The Dependence of Tool Wear and Quality Parameters of the Surface being Cut on Dynamic Characteristics

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. It is known that the wear and quality of the parts surface change during the cutting process. These changes depend on the dynamic cutting system. Studies are also known in the field of the dynamics of the cutting process, in which stability problems of various attractive sets of deformation displacements formed in the vicinity of the trajectories are considered. The bifurcations of attracting sets are analyzed, including those associated with the release of energy in the cutting zone. However, a study of the relationship between the evolutionary restructuring of the system and the output properties of the cutting process in the unity of the wear rate of the tools and the geometric surface topology formed by cutting is not performed. The provisions of evolutionary transformations of a dynamic cutting system for the case of analysis of the output characteristics of the cutting process are developed in the paper. The purpose of research is to disclose the relationship of the evolutionary adjustment of the dynamic cutting system with the tool wear resistance and a change in the geometric topology of the surface formed by cutting to ensure the required output processing characteristics. A method is proposed, and the results of studying changes in the wear rate, the amount of wear, and changes in the geometric topology of the surface formed by cutting depending on the initial technological conditions and the dynamic parameters of the system during evolutionary adjustment are presented. The research methods are: mathematical simulation of evolutionary transformations based on the representation of the dependence of the dynamic coupling parameters formed by the cutting process, in the form of its dependence on the power path of irreversible transformations at the interface nodes of the tool faces with the workpiece and the cutting zone. In this case, the conversion of power into the tool wear rate and the change in the geometric surface topology are considered. Results and discussion. Dependences of wear and surface geometry on the evolutionarily changing properties of a dynamic cutting system are disclosed. The task is to coordinate the designed trajectories with the internal evolutionally changing dynamics of the system to increase processing efficiency. The research results are promising especially for processing parts with complex geometric profiles, as well as parts whose stiffness matrices vary along the tool path.

About the authors

Z. L. Vilor

Email: vzakovorotny@dstu.edu.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Don State Technical University, 1 Gagarin square, Rostov-on-Don, 344000, Russian Federation, vzakovorotny@dstu.edu.ru

