In this thesis, a method for improving the efficiency of NC machining of free-form surfaces through a simulation technique is presented.
Traditionally for the machining of free-form surfaces, the NC codes are generated using an NC programming software and sent to the controller of a CNC machine. This process can contain errors. Thus, it is general to perform a test cut before a real machining, and the result of the test cut is used to correct the NC programming errors. This procedure is repeated until a desirable result is obtained. By using the NC simulation software, this expensive and time consumming processes can be elliminated, improving the utilization of machines the leadtime and the machining cost significantly.
The errors in NC machining can be categorized as geometrical errors and physical errors. The conventional NC simulation methods were focused on one of these. However, without considering both, the test cut cannot be elliminated from the NC machining procedure. In this study, a method is developed for combining the geometric simulation and the physical simulation. The method is applied for finding out programming errors, predicting the abnormal machining by excessive cutting forces, and determining the optimum cutting conditions for the machining of 3-dimensional shapes with a ball endmill.
To interface the geometric simulation with the physical simulation, the tool-workpiece-contact-area is determined geometrically for each instance of machining. Then, the area is used for calculating the cutting forces by the physical simulation. The cutting forces are used in determining the optimum cutting conditions. In general, the cutting conditions for the free-form surface machining are given as fixed values or as variable feedrate with a fixed speed. In this study, both the spindle speed and the feerate are controlled by considering the tool wear rate, the accuracy and the production rate.
Since the interaction area between the workpiece and the cutting tool is changing during the ball endmill machining, the cutting conditions should be changed accordingly. To determine the optimum spindle speed, the tool-workpiece-contact-area is obtained from the depth of cut, path interval, and cutter contact data. Then, by calculating the centroid of the tool-workpiece-contact-area, the average cutting radius of the ball endmill is determined. The spindle speed is determined so that the tangential cutting speed of the centroid, i.e. the spindle speed times the cutting radius, is the optimum value suggested in the empirical database that maximizes the tool life. The optimum feedrate is the maximum feedrate that does not violate the cutting force constraint. This is the feedrate that maximizes the material removal rate while maintaining an uniform surface quality.
The method was implemented and tested for the workpieces with sculptured surfaces. The test results show that the method can be used to increase the tool life, decrease the machining time, and improve the surface quality.
본 논문에서는 시뮬레이션(Simulation) 기법을 이용하여 자유곡면 CNC 가공의 효율을 향상시키기 위한 방법을 제시하였다.
CNC 가공을 위하여 NC 프로그래밍 과정을 통하여 만들어지는 NC 데이터는 필연적으로 에러(Error)를 수반하게 된다. 따라서, 일반적으로 NC 프로그래밍이 끝나면, 실제절삭에 앞서 시험절삭을 하고, 시험절삭 결과를 반영하여 다시 프로그래밍하는 과정을 반복하여, 만족할만한 결과가 나온 후 실제가공에 들어간다. 이 과정이 NC 가공에서 가장 많은 시간을 요하는 과정중 하나인데, 시뮬레이션을 이용하면 이러한 과정을 실제기계를 사용하지 않고 컴퓨터에서 처리할 수 있다.
NC 프로그램밍의 에러는 형상적인 요인에 의한 것과 물리적인 요인에 의한 것이 있는데, 종래의 NC 시뮬레이션 프로그램들은 이 중 한가지에만 중점을 두어왔다. 그러나, 두가지 요인을 다 고려하지 않으면 시험절삭을 CNC 가공과정에서 제외 시킬수가 없다.
본 연구에서는 NC 가공의 형상 시뮬레이션 (Geometric Simulation) 과 물리적 시뮬레이션 (Physical Simulation) 을 통하여, 프로그래밍 에러를 찾아내고, 과도한 절삭력에의한 가공이상을 예측하는 방법과, 이러한 기법을 통하여 최적의 절삭조건을 결정할 수 있는 방법을 제시 하였다.
형상 시뮬레이션과 기계적 시뮬레이션을 연결시키기 위하여, 가공 중 매 순간순간의 공구와 공작물간의 접촉 상태에 대한 정보 (공구 공작물접촉정보)를 찾아내기 위한 방법이 연구 되었다. 공구진행방향 경사각, 인접공구경로와의 경사각 및 경로간격 데이터를 이용하여, 공구 표면상에서 공구공작물접촉영역 및 도심 (Centroid)을 구하는 방법을 제시하였다. 또한 좀더 일반적인 방법으로, Z-map을 이용하여 공구공작물 접촉정보를 찾아내고, 공구경로검증과 간섭제거 등의 형상 시뮬레이션을 수행하는 방법을 제시하였다.
형상 시뮬레이션에서 구하여진 공구공작물접촉정보는 물리적 시뮬레이션에서 절삭력을 계산하는 데에 이용된다. 가공 중 어떤 순간의 절삭력을 계산하기 위해서는, 절삭날을 작은 미소날로 나누고, 그 순간에 공구공작물접촉영역 안에 포함되는 미소날에 대한 절삭력을 계산하여 합산하는 방법을 이용하였다. 이렇게 계산된 절삭력은 공구공작물 접촉영역의 도심 데이터와 함께 최적의 절삭조건을 결정하는데 이용된다. 일반적으로, 자유곡면 가공 시 절삭조건을 결정하는 방법으로는, 상당히 보수적이며 고정된 하나의 조건을 이용하거나, 피드량만을 조정하는 방법이 쓰이고 있다. 본 연구에서는, 공구의 수명을 고려한 스핀들의 회전수와 가공정밀도 및 가공효율을 고려한 피드량을 동시에 변화시켜주는 방법을 제시하고, 실험을 통하여 그 효과를 입증하였다.
