The Influence of the Vibration on the Tool Shape-Generating Trajectories when Turning

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Vibrations always accompany the cutting process and affect the quality parameters of the parts and the state of the cutting process is estimated by the intensity of tool wear. Vibrations, generated by the machine itself (spindle group beats, kinematic perturbations, variations of the allowance, etc.), as well as specially controlled vibrations, introduced into the cutting zone to improve the quality of parts manufacturing, are considered in the paper. The trajectories of shape-generating movements depend on the trajectories of the executive elements of the machine, additional vibrations and elastic deformation displacements of the tool relative to the workpiece are changed by the vibrations. The trajectories of shape-generating movements are the main factor in the formation of the geometric topology of the part surface in the unity of geometric accuracy, waviness and surface roughness. However, to date, there is no consensus about the influence of vibrations on the quality parameters of the part. Method of research. The influence of vibrations on the trajectory of shape-generating movements of the tool tip relative to the workpiece is considered on the basis of mathematical modeling of the dynamic cutting system in the paper as the main factor determining the geometric topology of the part. In contrast to the well-known works, first, the dynamic link parameters are provided in the state coordinates. Secondly, the machines influence of the vibration perturbances on dynamic properties (for instance stabiliti) and machining result (primly geometric topology) is considered. Results and discussion. The simulation results, revealing the effects of nonlinear dynamics, which can cause both improvement and deterioration of the parameters of geometric topology, are presented. These effects appear in the formation of a dynamic constant component of deformation displacements, in the formation of the various attracting sets of deformation displacements along the trajectory and its bifurcations. The ways of improving the quality of the surface formed by the cutting process taking into account agreement of the input and (or) existing naturally external perturbations with the properties of the dynamic system and CNC-controlled trajectories of the executive elements of the machine are outlined. The aim of the research is to improve the efficiency of the process in terms of the quality of parts manufacturing. It can also be used to dynamically monitor state of the process during machining, such as tool wear.

About the authors

V. Zakovorotny

Email: vzakovorotny@dstu.edu.ru
Doctor of Technical Sciences, Professor, Don State Technical University, 1 Gagarin square, Rostov-on-Don, 344000, Russian Federation, vzakovorotny@dstu.edu.ru

