Προσομοίωση κατεργασίας φραιζαρίσμτος σε μίκρο-κλίμακα και πειραματική μελέτη του AI 7075-T651

Abstract

Construction of complex mechanical parts requires numerous manufacturing processes. Machined surface quality plays a dominant role in mechanical assemblies as well as in the functionality of each part. Therefore, even a slight process and product quality enhancement offers a competitive advantage to a certain manufacturing industry. Modern research in the field of manufacturing has focused on ball end milling processes. Due to the fact that recently, there is a tendency for small object construction, micro scale cutting processes have become of particular interest.The aim of the present thesis is the development of an integrated ball-nose end milling simulation model in micro scale, along with the investigation of the effect of cutting conditions on both tool and machined workpiece surface quality. The approach incorporated for the process simulation, involves the geometrical representation of the cutting tool and the workpiece followed by the utilization of process kinematics. The main benefits of this approach refer to the precise determination of the machined surface along with the three dimensional representation of the chip, which results in a more accurate cutting force calculation.Within the context of the study, a simulation software that incorporates all stages of the process kinematics implementation, was developed. More specifically, as soon as the three dimensional geometries of the ball end mill and the workpiece are automatically produced, simulation proceeds to the discretized implementation of the process kinematics. As long as the simulation is completed, the three dimensional results are stored on the hard disk drive of the computer. The outcome of the simulation include the resulted surface topomorphy along with the undeformed chip and these data are used for the calculation of surface roughness and cutting forces. A series of experiments was conducted so as to validate the above-mentioned simulated results. Furthermore, an application for the calculation of surface roughness was developed employing an algorithm that calculates the main roughness parameters using the geometric features of the resulted surface. Likewise, the respective application for the calculation of cutting force components was build, based on the undeformed chip geometric features in accordance with Kienzle and Victor. Finally, the regression analysis method was implemented for the determination of equations representing both machined surface roughness and cutting forces in micro-milling process.

Η κατασκευή μηχανολογικών τεμαχίων απαιτεί μια σειρά από μηχανουργικές κατεργασίες. Από την άλλη μεριά κυρίαρχο ρόλο στη συναρμολόγηση τεμαχίων αλλά και στη λειτουργικότητα τους διαδραματίζει η ποιότητα της κατεργασμένης επιφάνειας. Έτσι, η παραμικρή βελτίωση της κατεργασίας και της ποιότητας των τελικών προϊόντων, είναι ικανή να δώσει το ανταγωνιστικό πλεονέκτημα στην εκάστοτε βιομηχανία. Για το λόγο αυτόν, τα τελευταία χρόνια η έρευνα στο επιστημονικό πεδίο του φραιζαρίσματος με εργαλεία σφαιρικής απόληξης έχει ενταθεί. Καθ’ ότι στη σύγχρονη περίοδο υπάρχει η τάση για κατασκευή μικρού μεγέθους αντικειμένων, οι κατεργασίες αφαίρεσης υλικού στη μίκρο-κλίμακα αποτελούν τομέα ιδιαίτερου ενδιαφέροντος.Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου μοντέλου προσομοίωσης του φραιζαρίσματος με εργαλείο σφαιρικής απόληξης στη μίκρο-κλίμακα καθώς και η μελέτη της επίδρασης των συνθηκών κοπής, τόσο στο εργαλείο όσο και στην τελική ποιότητα επιφάνειας. Η προσέγγιση που ακολουθήθηκε για την προσομοίωση της κατεργασίας αφορά τη γεωμετρική αναπαράσταση των συμμετεχόντων στην κατεργασία κοπτικού εργαλείου και τεμαχίου, με εφαρμογή της κινηματικής της κατεργασίας. Τα πλεονεκτήματα αυτής της προσέγγισης εντοπίζονται στον ακριβή προσδιορισμό της κατεργαζόμενης επιφάνειας και στην τρισδιάστατη γραφική απεικόνιση του απαραμόρφωτου αποβλίττου κοπής και άρα στον ακριβέστερο υπολογισμό των δυνάμεων κοπής.Για την αυτοματοποίηση των διαδικασιών αναπτύχθηκε λογισμικό το οποίο ενσωματώνει όλα τα στάδια εφαρμογής της κινηματικής της κατεργασίας. Πιο συγκεκριμένα, το λογισμικό σχεδιάζει αυτόματα την τρισδιάστατη γεωμετρία του εργαλείου σφαιρικής απόληξης και του προς κατεργασία τεμαχίου και μέσα από διακριτά βήματα εφαρμόζεται η κινηματική της διαδικασίας. Μετά το πέρας της προσομοίωσης, τα τρισδιάστατης μορφής αποτελέσματα αποθηκεύονται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Τα αποτελέσματα του μοντέλου περιλαμβάνουν την προκύπτουσα τοπομορφία επιφάνειας και το τρισδιάστατο απαραμόρφωτο απόβλιττο της κοπής, ενώ με κατάλληλη επεξεργασία αυτών των αποτελεσμάτων προκύπτει η τραχύτητα της επιφάνειας και οι δυνάμεις κοπής. Τα αποτελέσματα τραχύτητας και δυνάμεων επαληθεύτηκαν μέσω μεγάλης σειράς πειραμάτων.Για τον υπολογισμό της επιφανειακής τραχύτητας αναπτύχθηκε εφαρμογή και αντίστοιχος αλγόριθμος υπολογισμού των κυρίων παραμέτρων βασισμένος στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της προκύπτουσας επιφάνειας. Αντίστοιχα, αναπτύχθηκε εφαρμογή για τον υπολογισμό των κύριων συνιστωσών των δυνάμεων κοπής, βασισμένη στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του απαραμόρφωτου αποβλίττου, σύμφωνα με τους Kienzle και Victor. Τέλος, με τη χρήση ενός στατιστικού λογισμικού πακέτου εφαρμόστηκε η μέθοδος της ανάλυσης παλινδρόμησης για τον προσδιορισμό εξισώσεων που περιγράφουν, τόσο την προκύπτουσα τραχύτητα επιφάνειας, όσο και τις δυνάμεις κοπής που αναπτύσσονται κατά το μικροφραιζάρισμα.