Development of an improved and generalized model for predicting the morphology of the machined surface in milling operations

The submitted thesis was aimed at developing a generic surface morphology prediction model suitable for milling operations. A preliminary activity was focused on a critical review of the scientific literature. The literature analysis was oriented to the definition of the main parameters/phenomena affecting the surface morphology in milling and to the limitations of the existing modelling approaches. Starting from the main drawbacks of the already developed methodologies, an enhanced version of a surface morphology prediction model was developed, implemented and validated. The model was structured in order to take into account the main cutting parameters, the geometry of the tool and the vibrations that can affect the machine during cutting. The model was conceived for being fed by both nominal quantities (in terms of cutting parameters or tool geometry) or, as alternative, data gathered from a real machine (i.e. machine vibrations) or obtained from a specifically devised experimental procedure for the characterization of the real tool geometry. The main relevant improvements introduced in this work can be therefore summarized as follows: • The model is suitable for predicting the surface morphology of a generic milling operations (face milling or contouring milling) • The real cutting-edge profiles can be considered (including run-out, tool wear, tool chipping, etc.). • A complex vibrational behavior of the tool is considered. Indeed, the bending deflection of the tool can be taken into account during simulations. In order to validate the developed model, an extensive experimental milling campaign was designed and executed. More in details, a specific experimental set-up was adequately devised for the model validation purposes. In order to ease the comparison between experiments and simulation results, the processed surfaces were scanned with a white light interferometer. The comparison between the characterized surfaces and the corresponding simulated ones was firstly done graphically. Digital image analysis tools (i.e. 2D Fourier Transform and the Gray Level Co-Occurrence Matrix (GLCM) methodology) were also used to strengthen the comparison. The performed analysis confirmed excellent results in terms of matching between real and simulated surfaces in all the tested conditions.

Il seguente lavoro di tesi è finalizzata a presentare l’implementazione di un modello di previsione di morfologia superficiale in una lavorazione di fresatura. In principio è stata eseguita un’attività preliminare di studio sulla letteratura scientifica. L’analisi letteraria ha permesso di definire i parametri ed i fenomeni tecnologici che maggiormente influenzano la morfologia superficiale durante le lavorazioni di fresatura e di determinare uno stato dell’arte relativo ai modelli previsionali già esistenti. Partendo dai punti deboli dei modelli tutt’ora esistenti, un innovativo sistema di previsione della morfologia superficiale è stato sviluppato, implementato ed infine convalidato. Il modello di previsione superficiale è strutturato in modo da considerare i principali parametri di processo, la geometria di ogni singolo inserto dell’utensile considerato e le vibrazioni generate durante la fase di lavorazione. Il modello è stato concepito per essere alimentato sia da quantità nominali (in termini di parametri di taglio o geometria dell'utensile) o, in alternativa, da dati raccolti da una reale macchina utensile (ovvero vibrazioni registrate in macchina) o ottenuti da una procedura sperimentale appositamente studiata per la caratterizzazione della geometria reale dell'utensile. I principali miglioramenti introdotti in questo lavoro possono quindi essere riassunti come segue: • Il modello è adatto per predire la morfologia superficiale di operazioni generiche di fresatura (fresatura frontale o fresatura in contornatura); • Vi è l’utilizzo dei reali profili di taglio di ogni inserto dell’utensile utilizzato (includendo run-out, usura dell’utensile, inserto scheggiato, etc.); • Viene considerato un complesso comportamento vibrazionale dell’utensile. Questo ci permette di introdurre nel modello di previsione la flessione posseduta dall’utensile durante la fase di taglio; Al fine di convalidare il modello sviluppato, è stata progettata ed eseguita un'ampia campagna sperimentale di fresatura. Più nel dettaglio, uno specifico set-up sperimentale è stato adeguatamente concepito per la validazione del modello. Per facilitare il confronto tra i campioni sperimentali ed i risultati di simulazione, le superfici prodotte sono state scansionate con un interferometro a luce bianca. Il confronto tra le superfici caratterizzate e quelle simulate ha avuto, in primo luogo, un approccio grafico. Per rafforzare il confronto sono stati anche utilizzati strumenti di analisi di immagini digitali (ad esempio la Trasformazione di Fourier 2D e la metodologia Gray Level Co-Occurrence Matrix (GLCM)). L'analisi eseguita ha confermato risultati eccellenti in termini di corrispondenza tra superfici reali e simulate in tutte le condizioni testate.