Свойства притягивающих множеств деформационных смещений инструмента в траекториях формообразующих движений при точении изделий

На сегодняшний день существует множество моделей сил резания в функции деформаций, определяющих динамическую связь процесса резания, которые опираются на экспериментальные данные, например, на фазовые сдвиги между деформациями и силами. Однако системного исследования свойств динамической системы резания и притягивающих множеств деформационных смещений инструмента не проводилось. Рассмотрены системные свойства формирования притягивающих множеств, предложены направления, позволяющие ими управлять. Исследованы силы резания, зависящие от деформаций, образующих внутрисистемную обратную связь, которая может стабилизировать равновесие, а также способствовать потере его устойчивости. Основные результаты получены математическим моделированием, также использованы методы экспериментальной динамики. По итогам проведенного исследования выявлены условия самовозбуждения динамической системы резания в зависимости от деформаций в направлении скорости резания. Полученные данные о механизмах формирования и эволюции притягивающих множеств деформационных смещений инструмента при резании позволили найти новое направление увеличения эффективности обработки на основе конструктивного изменения упругих свойств подсистемы инструмента, его геометрии и согласования программы ЧПУ с динамическими свойствами процесса резания.

Литература

[1] Hahn R.S. On the theory of regenerative chatter in precision grinding operation. Trans. ASME, 1954, vol. 76, pp. 356–260.

[2] Кудинов В.А. Динамика станков. Москва, Машиностроение, 1967. 359 с.

[3] Вейц В.Л., Васильков Д.В. Задачи динамики, моделирования и обеспечения качества при механической обработке маложестких заготовок. СТИН, 1999, № 6, с. 9–13.

[4] Tlusty J., Polacek A., Danek C. et al. Selbsterregte Schwingungenan Werkzeugmaschinen. Berlin, VEB VerlagTechnik, 1962. 395 p.

[5] Tlusty J., Ismail F. Basic non-linearity in machining chatter. CIRP Ann., 1981, vol. 30, no. 1, pp. 299–304, doi: https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)60946-9

[6] Tobias S.A., Fishwick W. Theory of regenerative machine tool chatter. The Engineer, 1958, vol. 205, no. 7, pp. 199–203.

[7] Tobias S.A. Machine tool vibrations, London: Blackie, 1965. 351 р.

[8] Merrit H.E. Theory of self-excited machine-tool chatter-contribution to machine tool chatter research. J. Eng. Ind., 1965, vol. 87, no. 4, pp. 447–454, doi: https://doi.org/10.1115/1.3670861

[9] Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом, Ленинград, Машиностроение, 1986. 184 с.

[10] Городецкий Ю.И. Теория нелинейных колебаний и динамика станков. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Сер. Математическое моделирование и оптимальное управление, 2001, № 2, с. 69–88.

[11] Litak G. Chaotic vibrations in a regenerative cutting process. Chaos Solit. Fractals, 2002, vol. 13, no. 7, pp. 1531–1535, doi: https://doi.org/10.1016/S0960-0779(01)00176-X

[12] Namachchivaya N.S., Beddini R. Spindle speed variation for the suppression of regenerative chatter. J. Nonlinear Sci., 2003, vol. 13, no. 3, pp. 265–288, doi: https://doi.org/10.1007/s00332-003-0518-4

[13] Wahi P., Chatterjee A. Self-interrupted regenerative metal cutting in turning. Int. J. Non Linear Mech., 2008, vol. 43, no. 2, pp. 111–123, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2007.10.010

[14] Warminski J., Litak G., Lipski J. et al. Chaotic vibrations in regenerative cutting process. In: IUT AM / IFToMM symposium on synthesis of nonlinear dynamical systems. Springer, 2000, pp. 275–284.

