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255 Pages·2012·30.37 MB·English

by  Aggarwal, Saurabh

Part Programming to Realize Chatter Free and Efficient High
Speed Milling
THÈSE NO 5549 (2012)
PRÉSENTÉE LE 25 OCTOBRE 2012
À LA FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
LABORATOIRE DES OUTILS INFORMATIQUES POUR LA CONCEPTION ET LA PRODUCTION
PROGRAMME DOCTORAL EN SYSTÈMES DE PRODUCTION ET ROBOTIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Saurabh AGGARwAL
acceptée sur proposition du jury:
Prof. H. Bleuler, président du jury
Prof. P. Xirouchakis, Dr I. A. Stroud, directeurs de thèse
Dr I. O. Avram, rapporteur
Prof. G. Bissacco, rapporteur
Dr E. Boillat, rapporteur
Suisse
2012
Acknowledgements
Itgivesmeanimmensepleasuretoacknowledgethehelpandsupportofnumerousindividuals
duringthecourseofthisresearchwork.
IwouldliketostartbyextendingmysincerethankstomythesisdirectorProf.PaulXirouchakis
forofferingmetheopportunitytoworkatLaboratoryofComputer-AidedDesignandProduc-
tion(LICP)andforhisconstantencouragementandsupportduringmyPhDwork.
Ithankmythesisco-directorDr.IanAnthonyStroudforhissuggestionsandcarefulcorrections
ofmythesis.IwouldliketothankProf.HannesBleulerofEPFLforhisacceptancetobethe
jurypresidentformyPhDoralexamandmakingtheexamprocesscomfortableforme. I
amthankfultoProf. GiulianoBissaccoofDenmarkTechnicalUniversity,Dr. EricBoillatof
EPFLandDr.OliverAvramofDixiPolytoolSAforacceptingtospendtheirprecioustimein
reviewingmythesisandgivingtheirvaluablesuggestions.
IwishtothankProf.YusufAltintasofUniversityofBritishColumbiaforhisvaluablesugges-
tionsduringtheadvancedtrainingofmillingprocessmodelingandsimulations.
IamgreatlythankfultoDr.JitenderRai,Dr.SandeepDhanikandDr.NenadNešic´fortheir
collaboration,suggestionsandmotivation.ImustthanktoDr.OliverAvramandMr.Karim
Collombfortheirsupportduringexperiments.
My thanks go to Dr. Ahmed Bufardi and Mr. Olcay Akten in translating the abstract into
French. IalsothanktoDr. RahulMulikforhissuggestionsforthesis. Myspecialthanksto
Anna,Soumaya,Drazen,Olcay,BogdanPredrag,Ahmed,Ariffortheirvaluablesuggestionsfor
theoralexampresentation.
I owe special thanks to our industrial partners Mr. David Schranz and Mr. Jean-Philippe
BesuchetofMikronAgieCharmillesAGandMr.OleKöserofCalcomESIfortheircollaboration
andconstructivecriticismonpartsofthisresearchwork.IthankMr.MohitGoelofEPFLand
Mr.JérémieMonninofETHZfortheirsuggestionsforsignalprocessing.SpecialthankstoDr.
AndréCatanaofTechnologyTransferOfficeofEPFLforhisconstantsupportforourpatent
filing.
Iamthankfultoallcolleagues/friendsatEPFLfrompast(YoungSeok,Jong-Ho,Ali,Aristeidis,
Sandeep,OliverandKiran)andpresent(Apostolos,Olcay,Soumaya,Ahmed,Gajanan,Arif,
andRahul)forsharingnicetalksduringcoffee/lunchbreaks. Ihadalsoapleasuretoshare
the office with wonderful officemates Andreas and Jong-Ho. Special thanks to Sylvia and
Carolfortheirassistanceinadministrativestuff.Iwouldalsoliketothankmentorsofvarious
i
Acknowledgements
courses/trainingsforPhDprograms,DIT,library,languagecenterandhumanresources.
IwouldalsoliketothankWorldMUNteammembersforsharingtheamazingexperienceat
variousmodelunitednationconferencesandsocialactivities.
Iwouldnothavebeenabletomaintainthehealthystate-of-mindnecessarytofinishthe
thesiswithoutaconstantsupportfrommyfriendsinSwitzerland.MyheartiestregardstoAdil
Rasheed,SandeepDhanik,SandyHerzlieb,NanditaAggarwalandDebabrataDashfortheir
encouragement,suggestions,loveandcare.IcannotforgetthesupportfromShravanduring
myfirstdaysinLausanne. ThankstoSaurabh,Wilson,NiravandPamanandSrinikethfor
theirenjoyablecompanyatEPFL.ImustthankFelix,Maria,Nathalie,Olga,Yann,Christophe,
Patrick,Jairo,Jagdeep,Aristeidis,Camille,Sebastian,Dipanjan,Laura,mywonderfulneighbors
andallmylovingInternational/Indian/PunjabifriendswhomademystayinSwitzerlanda
memorableone.
