Correlation of attracting sets of tool deformations with spatial orientation of tool elasticity and regeneration of cutting forces in turning

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Nowadays, the dynamic cutting system is represented in the form of two subsystems — tool and workpiece, interacting through a nonlinear relationship formed by the cutting process. Such a representation determines the importance of studying the dynamics of the cutting process as the main factor influencing the efficiency of machines, the trajectories of the executive elements of which are set by CNC and are provided with high accuracy. However, in order to improve the efficiency of cutting, it is necessary to align the trajectories of the executive elements are defined by CNC with the changing dynamics of cutting, which introduces deviations in the program-defined trajectories. Purpose of this article is to consider the dependence of the dynamics of the cutting process on the spatial orientation of the cutting tool elasticity and the regenerative effect, and to find out the effect of the proposed dependence on the efficiency of the cutting process. All the issues discussed in the article are analyzed using the example of external shaft turning. Methods. The study is based on the methods of mathematical modeling and experimental dynamics. In contrast to the known studies, the dependence of the turnover lag time on the oscillatory displacements in the direction of the cutting speed, as well as the influence of the positive feedback formed in this case, is taken into account. In addition, changes in the sign of the internal feedback from the direction of deformations, as well as the influence of the regenerative effect on the generated attracting sets of deformations are taken into account. Results. Dependence of the system evolution on the elements of the stiffness matrix at different spindle speeds is disclosed. The properties of the system evolution depending on the ratio of the spindle rotation frequency and the eigenfrequencies of the tool subsystem, as well as the spatial distribution of the stiffness are studied. Conclusion. The frequency and time characteristics of the system are discussed. Conclusion is made about the possibility of efficiency increasing of the cutting process based on the coordination of the CNC program with the dynamic properties of the system.