[15] Stepan G., Szalai R., Insperger T. Nonlinear dynamics of high-speed milling subjected to regenerative effect. In: Nonlinear dynamics of production systems, 2004, pp. 111–127, doi: https://doi.org/10.1002/3527602585.ch7

[16] Stepan G., Insperger T., Szalai R. Delay, parametric excitation, and the nonlinear dynamics of cutting processes. Int. J. Bifurcat. Chaos, 2005, vol. 15, no. 9, pp. 2783–2798, doi: https://doi.org/10.1142/S0218127405013642

[17] Stepan G. Modelling nonlinear regenerative effects in metal cutting. Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci., 2001, vol. 359, no. 1781, pp. 739–757.

[18] Gouskov A.M., Voronov S.A., Paris H. et al. Nonlinear dynamics of a machining system with two interdependent delays. Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul., 2002, vol. 7, no. 4, pp. 207–221, doi: https://doi.org/10.1016/S1007-5704(02)00014-X

[19] Moradi H., Bakhtiari-Nejad F., Movahhedy M.R. et al. Nonlinear behavior of the regenerative chatter in turning process with a worn tool: forced oscillation and stability analysis. Mech. Mach. Theory, 2010, vol. 45, no. 8, pp. 1050–1066, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2010.03.014

[20] Гуськов М., Динь Дык Т., Пановко Г. и др. Моделирование и исследование устойчивости процесса многорезцового резания «по следу». Проблемы машиностроения и надежности машин, 2018, № 3, с. 19–27, doi: https://doi.org/10.31857/S023571190000533-7

[21] 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, c. 65–79.

[22] Gouskov A., Gouskov M., Lorong Ph. et al. Influence of the clearance face on the condition of chatter self-excitation during turning. Int. J. Mach. Mach. Mater., 2017, vol. 19, no. 1, pp. 17–39.

[23] Заковоротный В.Л., Фам Д.Т., Быкадор В.С. Самоорганизация и бифуркации динамической системы обработки металлов резанием. Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика, 2014, т. 22, № 3, c. 26–39, doi: https://doi.org/10.18500/0869-6632-2014-22-3-26-39

[24] Zakovorotny V.L., Gubanova A.A., Lukyanov A.D. Stability of shaping trajectories in milling: synergetic concepts. Russ. Engin. Res., 2016, vol. 36, no. 11, pp. 956–964, doi: https://doi.org/10.3103/S1068798X16110216

[25] Zakovorotny V.L., Gubanova A.A., Lukyanov A.D. Parametric self-excitation of a dynamic end-milling machine. Russ. Engin. Res., vol. 36, no. 12, pp. 1033–1039, doi: https://doi.org/10.3103/S1068798X16120194

[26] Zakovorotny V.L., Gvindzhiliya V.E. Influence of spindle wobble in a lathe on the tool’s deformational-displacement trajectory. Russ. Engin. Res., 2018, vol. 38, no. 8, pp. 623–631, doi: https://doi.org/10.3103/S1068798X1808018X

[27] Воронов С.А., Киселев И.А. Нелинейные задачи динамики процессов резания. Машиностроение и инженерное образование, 2017, № 2, с. 9–23.

[28] Voronov S.A., Weidong Ma. Simulation of chip-formation by a single grain of pyramid shape. Vibroengineering Procedia, 2016, vol. 8, pp. 39–44.

[29] Ozturk E., Budak E. Modeling of 5-axis milling process. Mach. Sci. Technol., 2007, vol. 11, no. 3, pp. 287–311.

[30] Budak E., Ozturk E., Tunc L.T. Modeling and simulation of 5-axis milling processes. CIRP Ann. Manuf. Technol., 2009, vol. 58, no. 1, pp. 347–350, doi: https://doi.org/10.1016/j.cirp.2009.03.044

[31] Ozturk B., Lazoglu I. Machining of free-form surfaces. Part I: Analytical chip load. Int. J. Mach. Tools Manuf., 2006, vol. 46, no. 7-8, pp. 728–735, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2005.07.038

[32] Bravo U. Stability limits of milling considering the ?exibility of the workpiece and the machine. Int. J. Mach. Tools Manuf., 2005, vol. 45, no. 15, pp. 1669–1680, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2005.03.004

[33] Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Синергетическая концепция при программном управлении процессами обработки на металлорежущих станках. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2021, № 5, с. 24–36, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2021-5-24-36

[34] Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Закалюжный А.А. Влияние жесткости механической части привода и параметров резания на управление упругими деформациями формообразования. Аdvanced engineering research, 2021, т. 21, № 2, с. 154–162, doi: https://doi.org/10.23947/2687-1653-2021-21-2-154-162

[35] Агапов С.И. Стойкостные исследования процесса зубофрезерования мелкомобульных зубчатых колес с введением в зону резания ультразвуковых колебаний. Вестник машиностроения, 2008, № 4, с. 66–68.

[36] Бржозовский Б.М. Ультразвуковые технологические процессы и оборудование в машино- и приборостроении. Саратов, Изд-во СГТУ, 2009. 348 с.

[37] Асташев В.К., Андрианов Н.А., Крупенин В.Л. Об авторезонансном ультразвуковом резании материалов. Вестник научно-технического развития, 2017, № 1, с. 3–16.

[38] Ahmadi K., Savilov A. Modeling the mechanics and dynamics of arbitrary edge drills. Int. J. Mach. Tools Manuf., 2015, vol. 89, pp. 208–220, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2014.11.012

[39] Altintas Y. Manufacturing automation. Vancouver, University of British Columbia, 2012. 366 р.

[40] Pirtini M., Lazoglu I. Forces and hole quality in drilling. Int. J. Mach. Tools Manuf., 2005, vol. 99, no. 11, pp. 1271–1281, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2005.01.004

[41] Roukema J.C., Altintas Y. Generalized modeling of drilling vibrations. Part I: Time domain model of drilling kinematics, dynamics and hole formation. Int. J. Mach. Tools Manuf., 2007, vol. 47, no. 9, pp. 1455–1473, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2006.10.005

[42] Zhou Y., Yang W., Zhou Y. et al. Consistency evaluation of hole series surface quality using vibration signal. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2017, vol. 92, no. 1–4, pp. 1069–1079, doi: https://doi.org/10.1007/s00170-017-0184-6

[43] Киселев И.А. Геометрический алгоритм 3MZBL для моделирования процессов обработки резанием. Методика описания поверхности заготовки. Инженерный журнал: наука и инновации, 2012, № 6, doi: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2012-6-269

[44] Воронов С.А., Киселев И.А. Геометрический алгоритм 3MZBL для моделирования процессов обработки резанием. Алгоритм изменения поверхности и определения толщины срезаемого слоя. Инженерный журнал: наука и инновации, 2012, № 6, doi: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2012-6-261

[45] Воронов С.А., Киселев И.А., Аршинов С.В. Методика применения численного моделирования динамики многокоординатного фрезерования сложнопрофильных деталей при проектировании технологического процесса. Инженерный журнал: наука и инновации, 2012, № 6, doi: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2012-6-260

[46] Рыжкин А.А. Синергетика изнашивания инструментальных материалов при лезвийной обработке. Ростов-на-Дону, Донской гос. техн. ун-т, 2019. 289 c.

[47] Заковоротный В.Л., Флек М.Б. Динамика процесса резания. Синергетический подход. Ростов-на-Дону, Терра, 2006. 880 с.

[48] 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, с. 1005–1015.

[49] Ляпунов А.М. Общая задача об устойчивости движения. Москва, Гостехиздат, 1950. 471 с.

[50] Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. Москва, Наука, 1972. 768 с.

[51] Haken H. Information and self-organization. Elsevier, 2006. 251 p.

[52] Колесников А.А. Прикладная синергетика: основы системного синтеза. Ростов-на-Дону, Изд-во ЮФУ, 2007. 384 с.

[53] Пуш А.В. Шпиндельные узлы. Качество и надежность. Москва, Машиностроение, 1992. 288 с.