Iowemylovinggratitudetomymotherforherloveandencouragement.Withouthersupport
thisworkwouldnothavebeenpossible.Myspecialgratitudetomysister,jijajiandsweetest
niecefortheirlovelysupport.Finally,Iwouldliketodedicatethisthesistomyfatherwhois
alwaysasourceofinspirationforme.Daddyyouwillalwaysremaininourhearts.
Aboveall,IwanttoexpressmyhumbleandwholeheartedprostrationbeforeGodforsprinkling
hisunprecedentedfavoruponme.
ii
Abstract
Highspeedmilling(HSM)isthemostknownmachiningprocessduetoitsapplicationin
variousindustries.Inmilling,arotatingcuttingtoolremovesalargeamountofmaterialalong
apredefinedtoolpathtomanufacturethefinalpartwithadesiredshape.Millingofprismatic
parts1isveryimportantinautomotive,aerospace,moldanddieindustries.Evencomplicated
partsaremachinedfromablankfirstby2.5Droughingfollowedby3D-5Dfinishing.
Modern production floors have adopted high speed CNC2 machine tools to execute part
programs,developedbyCAD/CAM3systems,tomanufacturethefinalworkpiece.Theoverall
productivity of the milling process depends on the choice of cutting conditions and the
toolpath.CurrentCAD/CAMsystemsdonotprovideanyguidancetoselectcuttingconditions
due to the unavailability of models of the complex physical and dynamic interaction of
machinetoolandworkpiecesystems.Moreover,toolpathgenerationbyCAD/CAMpackages
ispurelygeometricinnatureandresultsinengagementanglevariationalongthetoolpath.
Theselectionofcuttingconditionsandtoolpathrelysolelyonthepartprogrammer’sexperi-
ence,CAD/CAMsystems,handbookguidelinesorspecificationsprovidedinthecataloguesof
cuttingtoolsandmachinetools.Theirpoorselectionoftencauseschatter,highfluctuationof
cuttingforces,and/orviolationoftheavailablelimitsofpowerandtorqueofthemachinetool.
Thesephenomenaresultinpoorsurfacefinish,workpiecedamage,highcuttingtoolwear,
violationoftolerancelimits,additionalcost,unwantedwasteandsignificantreductionin
machinetoolworkinglife.Inordertoavoidtheseproblems,partprogramsneedtobeverified
iterativelyusingtrialanderrorexperimentsandoftenconservativecuttingconditionsare
selected.Thesepracticesleadtolongpreparationtimeofpartprogramsandlowermachining
performance,whichinanutshellsignificantlyloweroverallproductivity.Moreover,machine
toolcapabilitiesarenotfullyutilizedduetotheconservativeselectionofcuttingconditions.
Inordertoaddressthesechallenges,ageneticalgorithm(GA)basedoptimalmilling(OptMill)
systemisdevelopedforoptimalselectionofcuttingconditionsand/ortoolpathforagivenset
ofinputsofmachinetool/spindle/toolholder/cuttingtoolandworkpiecesystem.Operational
constraintsofthemachinetool,suchasspindlespeedandfeedlimits,availablespindlepower
andtorque, chattervibration4 limitsduetothedynamicinteractionbetweencuttingtool
1Geometryconsistsoffeaturesthatrepresent2Dcontoursextrudedinaperpendiculardirection
2ComputerizedNumericalControl
3Computer-AidedDesignandManufacturing
4Amplitudeofthecuttingtooltipvibrationsduetotheregenerativeeffect
iii
Abstract
andworkpiece,permissiblelimitsofbendingstressanddeflectionofthecuttingtooland
clampingloadlimitsoftheworkpiecesystemareembedded.Thedevelopedsystemisapplied
todifferentindustrialusecases:(i)Minimizationofpocketmillingtimeconsideringone-way
toolpath(ii)minimizationofmachiningtimeformulti-featureprismaticpartswiththeimple-
mentationofpre-processingmodules:extractionoftoolpathandworkpieceboundaryfrom
APT5andSTEP6filesrespectivelyandcalculationofengagementanglealongthetoolpath(iii)
optimalselectionofcuttingconditionsandcorrespondingsmoothandconstantengagement
toolpathforpocketmilling.Theselectedcuttingconditionsand/ortoolpatharealsovalidated
usingdedicatedexperimentsconductedduringthecourseoftheresearchwork.Thepresent
researchworkisinspiredfromanongoingCTIproject7.
