An automated method to determine cutting and edge force coefficients from process data applied to thin-walled blade milling

Abstract

O fresamento de geometrias de parede fina e forma livre tem sido um tópico amplamente estudado nas últimas décadas devido à sua natureza desafiadora e à sua relevância para a fabricação de vários componentes do setor aeroespacial. Por exemplo, o fresamento das pás do rotor de motores a jato é um caso de grande interesse, pois a qualidade da sua fabricação impacta diretamente na eficiência do motor. Quando se trata do planejamento do processo de fresamento dessas partes, a estimativa da força de fresamento é uma etapa fundamental para que modelos tecnológicos relativos ao processo forneçam resultados precisos e a parametrização da operação possa ser otimizada. Como resultado de recentes avanços na digitalização de processos de fabricação, modelos especializados do processo estão se expandindo do nível acadêmico para sistemas CAM aplicados na indústria. Nesse sentido, um gêmeo digital foi desenvolvido no Fraunhofer IPT, o dPart®, no qual o projeto atual se associou como solução para a estimativa os coeficientes de força necessários para o subsequente cálculo da força de fresamento. Para tal, um método automatizado foi proposto e implementado no software MATLAB® considerando procedimentos de compensação de sinal, modelagem pela teoria mecanística e identificação dos coeficientes de força do modelo. Nessa implementação, o contato ferramenta-peça foi simulado de forma discreta considerando apenas uma aresta de corte em contato, característica da operação de acabamento durante a fabricação das pás de turbina. O método desenvolvido possibilitou o cálculo automático dos coeficientes de força de corte e atrito do modelo mecanístico para um par de ferramenta de ponta esférica e titânio como material de peca a partir dos dados de força de usinagem, geometria da ferramenta e parâmetros do processo. Ainda, efeitos tecnológicos que afetam a medição da força no processo de identificação foram estudados e compensados. Efetuou-se a compensação dinâmica de força medida para atenuar a influência da vibração da estrutura na mesma, bem como variações do contato ferramenta-peça ao longo da operação foram amenizadas pelo cálculo do perfil de força média. Através da comparação entre força de fresamento compensada e simulada com os coeficientes de força estimados pelo método, a mesma atingiu um satisfatório erro abaixo de 10 % para valores de pico. A consolidação desse método como solução versátil e precisa para o cálculo de coeficientes de força fornece a informação necessária para o subsequente cálculo de deflexão de ferramenta e peça e estabilidade dinâmica, etapas fundamentais na otimização dos parâmetros de processo.

Milling of thin-walled free-form parts has been a widely studied topic in recent decades due to its challenging nature and its relevance for the manufacturing of various components in the aerospace sector. For instance, milling jet engine rotor blades is a case of great interest, since the quality of their manufacturing directly impacts the engine’s efficiency. When it comes to process planning to manufacture these parts, estimating the milling force is a fundamental step so that technological models related to the process can provide accurate results and the parameterization of the operation can be optimized. As a result of recent advances in the digitalization of manufacturing processes, specialized process models are expanding from the academic level to CAM systems applied in industry. In this sense, a digital twin was developed at Fraunhofer IPT, dPart®, in which the current project was associated as a solution for estimating the force coefficients necessary for the subsequent calculation of the milling force. For this purpose, an automated method was proposed and implemented in MATLAB® software considering signal compensation procedures, modelling by mechanistic theory and identification of the force coefficients from the model. In this implementation, the cutter-workpiece engagement was simulated discretely considering only one cutting edge in contact, a characteristic of the finishing operation during manufacturing of turbine blades. The developed method allowed the automatic calculation of shearing and friction (edge) force coefficients of the mechanistic model for a pair of ball end mill and titanium workpiece based on the milling force data, tool geometry and process parameters. Furthermore, technological effects that affect the force measurement in the identification process were studied and compensated. Dynamic force compensation was performed to attenuate the influence of the vibration of the structure on the measurements, as well as variations in the cutter-workpiece engagement throughout the operation were mitigated by calculating the average force profile. By comparing the compensated milling force with the simulated milling force from the force coefficients estimated by the method, it achieved a satisfactory error below 10 % for peak values. The consolidation of this method as a versatile and accurate solution for calculating force coefficients provides the necessary information for the subsequent calculation of tool and workpiece deflection and dynamic process stability, fundamental steps in the optimization of process parameters.