Prediction of cutting forces in milling processes using acquired machine tool data for generation of digital twins

Abstract

This project aims to improve the speed and effectiveness of workpiece quality assurance in milling processes, specifically in assuring that the final machined workpiece conforms to its defined tolerances. To this end, the \textbf{company} product software creates a digital twin of the machined workpiece by acquiring process signals during machining, then performing a cutting simulation, where the rotating milling cutter advances along the nominal toolpath, removing material from the workpiece when these geometries intersect. The \textbf{company} software is then able to create a 3D geometry colored by the deviations of the resulting simulated workpiece from the nominal desired product geometry. During milling, the forces needed to cut the metal workpieces are considerably high, which can cause the cutting tool to bend and deflect. This project presents an improvement of the \textbf{company} digital twin generation by predicting the process forces felt by the cutting tool when removing material from the workpiece, then simulating the deflection of the cutting tool along the toolpath. To do this, the acquired signals need to be thoroughly and properly filtered, as their quality and reliability can vary significantly. The process of choosing a proper filter for the architecture is thoroughly described, based on a mixed quantitative and qualitative analysis. Subsequently, a deeper tool contact with the workpiece simulation is developed. The result of this simulation allows for the calculation of more significant properties of the corresponding cutting force. The use this improved simulation augments the overall fidelity of the simulation, creating a digital twin that better represents its real counterpart, as well as generating profound information about the physical process that cannot be, or is difficult to acquire.

Este projeto tem como objetivo melhorar a velocidade e eficácia da garantia de qualidade de peças em processos de fresagem, especificamente, assegurando que a peça usinada final esteja dentro das tolerâncias definidas. Para isso, o software da empresa cria um gêmeo digital da peça usinada, adquirindo sinais do processo durante a usinagem e realizando uma simulação de corte, na qual a fresa rotativa avança ao longo da trajetória nominal da ferramenta, removendo material da peça quando essas geometrias se intersectam. O software da empresa é capaz, então, de criar uma geometria 3D colorida pelos desvios da peça simulada em relação à geometria nominal desejada. Durante a fresagem, as forças necessárias para cortar as peças são consideravelmente altas, o que pode fazer com que a ferramenta de corte se curve e se desvie. Este projeto apresenta uma melhoria na geração de gêmeos digitais da empresa, ao prever as forças de processo sentidas pela ferramenta de corte ao remover material da peça e, em seguida, simular a deflexão da ferramenta ao longo de sua trajetória nominal. Para isso, os sinais adquiridos precisam ser filtrados de maneira minuciosa e adequada, pois sua qualidade e confiabilidade podem variar significativamente. O processo de escolha de um filtro adequado para a arquitetura é descrito detalhadamente, com base em uma análise quantitativa e qualitativa combinada. Posteriormente, é desenvolvida uma simulação de contato da ferramenta com a peça. O resultado dessa simulação permite o cálculo de propriedades mais significativas da força de corte correspondente. O uso desta simulação aprimorada aumenta a fidelidade geral da simulação, criando um gêmeo digital que representa melhor sua contraparte real, além de gerar informações detalhadas sobre o processo físico que não podem ser adquiridas ou são difíceis de serem obtidas.