Followingenhancedmethodologiestheidentificationofimportantinputstomathematical
modelsforpredictionofcuttingforcesandchatterfreelimitshavealsobeendevelopedto
expandthescopeofthedevelopedOptMillsystem.
• Tangentialforcecoefficients,animportantinputforpredictionofcuttingforcesand
chatter free limits, are identified experimentally with the use of a cutting force dy-
namometer. Thisexperimentalsetupisquitecostlyandnotpracticalforindustrial
implementation. Anenhancedmethodologyispresentedfortheindirectidentifica-
tionoftangentialforcecoefficientsfromthespindlemotorcurrent.Themethodology
includesthedevelopmentofanempiricalmodelforcuttingtorquepredictionfrom
spindlemotorcurrentwiththeimplementationofaspindlepowermodelthataccounts
for all mechanical and electrical power losses. The cutting torque predicted by the
developedmodelisthenusedfortangentialforcecoefficientidentification,andisalso
validatedexperimentallywithdirectmeasurementusingacuttingtorquedynamometer.
• Dynamicresponseofeachvariantofmachinetool/spindle/toolholder/cuttingtool,in
termsofFRF8,isrequiredtopredictchatterfreelimitsaccurately.FRFisoftenmeasured
withhammertestingexperiments.Inordertoavoidthesetedioustests,anenhanced
procedure using the receptance coupling technique is implemented to predict the
FRF of a machine tool/spindle/tool holder/cutting tool system for different cutting
tools.ThepredictedFRFsvianumericalsimulationarealsovalidatedwithexperimental
measurement.
Though the existing mathematical models predict accurately the chatter free limits, their
use in small production floors has not yet been achieved due to the absence of technical
expertiseandexperimentalresources.Moreover,evenmodernmachinetoolsdonotprovide
anyguidancetothemachineoperatorregardingtheoccurrenceofchatterduringmachining.
Tomeetindustrialrequirements,acomputationallyfast,easytouseandpracticalsystemis
developedthatdetectschatterautomaticallyduringmillingandthereafterproposesacontrol
5AutomaticallyProgrammedTool
6STandardfortheExchangeofProductmodeldata
7ChatFree: Partprogrammingtorealizechatter-freeandefficientpocketmilling(CTI-ProjectNo.10008.1
PFES-ES)
8FrequencyResponseFunction
iv
Abstract
strategytothemachineoperator.Thedevelopedonlinechatterdetectionandcontrolsystem
isalsovalidatedexperimentallywithanindustrialend-userpartner.
Apart from the many challenges and the developments discussed above, milling of thin-
walledworkpiecesisalsoaconcernduetochangingdynamicsduringmachining.Thus,an
enhancednumericalprocedureisdevelopedfortheselectionofchatterfreecuttingconditions
whileconsideringthechangeinworkpiecedynamicsalongthetoolpathusingfiniteelement
analysis.
Inordertorealizethedevelopedsystem,MATLABisusedasaprogramminglanguage. Ge-
ometricalmodelingandpartprogrammingofprismaticpartsisdonewithCATIA.Thedata
acquisitionplatformfortheexperimentalvalidationisdesignedinLABVIEW.Finiteelement
modelingandanalysisisimplementedwiththeANSYSparametricdesignlanguage(APDL).
Thedevelopedsystemisveryappealingforindustrialapplicationbydirectintegrationwith
existing CAD/CAM systems and/or modern machine tools. Increase in overall productiv-
ityisensuredbyoptimalselectionofcuttingconditionsand/ortoolpathandsimultaneous
avoidanceofrepercussionsduetotheirwrongselection.
Keywords:Computer-AidedDesignandManufacturing,PrismaticParts,PocketMilling,High
Speed Milling Optimization, Genetic Algorithm, Machine Tool Dynamics, Finite Element
Modeling,OnlineChatterDetectionandControl
v

Résumé
Lefraisageàgrandevitesse(FGV)estleprocessusd’usinageleplusconnuenraisondeson
application dans diverses industries. Dans le fraisage, un outil de coupe rotatif supprime
unegrandequantitédematériaulelongd’unparcoursd’outilprédéfinipourfabriquerla
piècefinaleavecuneformesouhaitée.Lefraisagedepiècesprismatiques9esttrèsimportant
danslessecteursdel’automobile,del’aérospatialeetdesmoulesetdesmatrices.Mêmeles
piècescompliquéessontusinésàpartird’unepiècebruteparuneébauche2.5Dsuiviepar
unefinition3D-5D.
