ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Создание виртуальных цифровых моделей процесса обработки на металлорежущих станках является динамично развивающимся направлением повышения эффективности машиностроительного производства. Такие модели включают в себя подсистемы прогнозирования качества деталей. Точность и достоверность их работы напрямую зависят от построенной модели динамической системы резания, возмущенной силовым шумом, источники которого имеют различное физическое происхождение. Кроме этого, сама автономная динамическая система является генератором различных притягивающих множеств деформаций – например, предельных циклов или хаотических аттракторов. Учет разнообразных нелинейных преобразований в свойствах динамики процесса резания позволяет повысить адекватность модели реальным процессам и является актуальной задачей при построении систем имитационного моделирования динамики обработки поверхностей резанием. Предмет. Выполненные нами ранее исследования позволяют определить соответствующую деформационным траекториям геометрию формируемой резанием поверхности. Однако адекватность отображения рассчитанных траекторий в оценки геометрии остается не вполне ясной. Предлагаемая статья посвящена достижению адекватного отображения вычисленных, а также измеренных траекторий деформаций в геометрическую топологию детали. Цель работы – оценка отображения вибрационных возмущений системы в геометрию формируемой резанием поверхности. Метод и методология. Исследование носит экспериментально-теоретический характер. Содержание исследования включает в себя изучение соответствия частотных характеристик, полученных на модели и при реальной обработке. Главное внимание уделено отображению деформаций в геометрию детали. Для этого в статье рассматриваются функции когерентности между функциями деформаций и профилем детали. Результаты и обсуждения. Показано, что обусловленность этих преобразований имеет ограниченный частотный диапазон, в котором объяснение переменных составляющих формируемого рельефа является статистически значимым. Математическое моделирование динамической системы резания, основанное на механике взаимодействия инструмента и заготовки, позволяет адекватно прогнозировать формируемую резанием макрогеометрию детали. Полученный математический инструментарий может быть использован для создания систем прогнозирования геометрии обработанной поверхности.

1. Altintas Y. Manufacturing automation: metal cutting mechanics, machine tool vibrations, and CNC design. – UK: Cambridge University Press, 2012. – 366 p. – DOI: 10.1017/CBO9780511843723.

2. Virtual machine tool / Y. Altintas, C. Brecher, M. Weck, S. Witt // CIRP Annals. – 2005. – Vol. 54 (2). – P. 115–138. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)60022-5.

3. Erkorkmaz K., Altintas Y., Yeung C-H. Virtual computer numerical control system // CIRP Annals. – 2006. – Vol. 55 (1). – P. 399–402. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)60444-2.

4. Virtual process systems for part machining operations / Y. Altintas, P. Kersting, D. Biermann, E. Budak, B. Denkena // CIRP Annals. – 2014. – Vol. 63 (2). – P. 585–605. – DOI: 10.1016/j.cirp.2014.05.007.

5. Machine tool calibration: Measurement, modeling, and compensation of machine tool errors / W. Gao, S. Ibaraki, M.A. Donmez, D. Kono, J.R.R. Mayer, Y.-L. Chen, K. Szipka, A. Archenti, J.-M. Linares, N. Suzuki // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2023. – Vol. 187. – P. 104017. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2023.104017.

6. Development of machining strategies for aerospace components, using virtual machining tools / L. Estman, D. Merdol, K.-G. Brask, V. Kalhori, Y. Altintas // New Production Technologies in Aerospace Industry. – Cham: Springer, 2014. – P. 63–68. – (Lecture Notes in Production Engineering). – DOI: 10.1007/978-3-319-01964-2_9.

7. Kilic Z.M., Altintas Y. Generalized mechanics and dynamics of metal cutting operations for unified simulations // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2016. – Vol. 104. – P. 1–13. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2016.01.006.

8. Soori M., Arezoo B. Virtual machining systems for CNC milling and turning machine tools: a review // International Journal of Engineering and Technology. – 2020. – Vol. 18. – P. 56–104.

9. Virtual simulation of five-axis machine tool with consideration of CNC interpolation, servo dynamics, friction, and geometric errors / M.-T. Lin, T.-Y. Huang, M.-S. Tsai, S.-K. Wu // Journal of the Chinese Institute of Engineers. – 2017. – Vol. 40 (7). – P. 1–12. – DOI: 10.1080/02533839.2017.1372221.

10. Identification of mass and sliding friction parameters of machine tool feed drive using recursive least squares method / С. Lee, S Hwang, E. Nam, B. Min // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2020. – Vol. 109. – P. 2831–2844. – DOI: 10.1007/s00170-020-05858-x.

11. A multipoint method for 5-axis machining of triangulated surface models / R.K. Duvedi, S. Bedi, A. Batish, S. Mann // Computer-Aided Design. – 2014. – Vol. 52. – P. 17–26. – DOI: 10.1016/j.cad.2014.02.008.

12. Five-axis tool path generation in CNC machining of T-spline surfaces / W.F. Gan, J.Z. Fu, H.Y. Shen, Z.Y. Chen, Z.W. Lin // Computer-Aided Design. – 2014. – Vol. 52. – P. 51–63. – DOI: 10.1016/j.cad.2014.02.013.