G. E. Valery

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

References

  1. Рыжкин А.А. Синергетика изнашивания инструментальных материалов при лезвийной обработке / Донской гос. техн. ун-т. – Ростов н/Д.: ДГТУ, 2019. – 289 с. – ISBN 978-5-7890-1669-5.
  2. Безъязычный В.Ф., Фоменко В.В., Непомилуев В.В. Исследование влияния технологических условий обработки точением режущим инструментом с износостойкими покрытиями на параметры качества поверхностного слоя деталей машин // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2017. – Т. 19, № 3. – С. 108–113.
  3. Васин С.А. Резание материалов: термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 447 с. – ISBN 5-7038-1823-0.
  4. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. – М.: Машиностроение, 1976. – 278 с.
  5. Зорев Н.Н. Влияние природы износа режущего инструмента на зависимость его стойкости от скорости резания // Вестник машиностроения. – 1965. – № 2. – С. 68–76.
  6. Козочкин М.П., Алленов Д.Г. Исследование влияния износа режущей кромки инструмента на деформации поверхностного слоя детали // Вестник МГТУ «Станкин». – 2015. – № 4 (35). – С. 22–29.
  7. Постнов В.В., Шафиков А.А. Разработка эволюционной модели изнашивания режущего инструмента для управления процессом обработки // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. – 2008. – Т. 11, № 2. – С. 139–145.
  8. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. – М.: Машиностроение, 2000. – 320 с.
  9. 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.
  10. Кудинов В.А. Динамика станков. – М.: Машиностроение, 1967. – 359 c.
  11. Tlusty I., Ismail F. Basic non-linearity in Machining Chatter // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 1981. – Vol. 30. – P. 299–304. – doi: 10.1016/S0007-8506(07)60946-9.
  12. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. – Л.: Машиностроение, 1987. – 184 с.
  13. 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. – Dordrecht; Boston: Kluwer Academic Publishers, 2000. – P. 275–284.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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. – Vol. 359 (1781). – P. 663–693. – doi: 10.1098/rsta.2000.0750.
  18. 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 (1781). – P. 713–738. – doi: 10.1098/rsta.2000.0752.
  19. 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.
  20. 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.
  21. Wang X., Feng C.X. Development of empirical models for surface roughness prediction in finish turning // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2002. – Vol. 20 (5). – P. 348–356. – doi: 10.1007/s001700200162.
  22. 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. 729–737. – doi: 10.1006/jsvi.2001.3943.
  23. Calculation of the specific cutting coefficients and geometrical aspects in sculptured surface machining / A. Lamikiz, L.N. Lopez de Lacalle, J.A. Sanchez, U. Bravo // Machining Science and Technology. – 2005. – Vol. 9 (3). – P. 411–436. – doi: 10.1080/15321790500226614.
  24. Namachchivaya N.S., Beddini R. Spindle speed variation for the suppression of regenerative chatter // Journal of Nonlinear Science. – 2003. – Vol. 13. – P. 265–288.
  25. 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.
  26. Influence of the ploughing effect on the dynamic behaviour of the self-vibratory drilling head / H. Paris, D. Brissaud, A. Gouskov, N. Guibert, J. Rech // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2008. – Vol. 57. – P. 385–388. – doi: 10.1016/j.cirp.2008.03.101.
  27. Wahi P., Chatterjee A. Self-interrupted regenerative metal cutting in turning // International Journal of Non-Linear Mechanics. – 2008. – Vol. 43. – P. 111–123. – doi: 10.1016/j.ijnonlinmec.2007.10.010.
  28. Nonlinear behaviour of the regenerative chatter in turning process with a worn tool / H. Moradi, F. Bakhtiari-Nejad, M.R. Movahhedy, M.T. Ahmadian // Mechanism and Machine Theory. – 2010. – Vol. 45 (8). – P. 1050–1066. – doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2010.03.014.
  29. On the global dynamics of chatter in the orthogonal cutting model / Z. Dombovari, D.A.W. Barton, R.E. Wilson, G. Stepan // International Journal of Non-Linear Mechanics. – 2011. – Vol. 46. – P. 330–338. – doi: 10.1016/j.ijnonlinmec.2010.09.016.
  30. Litak G., Rusinek R. Dynamics of a stainless steel turning process by statistical and recurrence analyses // Meccanica. – 2012. – Vol. 47 (6). – P. 1517–1526. – doi: 10.1007/s11012-011-9534-x.
  31. 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.
  32. Analysis of indirect measurement of cutting forces turning metal cylindrical shells / K. Kondratenko, A. Gouskov, M. Guskov, Ph. Lorong, G. Panovko // Vibration Engineering and Technology of Machinery. – Cham: Springer, 2014. – P. 929–937. – doi: 10.1007/978-3-319-09918-7_82.
  33. Заковоротный В.Л. Нелинейная трибомеханика. – Ростов н/Д.: Изд-во ДГТУ, 2000. – 293 с. – ISBN 5-7890-0134-3.
  34. 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, N 9. – P. 1450115. – doi: 10.1142/S0218127414501156.
  35. Weremczuk A, Rusinek R. Influence of frictional mechanism on chatter vibrations in the cutting process – analytical approach // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 89. – P. 2837–2844. – doi: 10.1007/s00170-016-9520-5.
  36. Воронов С.А., Иванов И.И., Киселев И.А. Исследования процесса фрезерования на основе редуцированной динамической модели // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2015. – № 1. – C. 62–71.
  37. Bifurcation of stationary manifolds formed in the neighborhood of the equilibrium in a dynamic system of cutting / V.L. Zakovorotnyi, 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.
  38. Reith M.J., Bachrathy D., Stepan G. Improving the stability of multi-cutter turning with detuned dynamics // Machining Science and Technology. – 2016. – Vol. 20 (3). – P. 440–459. – doi: 10.1080/10910344.2016.1191029.
  39. Azvar M., Budak E. Multi-dimensional modelling of chatter stability in parallel turning operation // Proceedings of the 17th International Conference on Machine Design and Production UMTIK 2016, Bursa, Turkiye, July 12–15. – Bursa, 2016.
  40. Analytical approach of turning thin-walled tubular parts. Stability analysis of regenerative chatter / A. Gerasimenko, M. Guskov, A. Gouskov, P. Lorong, G. Panovko // Vibroengineering Procedia. – 2016. – Vol. 8. – P. 179–184.
  41. Influence of the clearance face on the condition of chatter self-excitation during turning / A. Gouskov, M. Gouskov, Ph. Lorong, G. Panovko // International Journal of Machining and Machinability of Materials. – 2017. – Vol. 19 (1). – P. 17–39.
  42. Воронов С.А., Киселев И.А. Нелинейные задачи динамики процессов резания // Машиностроение и инженерное образование. – 2017. – № 2 (51). – С. 9–23.
  43. Заковоротный В.Л., Санкар Т., Бордачев Е.В. Система оптимального управления процессом глубокого сверления отверстий малого диаметра // СТИН. – 1994. – № 12. – С. 22–25.
  44. Zakovorotny V.L., Gvindjilia V.E. Influence of kinematic perturbations on shape-generating movement trajectory stability // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 206. – P. 157–162. – doi: 10.1016/j.proeng.2017.10.453.
  45. 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.
  46. 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.
  47. Khamel S., Ouelaa N. Bouacha K. Analysis and prediction of tool wear, surface roughness and cutting forces in hard turning with CBN tool // Journal of Mechanical Sciences and Technology. – 2012. – Vol. 26 (11). – P. 3605–3616. – doi: 10.1007/s12206-012-0853-1.
  48. Zakovorotny V.L., Lukyanov A.D. The problems of control of the evolution of the dynamic system interacting with the medium // International Journal of Mechanical Engineering and Automation. – 2014. – Vol. 1, N 5. – P. 271–285.
  49. Zakovorotny V.L., Gvindzhiliya V.E. Evolution of the dynamic cutting system with irreversible energy transformation in the machining zone // Russian Engineering Research. – 2019. – Vol. 39, N 5. – P. 423–430. – doi: 10.3103/S1068798X19050204.
  50. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Бифуркации притягивающих множеств деформационных смещений режущего инструмента в ходе эволюции свойств процесса обработки // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. – 2018. – Т. 26, № 5. – С. 20–38. – doi: 10.18500/0869-6632-2018-26-5-20-38.
  51. Мышкис А.Д. Математика для втузов: специальные курсы. – М.: Наука, 1971. – 640 c.

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».