Lescentresdeproductionmodernesontadoptélesmachines-outilsCNC10àgrandevitesse
pourexécuterlesprogrammesdecommande,développéspardessystèmesCAO/FAO,pour
fabriquerlapiècefinale.Laproductivitéglobaleduprocessusdefraisagedépendduchoixdes
conditionsdecoupeetduparcoursd’outil.LessystèmesactuelsdeCAO/FAOnefournissent
aucuneindicationpoursélectionnerlesconditionsdecoupeenraisondel’indisponibilité
desmodèlesd’interactionphysiqueetdynamiquecomplexesdelamachine-outiletlapièceà
usiner.Enoutre,lagénérationdesparcoursd’outilparlesmodulesCAO/FAOestpurement
géométriqueetinduitdesvariationsdel’angled’engagementlelongduparcoursd’outil.
Lasélectiondesconditionsdecoupeetduparcoursd’outilcompteuniquementsurl’expé-
rienced’unprogrammeurduprogrammedecommande,lessystèmesCAO/FAO11,lesdirec-
tivesdanslemanueld’utilisateurousurlesspécificationsprévuesdanslescataloguesdes
outilsdecoupeetdesmachines-outils.Leurmauvaisesélectionprovoquesouventbroutage,
delafluctuationélevéedesforcesdecoupeet/oudelaviolationdeslimitesdelapuissance
disponibleetducoupledelamachine-outil.Cesphénomènessetraduisentparunmauvais
étatdelasurface,unendommagementdelapièce,uneusureélevéedel’outildecoupe,une
violationdeslimitesdetolérance,uncoûtsupplémentaire,desdéchetsindésirablesetuneré-
ductionsignificativedelaviedelamachine-outil.Afind’évitercesproblèmes,lesprogrammes
decommandedoiventêtrevérifiésdemanièreitérativeàl’aidedesexpériencesd’essaiet
d’erreuretsouventdesconditionsdecoupeconservatricessontsélectionnèes.Cespratiques
augmententletempsdepréparationpourlesprogrammesdecommandeetdiminuentla
performanced’usinage,quiengrosdiminuentlaproductivitétotale.Enplus,lescapacitésdes
machines-outilsnesontpasutiliséescomplètementenraisondelasélectiondesconditions
9Géométriecomprenddescaractéristiquesquireprésententdescontours2Dextrudésdansladirectionperpen-
diculaire
10Contrôlenumérique
11Conceptionetproductionassistéeparordinateur
vii
Résumé
decoupeconservatrices.
Afinderelevercesdéfis,unsystème“optimalmilling(OptMill)”basésurunalgorithmegé-
nétique(AG)estdéveloppépourunesélectionoptimaledesconditionsdecoupeet/oudes
parcoursd’outilpourunensemblededonnéesdelamachine-outil/broche/porte-outil/outil
decoupeetdusystèmepièce.Lescontraintesopérationnellesdelamachine-outil,commela
vitessedelabrocheetlavitessed’avance,lapuissanceetlecoupledisponibledelabroche,les
limitesdesbroutage12enraisondel’interactiondynamiqueentrel’outildecoupeetlapièce,
leslimitesadmissiblesdelacontraintedeflexionetdeladéflexiondel’outildecoupeetles
limitesduforcedeserragedelapièceàusiner,sontincorporées.Lesystèmedéveloppéest
appliquéàdifférentscasindustriels:(i)laminimisationdutempsdefraisaged’unepoche
comptetenud’unparcoursd’outilsimple(ii)laminimisationdutempsd’usinagepourun
multitraitementdespiècesprismatiquesavecl’initiationdespréparations:l’extractiondu
parcoursd’outiletlesbordsdelapièceàusineràpartirdesfichiersAPT13etSTEP14respec-
tivement,etducalculdel’angled’engagementlelongduparcoursd’outil(iii)lasélection
optimaledesconditionsdecoupeetduparcoursdel’engagementcorrespondantrégulieret
constantdel’outilpourlefraisagedepoche.Lesconditionsdecoupeet/ouduparcoursde
l’outilsélectionnéessontégalementvalidéespardesexpériencesréaliséesaucoursdutravail
derecherche.LetravailderechercheactuelestinspiréduprojetCTI15encours.
Lesméthodesamélioréessuivants,pourl’indentificationdesinputsimportantspourlesmode-
lésmathématiquesdeprédictiondesforcesdecoupeetdesconditionsdecoupesansbroutage,
sontégalementdéveloppéespourétendreledomainedusystémeOptMilldéveloppé.
