Evaluation of the influence of the reaction rate of the thermodynamic subsystem on the dynamics of the cutting process in metalworking

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Modern metalworking machines with CNC, allow to achieve a qualitatively new level of metal processing by cutting in metal turning. At the same time, it is possible to achieve the required shape, dimensional accuracy, as well as the relative position of the surfaces of the part, but such an indicator of the processing quality as the roughness of the treated surface, associated with the vibration activity of the tool, does not always meet the specified requirements. The factor determining the vibration mode of cutting in a metal-cutting lathe is the self-excitation factor of the cutting system, which is caused by additional feedbacks formed during the cutting process, one of which is the thermodynamic subsystem of the cutting system, which is the subject of research. Purpose of the work: due to the formation of a consistent model of the relationship between the subsystems that describe the force, heat and vibration reactions of the tool, an adequate description of the mechanism for reducing the vibration load on the cutting process is obtained. The paper studies the process of metal turning on metal-cutting machines with a detailed description of the interaction between the thermodynamic, power and vibration subsystems of the cutting system. Research methods: full-scale and numerical experiments in which the Matlab package of mathematical programs is used for data processing and analysis. Results and discussion. The results of full-scale and numerical experiments are presented, in particular, graphs of coordinate changes describing tool deformation, and data sets are obtained that reflect the dependence of the vibrational energy of tool movements on the reaction time of the thermodynamic subsystem of the cutting system. A qualitative assessment of the results of a full-scale experiment allows us to confirm the adequacy of both the model itself and the results of its modeling. The scope of application of the results obtained in the study is related to the possibility of preliminary preparation of the cutting wedge, which will provide a set value of the time constant of the thermodynamic subsystem, which in turn ensures the minimization of vibration energy. Conclusion: the mathematical model proposed in this paper adequately describes the mechanism of temperature influence on the vibration load of the turning process.

About the authors

V. P. Lapshin

Email: Lapshin1917@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Don State Technical University, 1 Gagarin square, Rostov-on-Don, 344000, Russian Federation, Lapshin1917@yandex.ru

R. V. Rusanovsky

Email: zames161@yandex.ru
Don State Technical University, 1 Gagarin square, Rostov-on-Don, 344000, Russian Federation, zames161@yandex.ru

I. A. Turkin

Email: tur805@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Don State Technical University, 1 Gagarin square, Rostov-on-Don, 344000, Russian Federation, tur805@mail.ru