13. Kiswanto G., Hendriko H., Duc E. An analytical method for obtaining cutter workpiece engagement during a semi-finish in five-axis milling // Computer-Aided Design. – 2014. – Vol. 55. – P. 81–93. – DOI: 10.1016/j.cad.2014.05.003.

14. A novel virtual metrology scheme for predicting machining precision of machine tools / H. Tieng, H.C. Yang, M.H. Hung, F.T. Cheng // IEEE International Conference on Robotics and Automation. – IEEE, 2013. – P. 264–269. – DOI: 10.1109/ICRA.2013.6630586.

15. Cloud-based design and manufacturing: a new paradigm in digital manufacturing and design innovation / D. Wu, D.W. Rosen, L. Wang, D. Schaefer // Computer-Aided Design. – 2015. – Vol. 59. – P. 1–14. – DOI: 10.1016/j.cad.2014.07.006.

16. Yang J., Guo G. Design a new manufacturing model: cloud manufacturing // Proceedings of the 2012 International Conference on Cybernetics and Informatics. – New York: Springer, 2014. – P. 1597–1606. – (Lecture Notes in Electrical Engineering; vol. 163). – DOI: 10.1007/978-1-4614-3872-4_205.

17. Strategy for implementating predictive process-oriented machine tool digital twins / M. Sulitka, P. Kolar, J. Sveda, J. Smolik // MM Science Journal. – 2022. – Vol. 10. – P. 5954–5961. – DOI: 10.17973/mmsj.2022_10_2022121.

18. Разработка цифрового двойника станка с ЧПУ на основе методов машинного обучения / Ю.Г. Кабалдин, Д.А. Шатагин, М.С. Аносов, А.М. Кузьмишина // Вестник Донского государственного технического университета. – 2019. – № 19 (1). – С. 45–55. – DOI: 10.23947/1992-5980-2019-19-1-45-55.

19. Кабалдин Ю.Г., Шатагин Д.А., Кузьмишина А.М. Разработка цифрового двойника режущего инструмента для механообрабатывающего производства // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2019. – № 4. – С. 11–17. – DOI: 10.18698/0536-1044-2019-4-11-17.

20. Пантюхин О.В., Васин С.А. Цифровой двойник технологического процесса изготовления изделий специального назначения // Станкоинструмент. – 2021. – № 1 (22). – С. 56–59. – DOI: 10.22184/2499-9407.2021.22.1.56.58.

21. Бурлаченко О.В., Оганесян О.В. Цифровая технология выбора и трансформации информации для управления и поддержки жизненного цикла изделия // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2023. – № 3 (756). – P. 3–13. – DOI: 10.18698/0536-1044-2023-3-3-13.

22. Моделирование динамической связи, формируемой процессом точения, в задачах динамики процесса резания (позиционная связь) / В.Л. Заковоротный, Д.Т. Фам, С.Т. Нгуен, М.Н. Рыжкин // Вестник Донского государственного технического университета. – 2011. – Т. 11, № 3 (54). – С. 301–311.

23. Заковоротный В.Л., Флек М.Б. Динамика процесса резания. Синергетический подход. – Ростов н/Д.: Терра, 2005. – 880 с.

24. Рыжкин А.А. Синергетика изнашивания инструментальных материалов при лезвийной обработке. – Ростов н/Д.: Донской гос. техн. ун-т, 2019. – 289 с. – ISBN 978-5-7890-1669-5.

25. Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов. – М.: Машиностроение, 2009. – 640 с.

26. Санкин Ю.Н., Санкин Н.Ю. Устойчивость токарных станков при нелинейной характеристике процесса резания. – Ульяновск: УлГТУ, 2008. – 137 с.

27. 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.

28. Tobias S.A., Fishwick W. Theory of regenerative machine tool chatter // The Engineer. – 1958. – Vol. 205. – P. 199–203.

29. 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 (4). – P. 447–454. – DOI: 10.1115/1.3670861.

30. A new algorithm for chatter quantification and milling instability classification based on surface analysis / G. Zhou, M. Yuan, F. Feng, Z. Han, X. Song, X. Wang, P. Feng, M. Zhang // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2023. – Vol. 204. – P. 110816. – DOI: 10.1016/j.ymssp.2023.110816.

31. Кудинов В.А. Динамика станков. – М.: Машиностроение, 1967. – 359 с.

32. Selbsterregte Schwingungen anWerkzeugmaschinen / J. Tlusty, A. Polacek, C. Danek, J. Spacek. – Berlin: VerlagTechnik, 1962. – 320 p.

33. Tlusty J., Ismail F. Basic non-linearity in machining chatter // CIRP Annals. – 1981. – Vol. 30. – P. 299–304.

34. Hanna N.H., Tobias S. A theory of nonlinear regenerative chatter // Journal of Engineering for Industry. – 1974. – Vol. 96 (1). – P. 247–255. – DOI: 10.1115/1.3438305.

35. Wahi P., Chatterjee A. Self-interrupted regenerative metal cutting in turning // International Journal Non-Linear Mechanics. – 2008. – Vol. 43. – P. 111–123. – DOI: 10.1016/j.ijnonlinmec.2007.10.010.

