Determination of the optimal metal processing mode when analyzing the dynamics of cutting control systems

Cover Page

Cite item

Abstract

Introduction. In numerous experimental studies of metal cutting processes on metal-cutting equipment, the existence of some optimal processing mode is noted, which was most vividly formulated by A.D. Makarov in his point on the existence of an optimal cutting temperature (processing speed). Here, by the authors from Russia, the emphasis is on the description of the optimality of cutting processes related to the properties of the processed material and the properties of the tool used in this process. However, there is another opinion in the Western scientific literature, which is generally based on the regenerative nature of vibrations in cutting dynamics. Vibration regeneration is associated with the dynamics of the cutting process, which is significantly affected by a lagging argument reflecting the variability of the cut layer. The connection of these two approaches is seen through the analysis of the stability domain of the dynamic cutting system in the parameter space: cutting speeds and tool wear values. Subject. Based on this, the paper considers the question of the relationship between the optimal according to A.D. Makarov the processing mode and the dynamics of the cutting process, including the regeneration of tool vibrations during metal turning. To do this, two research hypotheses are formulated and numerical modeling is performed in order to determine its reliability. Purpose of the work: to consider the position of A.D. Makarov on the existence of an optimal cutting mode, from the point of view of the stability of the dynamics of metal turning. For this purpose, two hypotheses are put forward in the work to be analyzed. The paper investigates: a mathematical model describing the dynamics of vibration oscillations of the cutting wedge tip, taking into account the dynamics of the temperature formed in the contact zone and its influence on the forces that prevent the forming motions of the tool. Research methods: a series of field experiments was carried out on a metalworking equipment using the capabilities of the measuring stand STD.201-1, the purpose of which was to determine the effect of the thermal expansion of metals on the value of the buoyant force. Based on numerical simulation of the initial nonlinear mathematical models, as well as simulation of models linearized in the vicinity of the equilibrium point, an analysis of the stability of the cutting system with variations in the cutting speed and the amount of tool wear along the flank is conducted. The results of the work. The results of field experiments are presented, which showed a significant linear increase in the force pushing out the tool with an increase in temperature in the contact zone of the tool and the workpiece. The results of simulation of the state and the corresponding phase trajectories when the cutting wedge is embedded in the workpiece, as well as the forces decomposed along the axis of deformation of the tool, are presented. The results of modeling the Mikhailov vector hodograph for a linearized model of the dynamics of the cutting process are presented. Conclusions: The research results have shown that only the second hypothesis put forward by the authors makes it possible to adequately interpret the point put forward by A.D. Makarov. The main addition to the description of the point of A.D. Makarov, the authors consider it necessary to take into account changes in the pushing force with an increase in the temperature of the contact zone of the tool and the workpiece.

About the authors

V. P. Lapshin

Email: Lapshin1917@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), Ph.D. (Engineering), Don State Technical University, 1 Gagarin square, Rostov-on-Don, 344000, Russian Federation, Lapshin1917@yandex.ru

D. V. Moiseev

Email: denisey2003@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Don State Technical University, 1 Gagarin square, Rostov-on-Don, 344000, Russian Federation, denisey2003@mail.ru

References

  1. Stépán 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.
  2. 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.
  3. Namachchivaya S., Beddini R. Spindle speed variation for the suppression of regenerative chatter // Journal of Nonlinear Science. – 2003. – Vol. 13. – P. 265–288. – doi: 10.1007/s00332-003-0518-4.
  4. Wahi P., Chatterjee A. Regenerative tool chatter near a codimension 2 Hopf point using multiple scales // Nonlinear Dynamics. – 2005. – Vol. 40, iss. 4. – P. 323–338.
  5. 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 09. – P. 2783–2798. – doi: 10.1142/S0218127405013642.
  6. 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, iss. 8. – P. 1050–1066. – doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2010.03.014.
  7. 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.
  8. Lapshin V.P. Turning tool wear estimation based on the calculated parameter values of the thermodynamic subsystem of the cutting system // Materials. – 2021. – Vol. 14, N 21. – P. 6492. – doi: 10.3390/ma14216492.
  9. Лапшин В.П., Христофорова В.В., Носачев С.В. Взаимосвязь температуры и силы резания с износом и вибрациями инструмента при токарной обработке металлов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 3. – С. 44–58. – doi: 10.17212/1994-6309-2020-22.3-44-58.
  10. Zakovorotny V.L., Gvindjiliya 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.
  11. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Связь притягивающих множеств деформаций инструмента с пространственной ориентацией упругости и регенерацией сил резания при точении // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. – 2022. – T. 30, № 1. – С. 37–56. – doi: 10.18500/0869-6632-2022-30-1-37-56.
  12. Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E. Self-organization and evolution in dynamic friction systems // Journal of Vibroengineering. – 2021. – Vol. 23, iss. 6. – P. 1418–1432. – doi: 10.21595/jve.2021.22033.
  13. Astakhov V.P. The assessment of cutting tool wear // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2004. – Vol. 44. – P. 637–647. – doi: 10.1016/j.ijmachtools.2003.11.006.
  14. Рыжкин А.А. Синергетика изнашивания инструментальных режущих материалов (трибоэлектрический аспект). – Ростов н/Д.: Изд. центр ДГТУ, 2004. – 323 с. – ISBN 5-7890-0307-9.
  15. Analyzing the stability of the FDTD technique by combining the von Neumann method with the Routh-Hurwitz criterion / J.A. Pereda, L.A. Vielva, A. Vegas, A. Prieto // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 2001. – Vol. 49 (2). – P. 377–381.
  16. Kolev L., Petrakieva S. Interval Raus criterion for stability analysis of linear systems with dependent coefficients in the characteristic polynomial // 27th International Spring Seminar on Electronics Technology: Meeting the Challenges of Electronics Technology Progress. – IEEE, 2004. – Vol. 1. – P. 130–135.
  17. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Связь самоорганизации динамической системы резания с изнашиванием инструмента // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. – 2020. – Т. 28, вып. 1. – С. 46–61. – doi: 10.18500/0869-6632-2020-28-1-46-61.
  18. The approach to investigation of the the regions of self-oscillations / T.R. Velieva, D.S. Kulyabov, A.V. Korolkova, I.S. Zaryadov // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 937. – P. 012057. – doi: 10.1088/1742-6596/937/1/012057.
  19. Sourdille P., O'Dwyer A., Coyle E. Smith predictor structure stability analysis using Mikhailov stability criterion // Proceedings of the 4th Wismarer Automatisierungs Symposium. – Wismar, Germany, 2005. – P. 22–23. – doi: 10.21427/kp1b-6034.
  20. Saleh A.I., Hasan M.M.M., Darwish N.M.M. The Mikhailov stability criterion revisited // JES. Journal of Engineering Sciences. – 2010. – Vol. 38, N 1. – P. 195–207.
  21. Barker L.K. Mikhailov stability criterion for time-delayed systems. Report NASA-TM-78803. – NASA Langley Research Center, 1979. – 17 p.
  22. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. – М.: Машиностроение, 1976. – 278 с.
  23. 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.
  24. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. – М.: Машгиз, 1956. – 367 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


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».