References

  1. Grabec I. Chaos generated by the cutting process // Physics Letter A. – 1986. – Vol. 117, N 8. – P. 384–386. – doi: 10.1016/0375-9601(86)90003-4.
  2. Лапшин В.П., Тюняев Р.А., Христофорова В.В. Оценка влияния скорости подачи, на равновесные режимы привода обеспечивающего фрезерование заготовки переменной толщины // Динамика технических систем, ДТС-2015: ХII международная научно-техническая конференция. – Ростов н/Д., 2016. – С. 180–184.
  3. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. – М.: Машиностроение, 1990. – 288 с.
  4. Рыжкин А.А. Теплофизические процессы при изнашивании инструментальных режущих материалов. – Ростов н/Д.: Изд. центр ДГТУ, 2005. – 311 с. – ISBN 5-7890-0348-6.
  5. Tool wear detection and fault diagnosis based on cutting force monitoring / S.N. Huang, K.K. Tan, Y.S. Wong, C.W. De Silva, H.L. Goh, W.W. Tan // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2007. – Vol. 47, iss. 3–4. – P. 444–451.
  6. Tool condition monitoring in turning using statistical parameters of vibration signal / H. Arslan, A.O. Er, S. Orhan, E. Aslan // International Journal of Acoustics and Vibration. – 2016. – Vol. 21, iss. 4. – P. 371–378.
  7. Alonso F.J., Salgado D.R. Application of singular spectrum analysis to tool wear detection using sound signals // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. – 2005. – Vol. 219 (9). – P. 703–710.
  8. Dimla Sr D.E., Lister P.M. On-line metal cutting tool condition monitoring. I: force and vibration analyses // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2000. – Vol. 40 (5). – P. 739–768. – doi: 10.1016/S0890-6955(99)00084-X.
  9. Tool wear evaluation by vibration analysis during end milling of AISI D3 cold work tool steel with 35 HRC hardness / S. Orhan, A.O. Er, N. Camuscu, E. Aslan // NDT & E International. – 2007. – Vol. 40 (2). – P. 121–126.
  10. Tobias S.A. Vibraciones en máquinas-herramientas. – Bilboa, Spain: Ediciones Urmo, 1961.
  11. Sri Namachchivaya, Beddini. Spindle speed variation for the suppression of regenerative chatter // Journal of Nonlinear Science. – 2003. – Vol. 13, N 3. – P. 265–288. – doi: 10.1007/s00332-003-0518-4.
  12. Wahi P., Chatterjee A. Regenerative tool chatter near a codimension 2 Hopf point using multiple scales // Nonlinear Dynamics. – 2005. – Vol. 40, N 4. – P. 323–338.
  13. Stépán G., Insperger T., Szalai R. Delay, parametric excitation, and the nonlinear dynamics of cutting processes // International Journal of Bifurcation and Chaos. – 2005. – Vol. 15, N 09. – P. 2783–2798. – doi: 10.1142/S0218127405013642.
  14. Nonlinear behaviour of the regenerative chatter in turning process with a worn tool: forced oscillation and stability analysis / H. Moradi, F. Bakhtiari-Nejad, M.R. Movahhedy, M.T. Ahmadian // Mechanism and Machine Theory. – 2010. – Vol. 45, N 8. – P. 1050–1066. – doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2010.03.014.
  15. Nonlinear dynamics of a machining system with two interdependent delays / A.M. Gouskov, S.A. Voronov, H. Paris, S.A. Batzer // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. – 2002. – Vol. 7, N 4. – P. 207–221. – doi: 10.1016/S1007-5704(02)00014-X.
  16. Hahn R.S. On the theory of regenerative chatter in precision grinding operation // Transactions of American Society of Mechanical Engineers. – 1954. – Vol. 76. – P. 356–260.
  17. Tobias S.A., Fishwick W. Theory of regenerative machine tool chatter // The Engineer. – 1958. – Vol. 205, N 7. – P. 199–203.
  18. Merritt H.E. Theory of self-excited machine-tool chatter: contribution to machine-tool chatter research // Journal of Engineering for Industry. – 1965. – Vol. 87. – P. 447–454. – doi: 10.1115/1.3670861.
  19. Balachandran B. Nonlinear dynamics of milling process // Philosophical Transactions of The Royal Society A: Mathematical Physical and Engineering Sciences. – 2001. – Vol. 359 (1781). – P. 793–819.
  20. Stepan G. Modelling nonlinear regenerative e?ects in metal cutting // Philosophical Transactions of The Royal Society A: Mathematical Physical and Engineering Sciences. – 2001. – Vol. 359. – P. 739–757. – doi: 10.1098/rsta.2000.07537.
  21. Litak G. Chaotic vibrations in a regenerative cutting process // Chaos Solitons and Fractals. – 2002. – Vol. 13. – P. 1531–1535. – doi: 10.1016/S0960-0779(01)00176-X.
  22. Гуськов А.М., Воронов С.А., Квашнин А.С. Влияние крутильных колебаний на процесс вибросверления // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. – 2007. – № 1 (66). – С. 3–19.
  23. Васин С.А., Васин Л.А. Синергетический подход к описанию природы возникновения и развития автоколебаний при точении // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2012. – № 1. – С. 11–16.
  24. Воронин А.А. Влияние ультразвуковых колебаний на процесс резания жаропрочных сплавов // Станки и инструмент. – 1960. – № 11. – С. 15–18.
  25. Bifurcation of stationary manifolds formed in the neighborhood of the equilibrium in a dynamic system of cutting / V.L. Zakovorotny, A.D. Lukyanov, A.A. Gubanova, V.V. Khristoforova // Journal of Sound and Vibration. – 2016. – Vol. 368. – P. 174–190. – DOI: 10.1016/j. jsv.2016.01.020.
  26. Zakovorotny V.L., Lapshin V.P., Babenko T.S. Modeling of tool wear: irreversible energy transformations // Russian Engineering Research. – 2018. – Vol. 38, N 9. – P. 707–708.
  27. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. – Л.: Машиностроение, 1986. – 184 с.
  28. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. – М.: Машиностроение, 1968. – 367 с.
  29. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. – М.: Машиностроение, 1976. – 278 с.
  30. Заковоротный В.Л., Флек М.Б. Динамика процесса резания. Синергетический подход. – Ростов н/Д.: Терра, 2006. – 880 c. – ISBN 5-98254-055-2.
  31. Рыжкин А.А. Синергетика изнашивания инструментальных режущих материалов (трибоэлектрический аспект). – Ростов н/Д.: Изд. центр ДГТУ, 2004. – 323 с. – ISBN 5-7890-0307-9.
  32. Influence of the temperature in the tool–workpiece contact zone on the deformational dynamics in turning / V.P. Lapshin, I.A. Turkin, V.V. Khristoforova, T.S. Babenko // Russian Engineering Research. – 2020. – Vol. 40, N3. – P. 259–265.
  33. Бордачев Е.В., Лапшин В.П. Математическое моделирование температуры в зоне контакта инструмента и изделия при токарной обработке металлов // Вестник Донского государственного технического университета. – 2019. – Т. 19, № 2. – С. 130–137. – doi: 10.23047/1992-5980-2019-19-2-130-137.
  34. Лапшин В.П., Христофорова В.В., Носачев С.В. Взаимосвязь температуры и силы резания с износом и вибрациями инструмента при токарной обработке металлов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 3. – С. 44–58. – doi: 10.17212/1994-6309-2020-22.3-44-58.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».