Влияние вибраций на траектории формообразующих движений инструмента при точении

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Вибрации всегда сопровождают процесс резания и влияют на параметры качества изготовления деталей и состояние процесса резания, оцениваемого, например, интенсивностью изнашивания инструмента. В работе рассматриваются вибрации, генерируемые самим станком (биения шпиндельной группы, кинематические возмущения, вариации припуска и пр.), а также специально вводимые в зону резания управляемые колебания для улучшения качества изготовления деталей. За счет вибраций изменяются траектории формообразующих движений, зависящих от траекторий исполнительных элементов станка, дополнительных вибраций и упругих деформационных смещений инструмента относительно заготовки. Траектории формообразующих движений являются главным фактором формирования геометрической топологии поверхности детали в единстве геометрической точности, волнистости и шероховатости поверхности. Однако до настоящего времени нет единого мнения о влиянии вибраций на параметры качества детали. Методы исследования. В статье на основе математического моделирования динамической системы резания рассмотрено влияние вибраций на траектории формообразующих движений вершины инструмента относительно заготовки как основного фактора, определяющего геометрическую топологию детали. В отличие от известных работ, во-первых, параметры динамической связи предоставлены в координатах состояния. Во-вторых, учтено влияние вибрационных возмущений, существующих в станке, а также специально вводимых колебаний на свойства динамической системы (например, устойчивость) и результат (прежде всего геометрическую топологию). Результаты и обсуждение. Приведены результаты моделирования, раскрывающие эффекты нелинейной динамики, которые могут вызывать как улучшение, так и ухудшение параметров геометрической топологии. Эти эффекты проявляются в образовании динамической постоянной составляющей деформационных смещений, в формировании вдоль траектории различных притягивающих множеств деформационных смещений и их бифуркаций. Намечены пути улучшения качества формируемой резанием поверхности за счет согласования вводимых и (или) существующих естественным образом внешних возмущений со свойствами динамической системы и управляемыми от ЧПУ траекториями исполнительных элементов станка. Результаты исследований направлены на повышение эффективности процесса по параметрам качества изготовления деталей. Их можно использовать и для динамического мониторинга состояния процесса во время обработки, например износа инструмента.

Об авторах

В. Заковоротный

Email: vzakovorotny@dstu.edu.ru
доктор технических наук, профессор, Донской государственный технический университет, пл. Гагарина, 1, г. Ростов-на-Дону, 344000, Россия, vzakovorotny@dstu.edu.ru

В. Гвинджилия

Email: sinedden@yandex.ru
Донской государственный технический университет, пл. Гагарина, 1, г. Ростов-на-Дону, 344000, Россия, sinedden@yandex.ru

