Predikce silových parametrů řezného procesu při frézování

Abstract

Tato disertační práce se zabývá predikcí silových parametrů řezného procesu při frézování a návrhem softwarové aplikace pro predikci těchto vypočtených parametrů. Výchozí veličinou pro výpočet silových parametrů, mezi které patří řezný výkon, výkon obráběcího stroje a krouticí moment, je řezná síla. Pro návrh matematického modelu byla na základě rešeršní části práce vybrána metodika založená na výpočtu řezné síly pomocí součinu měrné řezné síly a plochy odřezávané vrstvy. Základní podoba navrženého matematického modelu řezné síly byla oproti modelům uvedeným v rešeršní části zpřesněna o vliv řezné rychlosti a o uvažování zaoblené řezné hrany. Tento nově vytvořený model je aplikovatelný pro vyměnitelné břitové destičky kruhového i nekruhového tvaru. Na základě navrženého modelu byl navržen vztah pro výpočet efektivní hodnoty řezné síly, pomocí které se vypočítá efektivní hodnota výkonu a krouticího momentu pro aktuální režim zatížení vřetene. Tyto hodnoty po vynesení do výkonové a momentové charakteristiky vřetene stroje predikují zatížení vřetene stroje. Pro navržený model byly následně experimentálně zjištěny materiálové konstanty pro tři vybrané materiály, a to pro hliníkovou slitinu EN AW 7075, titanovou slitinu Ti6Al4V a ocel DIN C45. Na základě navrženého modelu a získaných materiálových konstant byl model ověřen porovnáním vypočtených a experimentálních hodnot. Ověřený matematický model byl následně zobecněn o uvažování vlivu úhlu čela, který má z geometrických charakteristik významný vliv na měrnou řeznou sílu. Takto navržený zobecněný model byl poté ověřen experimenty s použitím nástrojů s různou geometrií, a to u oceli DIN C45. Tento model byl dále zobecněn o uvažování vlivu meze pevnosti v tahu. Zobecněný model byl následně ještě zpřesněn o vliv opotřebení na hřbetě břitu řezného nástroje, a to rovněž pro materiál DIN C45. Na základě navrženého modelu byla následně vytvořena softwarová aplikace, která pomůže technologům v praxi správně volit vhodné typy nástrojů, operací, strojů a rychle stanovovat hlavní parametry řezného procesu.

This thesis is focused on the prediction of the force parameters of the cutting process during milling and the creation of software application to predict these force parameters. The initial parameter for calculating the force parameters, such as cutting power, machine power, torque, is the cutting force. Based on the research part of this thesis, a method of the calculation of the cutting force based on the product of the specific cutting force and the cutting area was chosen to create a new mathematical model. The basic form of the proposed mathematical model of the cutting force was, in comparison with the models mentioned in the research part, refined by the effect of the cutting speed and by considering the round part of the cutting edge. This newly created mathematical model is applicable to cutting tool inserts of circular and non-circular shape. Based on the proposed mathematical model, an equation to calculate the effective value of the cutting force was created. By using this equation, effective value of the cutting power and torque can be calculated, so we can predict the spindle load. Afterwards, material constants for three selected materials, namely for the aluminum alloy EN AW 7075, titanium alloy Ti6Al4V and steel DIN C45, were experimentally determined. Based on the created model and obtained material constants, the model was verified by comparing calculated and experimental values. Afterwards, the successfully verified mathematical model was generalized by considering the rake angle effect, which has a significant impact on the specific cutting force. This generalized model was then verified by experiments using cutting tools with different geometry and for the workpiece material made of the DIN C45 steel. This model was then also generalized by considering the effect of tensile strength. Thereafter, the generalized model was refined by the effect of the flank tool wear. Based on the created mathematical model, a software application was created. This software application will help technologists to select appropriate types of cutting tools, operations, machine tools and quickly determine the main parameters of the cutting process.