About the authors

Vilor Lavrentevich Zakovorotny

Don State Technical University

pl. Gagarina, 1, Rostov-on-Don, Rostov region, 344010

V. E. Gvindjiliya

Don State Technical University

pl. Gagarina, 1, Rostov-on-Don, Rostov region, 344010

References

  1. Кудинов В. А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. 359 с.
  2. Hahn R. S. On the theory of regenerative chatter in precision-grinding operations // Transactions of American Society of Mechanical Engineers. 1954. Vol. 76. P. 593-597.
  3. Tobias S. A., Fishwick W. Theory of regenerative machine tool chatter // The Engineer. 1958. Vol. 205, no. 7. P. 199-203.
  4. Tobias S. A. Machine Tool Vibrations. London: Blackie, 1965. 351 p.
  5. Tlusty J., Polacek M., Danek O., Spacek L. Selbsterregte Schwingungen an Werkzeugmaschinen. Berlin: Verlag Technik, 1962. 431 s.
  6. Tlusty J., Ismail F. Basic non-linearity in machining chatter // CIRP Annals. 1981. Vol. 30, no. 1. P. 299-304. doi: 10.1016/S0007-8506(07)60946-9.
  7. Merritt H. E. Theory of self-excited machine-tool chatter: Contribution to machine-tool chatter research // ASME Journal of Engineering. 1965. Vol. 87, no. 4. P. 447-454. doi: 10.1115/1.3670861.
  8. Altintas Y., Budak E. Analytical prediction of stability lobes in milling // CIRP Annals. 1995. Vol. 44, no. 1. P. 357-362. doi: 10.1016/S0007-8506(07)62342-7.
  9. Эльясберг М. Е. Автоколебания металлорежущих станков: Теория и практика. СПб.: Особое КБ станкостроения, 1993. 180 c.
  10. Заковоротный В. Л., Фам Д. Т., Быкадор В. С. Самоорганизация и бифуркации динамической системы обработки металлов резанием // Известия вузов. ПНД. 2014. Т. 22, № 3. С. 26-39. doi: 10.18500/0869-6632-2014-22-3-26-39.
  11. Заковоротный В. Л., Губанова А. А., Лукьянов А. Д. Использование синергетической концепции для изучения устойчивости формообразующих траекторий попутного фрезерования // СТИН. 2016. № 4. С. 32-40.
  12. Заковоротный В. Л., Губанова А. А., Лукьянов А. Д. Условия параметрического самовозбуждения динамической системы фрезерования концевыми фрезами // СТИН. 2016. № 6. С. 10-16.
  13. Заковоротный В. Л., Гвинджилия В. Е. Анализ влияния биений шпиндельной группы токарного станка на траектории деформационных смещений инструмента // СТИН. 2018. № 2. С. 11-20.
  14. Заковоротный В. Л., Гвинджилия В. Е. Связь самоорганизации динамической системы резания с изнашиванием инструмента // Известия вузов. ПНД. 2020. Т. 28, № 1. С. 46-61. doi: 10.18500/0869-6632-2020-28-1-46-61.
  15. Вейц В. Л., Васильков Д. В. Задачи динамики, моделирования и обеспечения качества при механической обработке маложестких заготовок // СТИН. 1999. № 6. С. 9-13.
  16. Заковоротный В. Л., Флек М. Б. Динамика процесса резания. Синергетический подход. Ростов-на-Дону: Терра, 2006. 876 с.
  17. Понтрягин Л. С. Избранные труды Л.С. Понтрягина. М.: МАКС Пресс, 2004. 551 с.
  18. Тихонов А. Н. Системы дифференциальных уравнений, содержащие малые параметры при производных // Математический сборник. 1952. Т. 31(73), № 3. C. 575-586.
  19. Lipski J., Litak G., Rusinek R., Szabelski K., Teter A., Warminski J., Zaleski K. Surface quality of a work material influence on vibrations in a cutting process // Journal of Sound and Vibration. 2002. Vol. 252. P. 729-737. doi: 10.1006/jsvi.2001.3943.
  20. Городецкий Ю. И. Теория нелинейных колебаний и динамика станков // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия: Математическое моделирование и оптимальное управление. 2001. № 2. С. 69-88.
  21. Balachandran B. Nonlinear dynamics of milling processes // Phil. Trans. R. Soc. A. 2001. Vol. 359, no. 1781. P. 793-819. doi: 10.1098/rsta.2000.0755.
  22. Litak G., Rusinek R. Dynamics of a stainless steel turning process by statistical and recurrence analyses // Meccanica. 2012. Vol. 47, no. 6. P. 1517-1526. doi: 10.1007/s11012-011-9534-x.
  23. Gouskov A. M., Voronov S. A., Paris H., Batzer S. A. Nonlinear dynamics of a machining system with two interdependent delays // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 2002. Vol. 7, no. 4. P. 207-221. doi: 10.1016/S1007-5704(02)00014-X.
  24. Воронов С. А., Иванов И. И., Киселев И. А. Исследование процесса фрезерования на основе редуцированной динамической модели инструмента // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2015. № 1. С. 62-71.
  25. Zakovorotnyi V. L., Lukyanov A. D., Gubanova A. A., Khristoforova V. V. Bifurcation of stationary manifolds formed in the neighborhood of the equilibrium in a dynamic system of cutting // Journal of Sound and Vibration. 2016. Vol. 368. P. 174-190. doi: 10.1016/j.jsv.2016.01.020.
  26. Litak G. Chaotic vibrations in a regenerative cutting process // Chaos, Solitons & Fractals. 2002. Vol. 13, no. 7. P. 1531-1535. doi: 10.1016/S0960-0779(01)00176-X.
  27. Namachchivaya N. S., Beddini R. Spindle speed variation for the suppression of regenerative chatter // Journal of Nonlinear Science. 2003. Vol. 13, no. 3. P. 265-288. doi: 10.1007/s00332-003-0518-4.
  28. Wahi P., Chatterjee A. Self-interrupted regenerative metal cutting in turning // International Journal of Non-Linear Mechanics. 2008. Vol. 43, no. 2. P. 111-123. doi: 10.1016/j.ijnonlinmec.2007.10.010.
  29. Warminski J., Litak G., Lipski J., Wiercigroch M., Cartmell M. ´ Vibrations in regenerative cutting process synthesis of nonlinear dynamical systems // Solid Mechanics and its Applications. 2000. Vol. 73. P. 275-283.
  30. Stepan G., Szalai R., Insperger T. Nonlinear dynamics of high-speed milling subjected to regenerative effect // In: Radons G., Neugebauer R. (eds) Nonlinear Dynamics of Production Systems. Hoboken, New Jersey: Wiley, 2004. P. 111-128. doi: 10.1002/3527602585.ch7.
