme şartları için kesme modelinin dinamik davranışı incelenmiştir. Kesme kuvveti; statik ve dinamik kuvvet olarak ayrı ayrı modellenmiş ve bilgisayar simulasyonu ile çözülmüştür. Daha sonra her iki kuvvet toplanarak, kesme sırasında meydana gelen toplam kuvvet elde edilmiştir. Kütle, yay ve sönüm elemanından meydana gelen kesme sistemi modeli; 10 adet düğüm noktasına sahip üç boyutlu ve altı serbestlik derecesine sahiptir. Kesme sistemi modelinin nümerik analizinde sonlu eleman yöntemi kullanılmıştır. Frezeleme işlemi esnasında kesici dişlerde oluşan kuvvet, kesme sistemini zorlayan etkiler olarak kabul edilmiştir. Bu kuvvetler; simetrik, asimetrik, değişik kesme derinlikleri, bazen iki diş bazen bir dişin talaş kaldırması ve iki dişin talaş kaldırması gibi değişik kesme şartları için ayrı ayrı hesaplanmıştır. Hesaplanan kuvvetler kesme modelinin 1 nolu düğüm noktasına zorlayıcı etki olarak uygulanmıştır. Kesme sisteminin cevabı is, 1 nolu düğüm yer değiştirmesi ve 1 ve 9 nolu düğümlerin yer değiştirme farkları olarak elde edilmiştir. İş parçası ve kesici takım arasındaki yer değiştirme farkları yüzey kalitesini vereceğinden, incelenen kesme şartları içinde en iyi yüzey kalitesini sağlayan kesme durumu önerilmiştir. Ayrıca aktif titreşim kontrolüyle yüzey kalitesinin daha da iyileştirilmesi için, kesme modeline elektro manyetik yatak ilave edilmiştir. Böylece yüzey kalitesinin iyileştiği görüldü. Tezin giriş bölümünde, yüzey kalitesi dikkate alınarak problemin genel bir tanımı yapılmış ve freze tezgahında işleme sırasında meydana gelen yüzey kalitesini etkileyen nedenler ve çözümleri kısaca anlatılmıştır. Freze tezgahları üzerine yapılan çalışmalar tarihsel bir sıralama dikkate alınarak özetlenmiştir. Daha sonra frezeleme işleminin diğer talaşlı imalat yöntemlerinden ayrılan özellikleri anlatılarak, frezeleme işleminde gerçekleştirilen işlem yöntemleri anlatılmış ve son olarak yüzey kalitesinin önemi ve etkileyen faktörler üzerinde durulmuştur. İkinci bölümde, işleme sırasında kesici takım şekil ve konum hatalarıda dikkate alınarak kesme kuvveti modeli geliştirilmiştir. Kesme kuvvetini kesici takım ve iş parçası geometrisi nasıl etkilediği üzerinde durulmuştur. Yüzey frezeleme işlemi sırasında meydana gelen dinamik (değişken) kuvvet kesme modeline ilave edilerek kesme kuvveti yenilendi. Böylece toplam kesme kuvveti modeli elde edildi. Daha sonra, problemin çözümünde esas teşkil eden sonlu eleman modelinin nasıl kurulacağı teorik olarak anlatılmıştır. Üçüncü bölümde, yüzey frezeleme işleminde kesici takım ve iş parçasından meydana gelen kesme sisteminin fiziksel ve matematiksel modeli elde edilmiştir. Sistemin kütle, rijitlik ve kayıp (dissipasyon) matrisleri bulunmuş ve daha sonra bu üç matris birleştirilerek sistemin hareket denklemi elde edilmiştir. Çözümler kısmında; ikinci bölümde elde edilen kesme kuvveti modeline göre statik, dinamik ve toplam kesme kuvvetleri üç boyutlu olarak (x), (y) ve (z) yönleride hesaplanmıştır. Serbest titreşim analizi yapılmış ve kritik çalışma bölgeleri belirlenmiştir. Kesme kuvvetleri hareket denkleminin sağ tarafına zorlayıcı kuvvet olarak girildi ve sistemin x, y ve z yönlerinde dinamik yerdeğiştirme cevabı elde edildi. Dördüncü bölümde yüzey kalitesini iyileştirmek için tasarım aşamasında neler yapılabileceği ele alınmıştır. Burada ayrıca dinamik davranışı iyileştirici yöntem olarak aktif kontrollü elektromanyetik yatak tasarlanmış ve bunun tezgahın dinamik davranışı üzerinde etkileri araştırılmıştır. Beşinci bölümde, kesme kuvveti deney sonuçları ile simulasyon sonuçları karşılaştırılmış ve kesme kuvvet modelinin doğruluğu teyit edilmiştir. Bu karşilaştirma, simetrik ve asimetrik frezeleme yöntemleri için yapıldı. Deneysel kuvvetler ve simulasyon kuvvetleri kesme sistemini titreşime zorlayan kuvvetler kabul edilerek kesme modeline ayrı ayrı uygulandı. Kesme sisteminin bu kuvvetler karşısındaki yer değiştirme cevapları kesme noktasının yüzey pürüzlülük değerleri olarak bulundu. Simulasyon ve deneysel kuvvete karşı gelen bu yüzey pürüzlülük değerleri karşılaştırılarak modelin doğruluğu gösterildi. Altıcı bölümde elde edilen sonuçların genel bir değerlendirilmesi yapılarak, konuyla ilgili ileride yapılacak çalışmalara dikkat çekilmiş ve önerilerde bulunulmuştur.