• Les coefficients de force tangentielle, les inputs importants pour la prédiction des
forcesdecoupeetdeslimitesdesconditionsdecoupesansbroutage,sontidentifiés
expérimentalementavecl’utilisationd’undynamométrepourlaforcedecoupe.Ce
dispositifexpérimentalesttrèscoûteuxetpaspratiquepourl’implémentationdans
l’industrie.Uneméthodeamélioréeestprésentéepourl’identificationindirectedes
coefficientsdeforcetangentielleàpartirducourantdanslabrochemoteur.Laméthode
comprendl’élaborationd’unmodéleempiriquepourprédirelecoupledecoupeàpartir
ducourantdanslabrochemoteuravecl’introductiond’unmodéledepuissancede
labrochequiconsidéretouteslespertesdepuissancemécaniquesetélectriques.Le
coupledecoupepréditparlemodéledéveloppéestutiliséensuitepourl’identification
descoefficientsdeforcetangentielle,etestégalementvalidéexpérimentalementavec
desmesuresdirectesenutilisantundynamométrepourlecoupledecoupe.
• Letempsderéponsedynamiquedechaquevariantedelamachine-outil/broche/porte-
outil/outildecoupe,entermesdeFRF16,estnécessairepourprévoirleslimitesdes
12Amplitudedesvibrationsdelapointedel’outildecoupeenraisondel’effetrégénératif.
13Outilprogramméautomatique
14STandardpourl’échangededonnéesdumodèleduproduit
15ChatFree:Programmationduprogrammedecommandepourréaliserlefraisagedepochesansbroutageet
efficace(CTI-ProjetNo.10008.1PFES-ES)
16Réponseenfréquence
viii
Résumé
conditions de coupe sans broutage avec précision. FRF est souvent mesuré à l’aide
d’expériencesutilisantlemarteau.Afind’évitercestestsfastidieuses,uneprocédure
amélioréeàl’aidedelatechniquedecouplageréceptanceestimplémentéepourprédire
laFRFd’unemachine-outil/broche/porte-outil/systèmed’outildecoupepourdiffé-
rentesoutilsdecoupe.LesFRFpréditesparlasimulationnumériquesontégalement
validéespardesexpérimentaux.
Bienquelesmodélesmathématiquesexistantsprédisentdeslimitesdesconditionsdecoupe
sansbroutageavecprécision,leurutilisationdanslespetitsateliersn’apasencoreétéat-
teinteenraisondel’absenced’expertisetechniqueetdesmoyensexpérimentaux.Parailleurs,
mêmelesmachines-outilsmodernesnefournissentaucuneindicationàl’opérateurconcer-
nant l’apparition de broutage en cours d’usinage. Pour répondre aux besoins industriels,
unsystémedecalculrapide,facileàutiliseretpratiqueestdéveloppéquidétecteautoma-
tiquementlebroutagependantlefraisageetproposeparlasuiteunestratégiedecontôleà
l’opérateur.Lesystèmeonlinededétectionetdecontrôledebroutageestégalementvalidé
expérimentalementaveclepartenaireindustriel.
Apartlesnombreuxdéfisetdéveloppementsdiscutésci-dessus,lefraisagedespiècesavecdes
paroismincesestégalementunsujetdepréoccupationenraisondesadynamiqueinstable
pendantl’usinage.Ainsi,uneprocédureamélioréenumériqueestdéveloppéepourlechoix
desconditionsdecoupesansbroutagetoutentenantcompteduchangementdeladynamique
delapiècelelongduparcoursd’outilenutilisantl’analyseparélémentsfinis.
Afin de réaliser le système développé, MATLAB est utilisé comme le langage de program-
mation.Lamodélisationgéométriqueetlaprogrammationdesprogrammesdecommande
prismatiquesestfaiteavecCATIA.Laplate-formed’acquisitiondedonnéespourlavalidation
expérimentale est conçue dans LabVIEW. La modélisation et l’analyse par éléments finis
estfaiteaveclaconceptionparamétriqued’ANSYS(APDL).Lesystèmedéveloppéesttrès
attrayantpourlesapplicationsindustriellesparuneintégrationdirectedanslessystèmesexis-
tantsCAO/FAOet/oudanslesmachines-outilsmodernes.L’augmentationdelaproductivité
globaleestassuréeparlasélectionoptimaledesconditionsdecoupeet/oudesparcoursde
l’outiletl’évitementsimultanédesrépercussionsdeleurmauvaisesélection.
Mots-clés:conceptionetproductionassistéeparordinateur,piècesprismatiques,fraisage
depoche,optimisationdefraisageàgrandevitesse,algorithmegénétique,dynamiquede
machines-outils,modélisationparélémentsfinis,détectionetcontrôleonlinedebroutage
ix