36. Stépán 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. – DOI: 10.1002/3527602585.ch7.

37. 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 (9). – P. 2783–2798. – DOI: 10.1142/S0218127405013642.

38. Influence of the ploughing effect on the dynamic behavior of the self-vibratory drilling head / D. Brissaud, A. Gouskov, N. Guibert, J. Rech // CIRP Annals. Manufacturing Technology. – 2008. – P. 385–388. – DOI: 10.1016/j.cirp.2008.03.101.

39. Influence of the clearance face on the condition of chatter self-excitation during turning / A. Gouskov, M. Gouskov, Ph. Lorong, G. Panovko // International Journal of Machining and Machinability of Materials. – 2017. – Vol. 19 (1). – P. 17–39. – DOI: 10.1504/IJMMM.2017.10002088.

40. Воронов С.А., Киселев И.А. Нелинейные задачи динамики процессов резания // Машиностроение и инженерное образование. – 2017. – № 2 (51). – С. 9–23.

41. Моделирование и исследование устойчивости процесса многорезцового резания «по следу» / М. Гуськов, А.М. Гуськов, Т. Динь Дык, Г. Пановко // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2018. – № 4. – С. 19–27. – DOI: 10.31857/S023571190000533-7.

42. Gouskov A.M., Panovko G.Ya., Shokhin A.E. Dynamics of the rotor system of a vibrational-centrifugal separator with an elastic vibration limiter // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. – 2023. – Vol. 51 (8). – P. 733–745. – DOI: 10.3103/S105261882208009X.

43. Вейц В.Л., Васильков Д.В. Задачи динамики, моделирования и обеспечения качества при механической обработке маложестких заготовок // СТИН. – 1999. – № 6. – С. 9–13.

44. Altitias Y., Budak E. Analytical prediction of stability lobes in milling // CIRP Annals. Manufacturing Technology. – 1995. – Vol. 44 (1). – P. 357–362. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)62342-7.

45. Altitias Y., Weck M. Chatter stability of metal cutting and grinding // CIRP Annals. Manufacturing Technology. – 2004. – Vol. 53 (2). – P. 619–642. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)60032-8.

46. Insperger T., Stépán G. Semi-discretization method for delayed systems // International Journal for Numerical Methods in Engineering. – 2002. – Vol. 55 (5). – P. 503–518. – DOI: 10.1002/nme.505.

47. 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 (194). – С. 52–61.

48. 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. Hristoforova // Journal of Sound and Vibration. – 2016. – Vol. 368. – P. 174–190. – DOI: 10.1016/j.jsv.2016.01.020.

49. Мурашкин Л.С., Мурашкин С.Л. Прикладная нелинейная механика станков. – Л.: Машиностроение, 1977. – 192 с.

50. Grabec I. Chaos generated by the cutting process // Physics Letters. – 1986. – Vol. 117. – P. 384–386. – DOI: 10.1016/0375-9601(86)90003-4.

51. Wiercigroch M., Budak E. Sources of nonlinearities, chatter generation and suppression in metal cutting // Philosophical Transactions of the Royal Society A. – 2001. – Vol. 359 (1781). – P. 663–693. – DOI: 10.1098/rsta.2000.0750.

52. Wiercigroch M., Krivtsov A.M. Frictional chatter in orthogonal metal cutting // Philosophical Transactions of the Royal Society A. – 2001. – Vol. 359 (1781). – P. 713–738. – DOI: 10.1098/rsta.2000.0752.

53. Rusinek R., Wiercigroch M., Wahi P. Influence of tool flank forces on complex dynamics of a cutting process // International Journal of Bifurcation and Chaos. – 2014. – Vol. 24 (9). – P. 189–201. – DOI: 10.1142/S0218127414501156.

54. 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.

55. Shao Y.-F., Ding H. Evaluation of gravity effects on the vibration of fluid-conveying pipes // International Journal of Mechanical Sciences. – 2023. – Vol. 248 (5). – P. 108230. – DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2023.108230.

56. Zakovorotny V.L., Gubanova A.A., Lukyanov A.D. Attractive manifolds in end milling // Russian Engineering Research. – 2017. – Vol. 37 (2). – P. 158–163.

57. Zakovorotnyi V.L., Bykador V.S. Сutting-system dynamics // Russian Engineering Research. – 2016. – Vol. 36 (7). – P. 591–598. – DOI: 10.3103/S1068798X16070182.

58. Заковоротный В.Л., Фам Д.Т., Фам Т.Х. Параметрические явления при управлении процессами обработки на станках // Вестник Донского государственного технического университета. – 2012. – Т. 12, № 7 (68). – С. 52–61.

59. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Влияние вибраций на траектории формообразующих движений инструмента при точении // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 3. – С. 42–58. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.3-42-58.

60. Zakovorotny V.L., Gvindzhiliya V.E. Influence of spindle wobble in turning on the workpiece’s surface topology // Russian Engineering Research. – 2018. – Vol. 38. – P. 818–823. – DOI: 10.3103/S1068798X18100192.

61. 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.