Список литературы

  1. Кудинов В.А. Динамика станков. – М.: Машиностроение, 1967. – 359 c.
  2. 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.
  3. Тлустый И. Автоколебания в металлорежущих станках: пер. с чеш. – M.: Машгиз, 1956. – 395 с.
  4. Tobias S.A. Machine tool vibrations. – London: Blackie, 1965. – doi: 10.1049/tpe:19640084.
  5. Меррит Д. Теория автоколебаний металлорежущих станков // Конструирование и технология машиностроения. – 1965. – № 4. – C. 32–38.
  6. 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.
  7. 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.
  8. Litak G. Chaotic vibrations in a regenerative cutting process // Chaos Solitons & Fractals. – 2002. – Vol. 13. – P. 1531–1535. – doi: 10.1016/S0960-0779(01)00176-X.
  9. Litak G., Rusinek R. Dynamics of a stainless steel turning process by statistical and recurrence analyses // Mechanic. – 2012. – Vol. 47 (6). – P. 1517–1526. – doi: 10.1007/s11012-011-9534-x.
  10. Воронов С.А., Непочатов А.В., Киселев И.А. Критерии оценки устойчивости процесса фрезерования нежестких деталей // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2011. – № 1. – С. 50–62.
  11. 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.
  12. Namachchivaya N.S., Beddini R. Spindle speed variation for the suppression of regenerative chatter // Journal of Nonlinear Science. – 2003. – Vol. 13. – P. 265–288.
  13. Wahi P., Chatterjee A. Self-interrupted regenerative metal cutting in turning // Journal of Non-Linear Mechanics. – 2008. – Vol. 43. – P. 111–123. – doi: 10.1016/j.ijnonlinmec.2007.10.010.
  14. 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. – 2000. – Vol. 73. – P. 275–284.
  15. 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.
  16. 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.2000.0753.
  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. – P. 207–221. – doi: 10.1016/s1007-5704(02)00014-x.
  18. Воронов С.А., Киселев И.А. Нелинейные задачи динамики процессов резания // Машиностроение и инженерное образование. – 2017. – № 2 (51). – С. 9–23.
  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. Rusinez 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.
  21. Rusinek R., Wiercigroch M., Wahi P. Modeling of frictional chatter in metal cutting // International Journal of Mechanical Sciences. – 2014. – Vol. 89. – P. 167–176. – doi: 10.1016/j.ijmecsci.2014.08.020.
  22. Grabec I. Chaos generated by the cutting process // Physics Letter A. – 1986. – Vol. 117, N 8. – P. 384–386. – doi: 10.1016/0375-9601(86)90003-4.
  23. 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. 737–739. – doi: 10.1006/jsvi.2001.3943.
  24. 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.
  25. 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. – P. 713–738. – doi: 10.1098/rsta.2000.0752.
  26. 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.
  27. Воронин А.А. Влияние ультразвуковых колебаний на процесс резания жаропрочных сплавов // Станки и инструмент. – 1960. – № 11. – С. 15–18.
  28. Марков А.И. Оптимизация и управление процессом ультразвукового резания // Вестник машиностроения. – 1996. – № 10. – С. 19–22.
  29. Ткаченко И.Г., Агапов С.И. Определение оптимальной амплитуды и направления ультразвуковых колебаний при зубодолблении мелкомодульных зубчатых колес // Вестник машиностроения. – 2010. – № 2. – С. 48–50.
  30. Агапов С.И. Стойкостные исследования процесса зубофрезерования мелкомодульных зубчатых колес с введением в зону резания ультразвуковых колебаний // Вестник машиностроения. – 2008. – № 4. – С. 66–68.
  31. Асташев В.К. Влияние ультразвуковых колебаний резца на процесс резания // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 1992. – № 3. – С. 81–86.
  32. Кумабэ Д. Вибрационное резание / пер. с яп. С.Л. Масенникова; под ред. И.И. Портнова, В.В. Белова. – М.: Машиностроение, 1985. – 424 с.
  33. Astashev V.K., Babitsky V.I. Ultrasonic cutting as a nonlinear (vibro-impact) process // Ultrasonics. – 1998. – Vol. 36. – Р. 89–96. – doi: 10.1016/S0041-624X(97)00101-7.
  34. Асташев В.К., Андрианов Н.А., Крупенин В.Л. Об авторезонансном ультразвуковом резании материалов // Вестник научно-технического развития. – 2017. – № 1 (113). – С. 3–10.
  35. 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.
  36. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Бифуркации притягивающих множеств деформационных смещений режущего инструмента в зависимости от биений шпиндельной группы // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. – 2017. – Т. 25, № 6. – С. 38–56. – doi: 10.18500/0869-6632-2017-25-6-38-56.
  37. 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.
  38. Zakovorotny V.L., Gvindzhiliya V.E. Influence of Spindle Wobble in Turning on the Workpiece’;s Surface Topology // Russian Engineering Research. 2018. Vol. 38. N 10. P. 818–823. doi: 10.3103/S1068798X18100192
  39. Заковоротный В.Л., Фам Д.Т., Нгуен С.Т. Моделирование и идентификация инерционных и диссипативных свойств подсистем режущего инструмента и заготовки при точении // Вестник Донского государственного технического университета. – 2010. – Т. 10, № 8 (51). – С. 1165–1178.
  40. Николас Г, Пригожин И. Познание сложного. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – C. 97–171. – ISBN 5-03-001582-5.
  41. Nonlinear dynamics of chaotic and stochastic systems: tutorial and modern developments / V.S. Anishchenko, V.V. Astakhov, A.B. Neiman, T. Vadivasova, L. Schimansky-Geier // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. – 2001. – Т. 9, N 6. – C. 201–203.
  42. Заковоротный В.Л., Бордачев Е.В. Информационное обеспечение системы динамической диагностики износа режущего инструмента на примере токарной обработки // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 1995. – № 3. – С. 95–103.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии 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».