Для цитирования:
Заковоротный В. Л., Гвинджилия В. Е. Связь самоорганизации динамической системы резания с изнашиванием инструмента // Известия вузов. ПНД. 2020. Т. 28, вып. 1. С. 46-61. DOI: 10.18500/0869-6632-2020-28-1-46-61
Связь самоорганизации динамической системы резания с изнашиванием инструмента
Цель работы – повышение эффективности процесса металлообработки через согласование внешнего управления от системы ЧПУ с внутренней динамикой системы, её эволюцией, проявляющейся в развитии износа инструмента и влияющей на параметры и динамические свойства взаимодействующих подсистем инструмента и заготовки. Методы. Для раскрытия динамической связи, формируемой процессом резания, между подсистемами инструмента и заготовки приводится математическое описание сил, действующих на инструмент и заготовку, в координатах состояния системы с помощью нелинейных функционально связанных интегродифференциальных уравнений. Анализ выполнен численными методами в математическом пакете Matlab, Simulink. Результаты. В статье показано, что в ходе эволюции динамических свойств системы происходит принципиальное изменение траектории износа инструмента. Каждая траектория является уникальной, определяемой начальными параметрами системы, и чувствительной к их малым вариациям. В данном результате находят объяснение многие явления, рассматриваемые в статье, в том числе и существование ограниченного диапазона скорости резания, при котором запас устойчивости системы максимален, а интенсивность изнашивания инструмента минимальна, что подтверждается экспериментами многих исследователей. Поэтому предлагаются пути управления изнашиваемостью на основе изменения параметров динамической системы и управляемых траекторий исполнительных элементов станка. Заключение. Скорость изнашивания зависит от параметров динамической системы и их изменения, зависящего от фазовой траектории мощности необратимых преобразований поступающей энергии по совершенной работе. Поэтому в отличие от известных исследований скорость изнашивания рассматривается не только зависящей от параметров системы и формируемых притягивающих множеств деформационных смещений, но и от эволюции свойств и параметров, обусловленной необратимыми преобразованиями энергии в зоне резания.
1. Хакен Г. Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии. М., Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. 320 с.
2. Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: Наука, 1985. 296 с.
3. Заковоротный В.Л., Флек М.Б. Динамика процесса резания. Синергетический подход. Ростовна-Дону: Терра, 2006. 876 с.
4. Заковоротный В.Л., Лапшин В.П., Туркин И.А. Управление процессом сверления глубоких отверстий спиральными сверлами на основе синергетического подхода // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2014. № 3(178). С. 33–41.
5. Рыжкин А.А. Синергетика изнашивания инструментальных материалов при лезвийной обработке. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2019. 289 с.
6. Заковоротный В.Л. Нелинейная трибомеханика. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2000. 293 с.
7. Заковоротный В.Л., Санкар Т., Бордачев Е.В. Система оптимального управления процессом глубокого сверления отверстий малого диаметра // СТИН. 1994. № 12. С. 22–25.
8. Заковоротный В.Л., Панов Е.Ю., Потапенко П.Н. Свойства формообразующих движений при сверлении глубоких отверстий малого диаметра // Вестник Донского государственного технического университета. 2001. Т. 1, № 2. С. 81–93.
9. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. 359 с.
10. Tlusty J., Ismail F. Basic non-linearity in machining chatter // CIRP Annals. 1981. Vol. 3. P. 299–304.
11. Warminski J., Litak G., Lipski J., Wiercigroch M., Cartmell M. Chaotic vibrations in regenerative cutting process // Synthesis of Nonlinear Dynamical Systems. 2000. Vol. 73. P. 275–284.
12. Balachandran B. Nonlinear dynamics of milling process // Philosophical Transactions of The Royal Society London: A Mathematical Physical and Engineering Sciences. 2001. Vol. 359. P. 793–819.
13. Stepan G. Modelling nonlinear regenerative effects in metal cutting // Philosophical Transactions of The Royal Society London: A Mathematical Physical and Engineering Sciences. 2001. Vol. 359. P. 739–757.
14. Wiercigroc M., Budak E. Sources of nonlinearities, chatter generation and suppression in metal cutting // Philosophical Transactions of The Royal Society London: A Mathematical Physical and Engineering Sciences: A Mathematical Physical and Engineering Sciences. 2001. Vol. 359. P. 663–693.
15. Litak G. Chaotic vibrations in a regenerative cutting process // Chaos, Solitons and Fractals. 2002. Vol. 13. P. 1531–1535.
16. Guskov A.M., Voronov S.A., Paris H., Batzer S.A. Nonlinear dynamics of a machining system with two interdependent delays // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 2002. Vol. 7(3). P. 207–221.
17. Wang X., Feng C.X. Development of Empirical Models for Surface Roughness Prediction in Finish Turning // The International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology. 2002. Vol. 20(5). P. 348–356.
18. Lipski J., Litak G., Rusinek R., Szabelski K., Teter A., Warminski J., Zaleski K. Surface quality of a work material’s influence on the vibrations of the cutting process // Sound and Vibration. 2002. Vol. 252. P. 737–739.
19. Namachchivaya N.S., Beddini R. Spindle speed variation for the suppression of regenerative chatter // Journal of Nonlinear Science. 2003. Vol. 13. P. 265–288.