Machining takes an important position especially in operation of accuracy parts in manufacturing process. However, machine tool vibrations which effect machining precision are an important problem. In this study, to be improve surface quality has been purposed and both the cutting force model and the cutting system model which consist of cutting tool, work piece and spindle have been prepared. The dynamics behaviour of the cutting model has been analysed for variable cutting conditions. The static force and the dynamic force have been modelled one by one and have been solved by computer simulation. The total force which has occurred as cutting has been obtained by adding both of these forces the cutting system model which consist of mass, spring and damping elements has three dimensions and six degree of freedom system. Finite Element Method has been used for numeric analysis of the cutting system model. The cutting force occurring on the cutter insert during milling process has accepted forcing have been estimated for cutting conditions such as symmetric, asymmetric, different cutting depth. The estimated forces has been applied as forcing effect on number one node. The displacement of one number node and ninth node have been obtained. The displacement between the cutting tool and work piece corresponds to surface quality. For this reason, the best cutting conditions has been investigated. Also the cutting system has been equipped with an electromagnetic bearing expecting. Surface quality get better with the active vibration control. Therefore the better surface quality has been obtained. In the introduction section, the problem has been generally defined taking in to account surface quality and factors effecting surface quality where occur as milling has been explained. Also, different solutions methods have been presented. The previous studies about milling machine tools have been summarised respectively date. After this, the characterises of milling which are different from the other machining methods have been explained. And the importance of surface quality and effected factors have been described. In the second section, the cutting force model has been prepared taking in to account form and position errors. The effect of cutter insert and work piece geometry on the cutting force have been investigated. The cutting force model has been improved adding the dynamic force to the previous force model. After that, how the system Finite Element Model which is basic for solution is prepared has been theoretically explained. In the third section, the physical and mathematical model of the cutting system which consist of cutting tool and work piece have been obtained for face milling process. Mass, stiffness and dissipation matrices of the system have been found and so the system motion equation has been occurred by the combination of three matrix. At the solutions section; static, dynamic and total cutting forces have been estimated three dimensionally by using the cutting force model which was occurred at the second section. The critic operation conditions have been defined by free vibration analysis. The dynamics response of the system has been obtained in (x), (y) and (z) directions by entering the cutting force in right side of the motion equation as forcing effect. In the forth section, what can construct has been discussed to improve surface quality at the phase of design. In addition, the active control electromagnetic bearing has been designed to improve the dynamics behaviour of the systems and the system has been analysed again. In the fifth section, for cutting forces the experimental results and theoretical numeric simulation results have been compared and the cutting force model appropriateness has been realised for symmetric and asymmetric milling process. Also the experimental cutting forces have been applied on the system model and the displacement response of the system has been obtained again. So, modelling and simulation of the system have been confirmed for the displacement response too. In the sixth section, the obtained results have been generally discussed and the studies those can be carried out have been taken in to consideration and some suggestions have been offered for later.
Keywords: Makine Elemanları; Makine Mühendisliği; Mühendislik ve ilgili işler; Takım Tezgahları