Mechanics and thermal modeling of micro milling

Mikro frezeleme hassas üretilmiş minyatür parçalara artan taleple birlikte biyomedikal, havacılık, optik, elektronik ve mikro kalıplar gibi ileri teknoloji endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bugünkü rekabetçi sanayi dünyasında, karmaşık geometriye sahip yüksek kaliteli mikro parçaların istenilen toleranslarda üretilmesini gerektirmektedir. Bu yüzden mikro frezeleme işleminin doğruluğu ve tekrarlanabilirliği son derece önemlidir. Bu tezin temel amacı mikro frezeleme işleminin fiziğini anlayarak endüstriyel uygulamalarda sürecin verimliliğini ve etkinliğini arttırmak amacıyla süreç mekaniğini modellemek, ısı modellemesini incelemek ve süreç en iyileştirmesini gerçekleştirmektir. Gerçekleştirilen araştırmanın esas katkısı kinematik analizde kullanılacak talaş kalınlık modellerinin incelenmesi ve mikro frezeleme için yeni bir kesme kuvveti modelinin geliştirilmesidir. Geliştirilmiş kesme kuvveti modeli kullanılarak ilerleme hızına dayalı süreç en iyileştirilmesi, takım deformasyonu, kesme sıcaklıkları ve iş parçası çarpılmaları modellemesi yapılmıştır. Literatürde çeşitli kinematik analizlerden türetilmiş mikro frezeleme için talaş kalınlığı modelleri mevcuttur. Geliştirilmiş modeller arasında mikro frezelemeye en uygun olanı kuvvet modellemesi üzerindeki etkisi doğrudan incelenerek seçilmiştir. Seçilen talaş kalınlığı modeli ve mekanistik kesme katsayıları kullanılarak, kesme ve kazımadan doğan kuvvetleri dikkate alan yeni kuvvet modeli geliştirilmiştir. Helis açısını ölçmek için lazer ve kesici ağız yarıçapını ölçmek için Beyaz Işık İnterferometresi kullanılarak kesme ağzı geometrisi detaylı modellenmiştir. Geliştirilen kuvvet modelini doğrulamak için farklı kesme koşullarında kesme deneyleri gerçekleştirilmiştir. FEM yöntemi kullanılarak takım deformasyonunu ölçmek için yeni matematiksel model geliştirilmiştir. Takım, tutucuda sabitlenen kiriş olarak kabul edilmiş ve yayılı yük altında takımın FEM analizi için Timoşenko çubuk teorisi kullanılmıştır. Kesme sırasında takım deformasyonunu ölçmek ve geliştirilen matematiksel modeli doğrulamak için iki lazerli özel düzenek tezgâh ana miline bağlanmıştır. Süreç verimliliğini artırmak ve işleme zamanını azaltmak için kesme kuvvet esaslı ilerleme hızı zamanlama algoritması geliştirilmiştir. Bu algoritma, basit ve karmaşık yüzeylerde hem düz hem de küresel uçlu frezeleme takımlarıyla test edilmiştir. Önerilen model kullanılarak, her kesme noktası için ilerleme hızı çevrim dışı olarak hesaplanabilmektedir. Takım aşınmasını, artık gerilmelerin oluşumunu, üç boyutlu iş parçası çarpılmalarını, geometrik ve ölçü hassasiyetlerini doğrudan etkiledikleri için mikro frezeleme esnasında takım ve iş parçası sıcaklıkların modellenmesi önemlidir. İşleme esnasında oluşan kesme sıcaklıkları yeni hibrid sonlu elemanlar modeli ile öngörülmektedir. Sıcaklık simülasyonları Ti-6Al-4V iş parçasının mikro frezelemesi esnasında termokupl ölçümlerle doğrulanmıştır. Son olarak, mikro frezeleme esnasında oluşan ince duvar çarpılmaları incelenmiştir. İnce duvar çarpılmalarını modellemek için yeni strateji geliştirilmiştir. Önerilen stratejinin yeniliği çarpılma modellemesi esnasında ısıl ve mekanik yüklerin etkilerini birleştirmesidir. Geliştirilen model mikro frezeleme deneyleri ve Beyaz Işın İnterferometresi ölçümleri ile doğrulanmıştır.