The Influence of the Cutting Speed of Metals on the Regeneration of the Vibratory Oscillations of the Tool in Machines of the Turning Group

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Tool vibrations accompanying the cutting process are largely related to the long-established regenerative effect, which significantly affects the dynamic characteristics of the metal cutting process, which is indicated in numerous foreign publications of leading European specialists in the field of Metalworking. In the works of some Russian scientists specializing in the analysis of metal cutting processes on metal-cutting machines, the position of the existence of an optimal cutting speed that provides the best quality of the processed surface and the greatest tool life is considered. Therefore, the paper considers the question of the probable connection of this optimal speed with the regeneration of tool vibrations during metal turning. Objective: the possibility of assessing the influence of the regenerative effect on the dynamics of the processing process is considered, without taking into account additional influences on the process, both from the machine side and from the cutting process itself, in order to determine the existence of optimal cutting modes. The study investigated: a mathematical model describing the dynamics of tool vibrations in the conditions of metal processing on machines of the turning group, while only the case of longitudinal turning of the product is considered. Research methods: on the basis of mathematical modeling of the dynamic cutting system, three variants of the possible behavior of the processing process are considered, taking into account the influence on the regeneration of tool vibrations, the period of rotation of the spindle with the part fixed in it. As the first case, a neutral variant in which this period is not associated with the carrier frequency of the speed of axial deformations of the tool is considered. The second option determined the optimal speed of rotation of the spindle, which completely coincided with the carrier frequency of the speed of axial deformations of the tool. The third option shows the worst-case version of the spindle rotation speed, which makes the spindle oscillation period such that the regenerative effect is maximized. Results and discussion. The results of modeling are presented, revealing the dynamics of the system, taking into account the three options selected for the specified spindle speed of the machine. The results of research show that even in the simplest description of cutting forces, the dynamics of the system is quite complex, which is significantly affected by the regenerative effect revealed in the work. The numerical experiment confirms the theory proposed in the paper about the existence of an optimal processing speed, in terms of the influence of tool vibration regeneration on the cutting process. The results obtained are in line with well-known domestic works devoted to the practical analysis of the possibility of building optimal cutting systems and link them with the work of leading European experts in the field of dynamics of metal processing processes.

About the authors

L. P. Viktor

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

References

  1. 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.
  2. Tobias S.A., Fishwick W. Theory of regenerative machine tool chatter // The Engineer. – 1958. – Vol. 205, N 7. – P. 199–203.
  3. Merritt H.E. Theory of self-excited machine-tool chatter: contribution to machine-tool chatter research – 1 // Journal of Engineering for Industry. – 1965. – Vol. 87, N 4. – P. 447–454. – doi: 10.1115/1.3670861.
  4. Hanna N.H., Tobias S.A. A theory of nonlinear regenerative chatter // Journal of Engineering for Industry. – 1974. – Vol. 96, N 1. – P. 247–255.
  5. 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.
  6. Altintas Y., Budak E. Analytical prediction of stability lobes in milling // CIRP Annals. – 1995. – Vol. 44, N 1. – P. 357–362. – doi: 10.1016/S0007-8506(07)62342-7.
  7. Insperger T., Stépán G. Stability of the milling process // Periodica Polytechnica Mechanical Engineering. – 2000. – Vol. 44, N 1. – P. 47–57.
  8. 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.
  9. Grabec I. Chaos generated by the cutting process // Physics Letters A. – 1986. – Vol. 117, N 8. – P. 384–386. – doi: 10.1016/0375-9601(86)90003-4.
  10. Balachandran B. Nonlinear dynamics of milling process // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. – 2001. – Vol. 359. – P. 793–819.
  11. 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.
  12. 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.
  13. Namachchivaya S., 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.
  14. 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.
  15. 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 9. – P. 2783–2798. – doi: 10.1142/S0218127405013642.
  16. 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.
  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, N 4. – P. 207–221. – doi: 10.1016/S1007-5704(02)00014-X.
  18. 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.
  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. Воронин А.А. Влияние ультразвуковых колебаний на процесс резания жаропрочных сплавов // Станки и инструмент. – 1960. – № 11. – С. 15–18.
  21. Заковоротный В.Л., Лапшин В.П., Губанова А.А. Определение оптимальных траекторий при обработке с учетом эволюции процесса резания // Вестник Донского государственного технического университета. – 2014. – Т. 14, № 3 (78). – doi: 10.12737/5715.
  22. Zakovorotny V.L., Lapshin V.P., Babenko T.S. Assessing the regenerative effect impact on the dynamics of deformation movements of the tool during turning // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 206. – P. 68–73. – doi: 10.1016/j.proeng.2017.10.439.
  23. 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.
  24. Lapshin V.P., Turkin I.A. Dynamic influence of the spindle servo drive on the drilling of deep narrow holes // Russian Engineering Research. – 2015. – Vol. 35, N 10. – P. 795–797. – doi: 10.3103/S1068798X15100111.
  25. Рыжкин А.А., Шучев К.Г., Климов М.М. Обработка материалов резанием. – Ростов н/Д.: Феникс, 2008. – 418 с. – ISBN 978-5-7890-0413-X.
  26. Вульф А.М. Резание металлов. – Л.: Машиностроение, 1973. – 496 с.
  27. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. – М.: Машгиз, 1956. – 367 с.
  28. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. – М.: Машиностроение, 1976. – 278 с.
  29. Попов Е.П., Пальтов И.П. Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем. – M.: Физматгиз, 1960. – 792 с.

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».