20. Stepan G., Szalai R., Insperger T. Nonlinear dynamics of high-speed milling subjected to regenerative effect // Nonlinear Dynamics of Production Systems. 2004. P. 111–127.
21. Brissaud D., Gouskov A., Guibert N., Rech J. Influence of the ploughing effect on the dynamic behavior of the self-vibratory drilling head // CIRP Annals. 2008. P. 385–388.
22. Wahi P., Chatterjee A. Self-interrupted regenerative metal cutting in turning // J. Non-Lin. Mech. 2008. Vol. 43. P. 111–123.
23. Gerasimenko A., Guskov M., Gouskov A., Lorong P., Panovko G. Analytical approach of turning thin-walled tubular parts // Stability analysis of regenerative chatter Vibroengineering Procedia. 2016. Vol. 8. P. 179–184.
24. Gouskov A., Gouskov M., Lorong P., Panovko G. Influence of the clearance face on the condition of chatter self-excitation during turning // Int. J. of Machining and Machinability of Materials. 2017. Vol. 19(1). P. 17–39.
25. Wiercigroc M., Krivtsov A.M. Frictional chatter in orthogonal metal cutting // Philosophical Transactions of The Royal Society London: A Mathematical Physical and Engineering Sciences: A Mathematical Physical and Engineering Sciences. 2001. Vol. 359. P. 713–738.
26. Dombovar Z., Barton D.A., Wilson R.E., Stepan G. On the global dynamics of chatter in the orthogonal cutting model // Int. J. of Non-linear Mechanics. 2011. Vol. 46. P. 330–338. 27. Litak G., Rusinek R. Dynamics of a stainless steel turning process by statistical and recurrence analyses // Mechanic. 2012. Vol. 47. P. 1517–1526.
28. 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.
29. Lamikiz A. Calculation of the specific cutting coefficients and geometrical aspects in sculptured surface machining // Machining Science and Technology. 2005. Vol. 9(3). P. 411–436.
30. Kondratenko K., Guskov M., Gouskov A., Lorong P., Panovko G. Analysis of indirect measurement of cutting forces turning metal cylindrical shells // Vibration Engineering and Technology of Machinery. 2014. P. 929–937.
31. Rusinek 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, № 9. P. 1450115.
32. Воронов С.А., Иванов И.И., Киселев И.А. Исследования процесса фрезерования на основе редуцированной динамической модели // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2015. № 1. С. 62–71.
33. Reith M.J., Bachrathy M., Stepan G. Improving the stability of multi-cutter turning with detuned dynamics // Machining Science and Technology. Machining Science and Technology. 2016. Vol. 20, no. 3. P. 440–459.
34. Воронов С.А., Киселев И.А. Нелинейные задачи динамики процессов резания // Машиностроение и инженерное образование. 2017. № 2(51). С. 9–23.
35. Заковоротный В.Л, Гвинджилия В.Е. Бифуркации притягивающих множеств деформационных смещений режущего инструмента в зависимости от биений шпиндельной группы // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2017. Т. 25, № 6. С. 38–56.
36. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Бифуркации притягивающих множеств деформационных смещений режущего инструмента в ходе эволюции свойств процесса обработки // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2018. Т. 26, № 5. С. 20–38.
37. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Влияние биений шпиндельной группы на геометрическую топологию поверхности детали при токарной обработке // СТИН. 2018. № 4. С. 35–40.
38. Заковоротный В.Л., Губанова А.А., Лукьянов А.Д. Притягивающие множества при фрезеровании концевыми фрезами // СТИН. 2016. № 8. С. 27–33.
39. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Влияние флуктуаций на устойчивость формообразующих траекторий при точении // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2017. № 2(194). С. 52–61.
40. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер В.С. Резание металлов: термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 447 с.
41. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976. 278 с.
42. Мышкис А.Д. Математика. Специальные курсы. М.: Наука, 1971. 443 с.
43. Заковоротный В.Л., Шаповалов В.В. Динамика транспортных трибосистем // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2005. № 12. С. 19–24.
44. Каминскас В.А., Немура А.А. Статистические методы в идентификации динамических систем. Вильнюс: Минтис, 1975. 197 с.
45. Постнов В.В., Шафиков А.А. Разработка эволюционной модели изнашивания режущего инструмента для управления процессом обработки // Вестник УГАТУ. 2012. Т. 11, № 2(29). С. 139–146.
46. Костецкий Б.И., Бершадский Л.И., Чукреев Е.Н. О явлении саморегулирования при износе металлов // Доклады АН СССР. 1970. Т. 191, № 6. С. 1339–1342.
47. 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.
48. Заковоротный В.Л., Фам Д., Нгуен С. Математическое моделирование и параметрическая идентификация динамических свойств подсистем инструмента и заготовки при точении // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2011. № 2(160). С. 38–46.
49. Заковоротный В.Л., Фам Д., Нгуен С., Рыжкин М.Н. Моделирование динамической связи, формируемой процессом точения, в задачах динамики процесса резания (позиционная связь) // Вестник Донского государственного технического университета. 2011. Т. 11. № 3(54). С. 301–311.
- 2171 просмотр