V. Gvindjiliya

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

References

  1. Кудинов В.А. Динамика станков. – М.: Машиностроение, 1967. – 359 c.
  2. Tlusty I., Ismail F. Basic non-linearity in machining chatter // CIRP Annals. – 1981. – Vol. 30. – P. 299–304. – doi: 10.1016/S0007-8506(07)60946-9.
  3. Тлустый И. Автоколебания в металлорежущих станках: пер. с чеш. – M.: Машгиз, 1956. – 395 с.
  4. Tobias S.A. Machine tool vibrations. – London: Blackie, 1965. – doi: 10.1049/tpe:19640084.
  5. Меррит Д. Теория автоколебаний металлорежущих станков // Конструирование и технология машиностроения. – 1965. – № 4. – C. 32–38.
  6. Hahn R.S. On the theory of regenerative chatter in precision grinding operation // Transactions of American Society of Mechanical Engineers. – 1954. – Vol. 76. – P. 593–597.
  7. 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.
  8. Litak G. Chaotic vibrations in a regenerative cutting process // Chaos Solitons & Fractals. – 2002. – Vol. 13. – P. 1531–1535. – doi: 10.1016/S0960-0779(01)00176-X.
  9. Litak G., Rusinek R. Dynamics of a stainless steel turning process by statistical and recurrence analyses // Mechanic. – 2012. – Vol. 47 (6). – P. 1517–1526. – doi: 10.1007/s11012-011-9534-x.
  10. Воронов С.А., Непочатов А.В., Киселев И.А. Критерии оценки устойчивости процесса фрезерования нежестких деталей // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2011. – № 1. – С. 50–62.
  11. Городецкий Ю.И. Теория нелинейных колебаний и динамика станков // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Математическое моделирование и оптимальное управление. – 2001. – № 2. – С. 69–88.
  12. Namachchivaya N.S., Beddini R. Spindle speed variation for the suppression of regenerative chatter // Journal of Nonlinear Science. – 2003. – Vol. 13. – P. 265–288.
  13. Wahi P., Chatterjee A. Self-interrupted regenerative metal cutting in turning // Journal of Non-Linear Mechanics. – 2008. – Vol. 43. – P. 111–123. – doi: 10.1016/j.ijnonlinmec.2007.10.010.
  14. Chaotic vibrations in regenerative cutting process / J. Warminski, G. Litak, J. Lipski, M. Wiercigroch, M.P. Cartmell // IUTAM/IFToMM Symposium on Synthesis of Nonlinear Dynamical Systems. – 2000. – Vol. 73. – P. 275–284.
  15. Stepan G., Szalai R. Insperger T. Nonlinear dynamics of high-speed milling subjected to regenerative e?ect // Nonlinear dynamics of production systems. – Weinheim: Wiley-VCH, 2004. – P. 111–127.
  16. 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.2000.0753.
  17. 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. – P. 207–221. – doi: 10.1016/s1007-5704(02)00014-x.
  18. Воронов С.А., Киселев И.А. Нелинейные задачи динамики процессов резания // Машиностроение и инженерное образование. – 2017. – № 2 (51). – С. 9–23.
  19. 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.
  20. Rusinez 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, N 9. – P. 1450115. – doi: 10.1142/S0218127414501156.
  21. Rusinek R., Wiercigroch M., Wahi P. Modeling 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.
  22. 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.
  23. Surface quality of a work material’;s in?uence on the vibrations of the cutting process / J. Lipski, G. Litak, R. Rusinek, K. Szabelski, A. Teter, J. Warminski, K. Zaleski // Journal of Sound and Vibration. – 2002. – Vol. 252. – P. 737–739. – doi: 10.1006/jsvi.2001.3943.
  24. Wiercigroch M., Budak E. Sources of nonlinearities, chatter generation and suppression in metal cutting // Philosophical Transactions of The Royal Society A: Mathematical Physical and Engineering Sciences. – 2001. – N 359. – P. 663–693. – doi: 10.1098/rsta.2000.0750.
  25. Wiercigroch M. Krivtsov A.M. Frictional chatter in orthogonal metal cutting // Philosophical Transactions of The Royal Society A: Mathematical Physical and Engineering Sciences. – 2001. – Vol. 359. – P. 713–738. – doi: 10.1098/rsta.2000.0752.
  26. 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.
  27. Воронин А.А. Влияние ультразвуковых колебаний на процесс резания жаропрочных сплавов // Станки и инструмент. – 1960. – № 11. – С. 15–18.
  28. Марков А.И. Оптимизация и управление процессом ультразвукового резания // Вестник машиностроения. – 1996. – № 10. – С. 19–22.
  29. Ткаченко И.Г., Агапов С.И. Определение оптимальной амплитуды и направления ультразвуковых колебаний при зубодолблении мелкомодульных зубчатых колес // Вестник машиностроения. – 2010. – № 2. – С. 48–50.
  30. Агапов С.И. Стойкостные исследования процесса зубофрезерования мелкомодульных зубчатых колес с введением в зону резания ультразвуковых колебаний // Вестник машиностроения. – 2008. – № 4. – С. 66–68.
  31. Асташев В.К. Влияние ультразвуковых колебаний резца на процесс резания // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 1992. – № 3. – С. 81–86.
  32. Кумабэ Д. Вибрационное резание / пер. с яп. С.Л. Масенникова; под ред. И.И. Портнова, В.В. Белова. – М.: Машиностроение, 1985. – 424 с.
  33. Astashev V.K., Babitsky V.I. Ultrasonic cutting as a nonlinear (vibro-impact) process // Ultrasonics. – 1998. – Vol. 36. – Р. 89–96. – doi: 10.1016/S0041-624X(97)00101-7.
  34. Асташев В.К., Андрианов Н.А., Крупенин В.Л. Об авторезонансном ультразвуковом резании материалов // Вестник научно-технического развития. – 2017. – № 1 (113). – С. 3–10.
  35. Zakovorotny V.L., Gvindzhiliya V.E. Dynamic influence of spindle wobble in a lathe on the workpiece geometry // Russian Engineering Research. – 2018. – Vol. 38, N 9. – P. 723–725. – doi: 10.3103/S1068798X18090307.
  36. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Бифуркации притягивающих множеств деформационных смещений режущего инструмента в зависимости от биений шпиндельной группы // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. – 2017. – Т. 25, № 6. – С. 38–56. – doi: 10.18500/0869-6632-2017-25-6-38-56.
  37. Zakovorotny V.L., Gvindzhiliya V.E. Influence of spindle wobble in a lathe on the tool's deformational-displacement trajectory // Russian Engineering Research. – 2018. – Vol. 38, N 8. – P. 623–631. – doi: 10.3103/S1068798X1808018X.
  38. Zakovorotny V.L., Gvindzhiliya V.E. Influence of Spindle Wobble in Turning on the Workpiece’;s Surface Topology // Russian Engineering Research. 2018. Vol. 38. N 10. P. 818–823. doi: 10.3103/S1068798X18100192
  39. Заковоротный В.Л., Фам Д.Т., Нгуен С.Т. Моделирование и идентификация инерционных и диссипативных свойств подсистем режущего инструмента и заготовки при точении // Вестник Донского государственного технического университета. – 2010. – Т. 10, № 8 (51). – С. 1165–1178.
  40. Николас Г, Пригожин И. Познание сложного. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – C. 97–171. – ISBN 5-03-001582-5.
  41. Nonlinear dynamics of chaotic and stochastic systems: tutorial and modern developments / V.S. Anishchenko, V.V. Astakhov, A.B. Neiman, T. Vadivasova, L. Schimansky-Geier // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. – 2001. – Т. 9, N 6. – C. 201–203.
  42. Заковоротный В.Л., Бордачев Е.В. Информационное обеспечение системы динамической диагностики износа режущего инструмента на примере токарной обработки // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 1995. – № 3. – С. 95–103.

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».