  31. Stepan G., Insperger T., Szalai R. Delay, parametric excitation, and the nonlinear dynamics of cutting processes // International Journal of Bifurcation and Chaos. 2005. Vol. 15, no. 9. P. 2783-2798. doi: 10.1142/S0218127405013642.
  32. Stepan G. Modelling nonlinear regenerative effects in metal cutting // Phil. Trans. R. Soc. A. 2001. Vol. 359, no. 1781. P. 739-757. doi: 10.1098/rsta.2000.0753.
  33. Moradi H., Bakhtiari-Nejad F., Movahhedy M. R., Ahmadian M. T. Nonlinear behaviour of the regenerative chatter in turning process with a worn tool: Forced oscillation and stability analysis // Mechanism and Machine Theory. 2010. Vol. 45, no. 8. P. 1050-1066. doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2010.03.014.
  34. Гуськов М., Динь Д. Т., Пановко Г., Гуськов А. Г. Моделирование и исследование устойчивости процесса многорезцового резания «по следу» // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2018. № 4. С. 19-27. doi: 10.31857/S023571190000533-7.
  35. Лапшин В. П. Влияние скорости резания металлов на регенерацию вибрационных колебаний инструмента в станках токарной группы // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2020. Т. 22, № 1. С. 65-79. doi: 10.17212/1994-6309-2020-22.1-65-79.
  36. Reith M. J., Bachrathy M., Stepan G. Improving the stability of multi-cutter turning with detuned dynamics // Machining Science and Technology. 2016. Vol. 20, no. 3. P. 440-459. doi: 10.1080/10910344.2016.1191029.
  37. Brissaud D., Gouskov A., Guibert N., Rech J. Influence of the ploughing effect on the dynamic behaviour of the self-vibratory drilling head // CIRP Annals. 2008. Vol. 57, no. 1. P. 385-388. doi: 10.1016/j.cirp.2008.03.101.
  38. Gouskov A., Gouskov M., Lorong P., Panovko G. Influence of flank face on the condition of chatter self-excitation during turning // International Journal of Machining and Machinability of Materials. 2017. Vol. 19, no. 1. P. 17-40. doi: 10.1504/IJMMM.2017.081186.
  39. Rusinek R., Wiercigroch M., Wahi P. Influence of tool flank forces on complex dynamics of cutting process // International Journal of Bifurcation and Chaos. 2014. Vol. 24, no. 9. P. 1450115. doi: 10.1142/S0218127414501156.
  40. Rusinek R., Wiercigroch M., Wahi P. Modelling of frictional chatter in metal cutting // International Journal of Mechanical Sciences. 2014. Vol. 89. P. 167-176. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2014.08.020.
  41. Grabec I. Chaos generated by the cutting process // Phys. Lett. A. 1986. Vol. 117, no. 8. P. 384-386. doi: 10.1016/0375-9601(86)90003-4.
  42. Wiercigroch M., Budak E. Sources of nonlinearities, chatter generation and suppression in metal cutting // Phil. Trans. R. Soc. A. 2001. Vol. 359, no. 1781. P. 663-693. doi: 10.1098/rsta.2000.0750.
  43. Wiercigroch M., Krivtsov A. M. Frictional chatter in orthogonal metal cutting // Phil. Trans. R. Soc. A. 2001. Vol. 359, no. 1781. P. 713-738. doi: 10.1098/rsta.2000.0752.
  44. Masoumi F., Pellicano F., Samani F. S., Barbieri M. Symmetry breaking and chaos-induced imbalance in planetary gears // Nonlinear Dynamics. 2015. Vol. 80, no. 1-2. P. 561-582. doi: 10.1007/s11071-014-1890-3.
  45. Заковоротный В. Л., Гвинджилия В. Е. Влияние флуктуаций на устойчивость формообразующих траекторий при точении // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2017. № 2(194). С. 52-61. doi: 10.17213/0321-2653-2017-2-52-61.
  46. Заковоротный В. Л., Гвинджилия В. Е. Влияние вибраций на траектории формообразующих движений инструмента при точении // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2019. Т. 21, № 3. С. 42-58. doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.3-42-58.
  47. Заковоротный В. Л., Гвинджилия В. Е. Синергетическая концепция при программном управлении процессами обработки на металлорежущих станках // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021. № 5(734). С. 24-36. doi: 10.18698/0536-1044-2021-5-24-36.
  48. Ляпунов А. М. Общая задача об устойчивости движения. М.: Гостехиздат, 1950. 472 с.
  49. Заковоротный В. Л., Фам Т. Х. Параметрическое самовозбуждение динамической системы резания // Вестник Донского государственного технического университета. 2013. Т. 13, № 5-6 (74). С. 97-103. doi: 10.12737/1286.
  50. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. 768 с.
  51. Заковоротный В. Л., Фам Д. Т., Нгуен С. Т. Моделирование деформационных смещений инструмента относительно заготовки при точении // Вестник Донского государственного технического университета. 2010. Т. 10, № 7(50). С. 1005-1015.
  52. Рыжкин А. А. Синергетика изнашивания инструментальных материалов при лезвийной обработке. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2019. 289 с.
  53. Пуш А. В. Шпиндельные узлы: Качество и надежность. М.: Машиностроение, 1992. 288 с.
  54. Хусу А. П., Витенберг Ю. Р., Пальмов В. А. Шероховатость поверхностей. Теоретико-вероятностный подход. М.: Наука, 1975. 344 с.
  55. Заковоротный В. Л., Флек М. Б., Лукьянов А. Д., Волошин Д. А. Моделирование процесса изнашивания инструмента с помощью интегральных операторов // СТИН. 2004. № 3. С. 9-14.
  56. Zakovorotny V. L., Gvindjiliya V. E. Self-organization and evolution in dynamic friction systems // Journal of Vibroengineering. 2021. Vol. 23, no. 6. P. 1418-1432. doi: 10.21595/jve.2021.22033.
  57. Altintas Y., Kersting P., Biermann D., Budak E., Denkena B., Lazoglu I. Virtual process systems for part machining operations // CIRP Annals. 2014. Vol. 63, no. 2. P. 585-605. doi: 10.1016/j.cirp.2014.05.007.
  58. Kilic Z. M., Altintas Y. Generalized mechanics and dynamics of metal cutting operations for unified simulations // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2016. Vol. 104. P. 1-13. doi: 10.1016/j.ijmachtools.2016.01.006.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies