Влияние вибраций на геометрические характеристики детали при продольном точении

Динамическая система резания подвержена возмущениям, зависящим от состояния станка и его точности. Вибрации формируются процессом стружкообразования вследствие периодичности поверхностей скольжения. Для улучшения обработки в зону резания вводятся управляемые вибрации. Однако до настоящего времени нет единого мнения о влиянии вибраций на состояние динамической системы и показатели качества деталей. Это во многом обусловлено тем, что в исследованиях не раскрыта внутренняя структура взаимодействия возмущений с динамической системой, а также их преобразование в геометрические характеристики детали. Приведены результаты исследования динамической системы резания, возмущенной вибрационными воздействиями. Проведено математическое моделирование, описано влияние возмущений на свойства системы и геометрические характеристики детали. Рассмотрены три диапазона частот: низкочастотный, ограниченный сверху собственными частотами подсистем, среднечастотный, включающий в себя собственные частоты подсистем, и высокочастотный, лежащий за пределами полосы пропускания подсистем. Исследовано влияние вибраций на параметрическое самовозбуждение, формирование притягивающих множеств деформаций, вибрационную стабилизацию и др. Результаты моделирования позволяют определить новые направления повышения эффективности обработки деталей, а также полезны для построения цифровой модели динамики процесса резания.
EDN: IIFIPV, https://elibrary/iifipv

Литература

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

[2] 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

[3] Spacek O.L., Danek J.T. Selbsterregte Schwingungen an Werkzeugmaschinen. Berlin, VEB Verlag Technik, 1962, pp. 247–255.

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

[5] Hanna N.H., Tobias S.A. Theory of nonlinear regenerative chatter. J. Eng. Ind., 1974, vol. 94, no. 1, pp. 247–255, doi: https://doi.org/10.1115/1.3438305

[6] 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: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2007.10.010

[7] Stepan G., Szalai R., Insperger T. Nonlinear dynamics of high-speed milling subjected to regenerative effect. In: Nonlinear dynamics of production systems. Wiley, 2004, pp. 111–128, doi: http://dx.doi.org/10.1002/3527602585.ch7

[8] Stépán 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

[9] Paris H., Brissaud D., Gouskov A. et al. Influence of the ploughing effect on the dynamic behaviour of the self-vibratory drilling head. CIRP Annals, 2008, vol. 57, no. 1, pp. 385–388, doi: https://doi.org/10.1016/j.cirp.2008.03.101

[10] 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. 17–40, doi: https://doi.org/10.1504/IJMMM.2017.081186

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

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

[13] Gouskov A., Panovko G., Shokhin A.E. Dynamics of the rotor system of a vibrational–centrifugal separator with an elastic vibration limiter. J. Mach. Manuf. Reliab., 2023, vol. 51, no. 8, pp. 733–745, doi: http://dx.doi.org/10.3103/S105261882208009X

[14] Altitias Y., Budak E. Analytical prediction of stability lobes in milling. CIRP Annals, 1995, vol. 44, no. 1, pp. 357–362, doi: https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)62342-7

[15] Altitias Y., Weck M. Chatter stability of metal cutting and grinding. CIRP Annals, 2004, vol. 53, no. 2, pp. 619–642, doi: https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)60032-8

[16] Insperger T., Stepan G. Semi-discretization method for delayed systems. Int. J. Numer. Methods Eng., 2002, vol. 55, no. 5, pp. 503–518, doi: https://doi.org/10.1002/nme.505

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

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

[19] Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Влияние флуктуаций на устойчивость формообразующих траекторий при точении. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки, 2017, № 2, с. 52–61, doi: https://doi.org/10.17213/0321-2653-2017-2-52-61

[20] Zakovorotny V.L., Lukyanov A.D., Gubanova A.A. et al. Bifurcation of stationary manifolds formed in the neighborhood of the equilibrium in a dynamic system of cutting. J. Sound Vib., 2016, vol. 368, pp. 174–190, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.jsv.2016.01.020

[21] Zakovorotny V. Bifurcations in the dynamic system of the mechanic processing in metal-cutting tools. WSEAS Trans. Appl. Theor. Mech., 2015, vol. 10, pp. 102–116.

[22] Zakovorotnyi V.L., Bykador V.S. Cutting-system dynamics. Russ. Engin. Res., 2016, vol. 36, no. 7, pp. 591–598, doi: https://doi.org/10.3103/S1068798X16070182

[23] Grabec I. Chaos generated by the cutting process. Phys. Lett. A, 1986, vol. 117, no. 8, pp. 384–386, doi: http://dx.doi.org/10.1016/0375-9601(86)90003-4

[24] Wiercigroch M., Budak E. Sources of nonlinearities, chatter generation and suppression in metal cutting. Phil. Trans. Roy. Soc. London A: Math. Phys. Engin. Sci., 2001, vol. 359, no. 1781, pp. 663–693, doi: http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2000.0750

[25] Wiercigroch M., Krivtsov A.M. Frictional chatter in orthogonal metal cutting. Philos. Trans. Royal Soc. A, 2001, vol. 359, pp. 713–738, doi: https://doi.org/10.1098/rsta.2000.0752

[26] Rusinek R., Wiercigroch M., Wahi P. Influence of tool flank forces on complex dynamics of a cutting process. Int. J. Bifurcat. Chaos, 2014, vol. 24, no. 9, pp. 189–201, doi: http://dx.doi.org/10.1142/S0218127414501156

[27] Rusinek R., Wiercigroch M., Wahi P. Modelling of frictional chatter in metal cutting. Int. J. Mech. Sci., 2014, vol. 89, pp. 167–176, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2014.08.020

[28] Shao Y.F., Ding H. Evaluation of gravity effects on the vibration of fluid-conveying pipes. Int. J. Mech. Sci., 2023, vol. 248, no. 5, art. 108230, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108230

[29] Zakovorotny V.L., Gubanova A.A., Lukyanov A.D. Attractive manifolds in end milling. Russ. Engin. Res., 2017, vol. 37, no. 2, pp. 158–163, doi: https://doi.org/10.3103/S1068798X17020198

[30] Заковоротный В.Л., Фам Д.Т., Фам Т.Х. Параметрические явления при управлении процессами обработки на станках. Вестник ДГТУ, 2012, т. 12, № 7, с. 52–61.

[31] Заковоротный В.Л., Фам Т.Х. Параметрическое самовозбуждение динамической системы резания. Вестник ДГТУ, 2013, т. 13, № 5–6, с. 97–103.

[32] Zhou G., Yuan M., Feng F. et al. A new algorithm for chatter quantification and milling instability classification based on surface analysis. Mech. Syst. Signal Process., 2023, vol. 204, art. 110816, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.ymssp.2023.110816

[33] Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Влияние вибраций на траектории формообразующих движений инструмента при точении. Обработка металлов, 2019, т. 21, № 3, с. 42–58, doi: http://dx.doi.org/10.17212/1994-6309-2019-21.3-42-58

[34] Zakovorotny V.L., Gvindzhiliya V.E. Influence of spindle wobble in turning on the workpiece’s surface topology. Russ. Engin. Res., 2018, vol. 38, no. 10, pp. 818–823, doi: http://dx.doi.org/10.3103/S1068798X18100192

[35] 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: http://dx.doi.org/10.3103/S1068798X1808018X

[36] Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. Москва, Машиностроение, 1970. 350 с.

[37] Кумабэ Д. Вибрационное резание. Москва, Машиностроение, 1985. 424 с.

[38] Воронин А.А., Марков А.И. Влияние ультразвуковых колебаний на процесс резания жаропрочных сплавов. Станки и инструмент, 1960, № 11, с. 15–18.

[39] Марков А.И. Оптимизация и управление процессом ультразвукового резания. Вестник машиностроения, 1996, № 10, с. 19–22.

[40] Ткаченко И.Г., Агапов С.И. Определение оптимальных амплитуды и направления ультразвуковых колебаний при зубодолблении мелкомодульных зубчатых колес. Вестник машиностроения, 2010, № 2, с. 48–50.

[41] Агапов С.И., Головкин В.В. Повышение эффективности механической обработки путем применения ультразвука. Самара, Изд-во СНЦ, 2010. 134 с.

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

[43] Асташев В.К. Влияние ультразвуковых колебаний резца на процесс резания. Проблемы машиностроения и надежности машин, 1992, № 3, с. 81–86.

[44] Мартынов В.Д., Заковоротный В.Л., Черня Н.Н. Определение оптимальных колебаний при нарезании резьбы. Акустика и ультразвуковая техника, 1966, № 6, с. 25.

[45] Асташев В.К., Семенова Е.Б. Динамика процесса ультразвукового волочения. Проблемы машиностроения и надежности машин, 2013, № 1, с. 56–60.

[46] Асташев В.К. О нелинейной динамике ультразвуковых технологических процессов и систем. Вестник научно-технического развития, 2007, № 2, с. 18–25.

[47] Astashev V.K., Babitsky V.I. Ultrasonic cutting as a nonlinear (vibro-impact) process. Ultrasonics, 1998, vol. 36, no. 1–5, pp. 89–96, doi: https://doi.org/10.1016/S0041-624X(97)00101-7

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

[49] Асташев В.К., Андрианов Н.А., Крупенин В.Л. Устройство для возбуждения и автоматической стабилизации резонансных колебаний ультразвуковых систем. Патент РФ 2350405. Заявл. 11.05.2007, опубл. 27.03.2009.

[50] Заковоротный В.Л., Ольшанский И.Ф. Влияние вибрационной линеаризации на динамическую устойчивость системы СПИД при ультразвуковом резании. Акустика и ультразвуковая техника, 1967, № 6, с. 12–19.

[51] Бржозовский Б.М., Беркенев Н.В. Ультразвуковые технологические процессы и оборудование в машино- и приборостроении. Саратов, Изд-во СГТУ, 2009. 342 с.

[52] Козочкин М.П., Солис Н.В. Исследование связи вибраций при резании с качеством получаемой поверхности. Вестник РУДН. Сер. Инженерные исследования, 2009, № 2, с. 16–23.

[53] Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Связь самоорганизации динамической системы резания с изнашиванием инструмента. Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика, 2020, т. 28, № 1, с. 46–61, doi: https://doi.org/10.18500/0869-6632-2020-28-1-46-61

[54] Анцев А.В., Данг Х.Ч. Прогнозирование периода стойкости режущего инструмента на основе контроля вибраций в процессе фрезерования. Известия ТулГУ. Технические науки, 2018, № 7, с. 3–11.

[55] Bochner S. Harald Bohr. Bull. Amer. Math. Soc., 1952, vol. 58, no. 1, pp. 72–75.

[56] Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Свойства притягивающих множеств деформационных смещений инструмента в траекториях формообразующих движений при точении изделий. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2022, № 3, с. 15–30, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2022-3-15-30

[57] Хусу А.П., Витенберг Ю.Р., Пальмов В.А. Шероховатости поверхностей. Теоретико-вероятностный подход. Москва, Наука, 1975. 343 с.