Оценка эффективности подавления автоколебаний при резании по изменению объёма их энергии

Цель – создание инструмента исследователя для оценки и выбора мероприятий по подавлению нежелательных автоколебаний при резании. В качестве количественного критерия эффективности подавления автоколебаний использован объем их внутренней энергии, создаваемой работой радиальной составляющей силы резания. Было принято допущение, что данная работа пропорциональна разности площадей участков срезаемого слоя металла при выходе инструмента из заготовки и врезании в каждом колебании. В качестве объекта исследований был использован маложесткий вал диаметром 48 мм, закрепленный консольно с вылетом 150 мм. Для оценки изменения объема энергии автоколебаний был использован программный продукт на языке SciLab. Обработку вала проводили проходным резцом при частоте вращения шпинделя 208 об/мин с подачей 0,122 мм/ об и глубине резания 0,8 мм. Частоту модуляции скорости резания за оборот заготовки приняли равной 0,5. Изменение разности площадей участков срезаемого слоя металла при выходе инструмента из заготовки и врезании рассчитывали последовательно при варьировании глубины модуляции скорости резания в диапазоне от 0 до 30% с интервалом 1%. По результатам расчета получен график изменения относительной разности площадей участков срезаемого слоя (пропорциональной внутренней энергии автоколебаний), аналогичный графику косинусоиды с убывающим размахом. Установлено, что с повышением глубины модуляции скорости резания объем внутренней энергии автоколебаний резко снижается, периодически пульсируя около нулевых значений. Показано, что условию подавления автоколебаний соответствуют локальные минимумы графика. Для практического использования выбран четвертый локальный минимум, соответствующий глубине модуляции скорости резания, равной 13,5%. Показано, что модуляция скорости резания на данной глубине обеспечила по сравнению с постоянной скоростью резания снижение размаха колебаний более 10 раз, а амплитуды автоколебаний – более 12 раз. Полученные результаты доказывают эффективность предложенного способа оценки изменения объема энергии автоколебаний.

1. Quintana G., Ciurana J. Chatter in machining processes // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2011. Vol. 51. P. 363–376. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2011.01.001.

2. Munoa J., Beudaert X., Dombovari Z., Altintas Y., Budak E., Brecher C., et al. Chatter suppression techniques in metal cutting // CIRP Annals. 2016. Vol. 65. Iss. 2. Р. 785–808. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2016.06.004.

3. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Изд-во Машиностроение, 1967. 359 с.

4. Ташлицкий Н.И. Первичный источник энергии возбуждения автоколебаний при резании металлов // Вестник машиностроения. 1960. № 2. С. 45–50.

5. Зарс В.В. Оценка некоторых механизмов возбуждения вибрации при точении // Автоколебания станков. Вопросы механики и машиностроения: сб. науч. тр. Рига: Рижский технический университет,1967. Вып. 6. С. 15–46.

6. Свинин В.М., Самсонов А.В., Большухин А.О. Подавление автоколебаний при точении нежестких валов пружинящим резцом // Механики – XXI веку. 2014. № 13. С. 112–119. EDN: TIYQNJ.

7. Свинин В.М. Фрезерование с модулированной скоростью резания. Иркутск: ИрГТУ, 2007. 302 с.

8. Merritt H.E. Theory of self-excited machine tool chatter // Journal of Engineering for Industry-Trans- actions of the ASME. 1965. Vol. 87. P. 447–454.

9. Свинин В.М. Самоорганизация вторичных автоколебаний при лезвийной обработке // СТИН. 2006. № 1. С. 7–13.

10. Al-Regib E., Ni Jun, Lee Soo-Hun. Programming spindle speed variation for machine tool chatter suppression // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2003. Vol. 43. Iss. 12. P. 1229–1240. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(03)00126-3.

11. Zhang H., Ni Jun. Internal energy based analysis on mechanism of spindle speed variation for regenerative chatter control // Journal of Vibration and Control. 2010. Vol. 16. Iss. 2. P. 281–301. https://doi.org/10.1177/1077546309103562.

12. Yamato S., Ito T., Matsuzaki H., Kakinuma Y. Programmable optimal design of sinusoidal SSV for regenerative chatter suppression // Procedia Manufacturing. 2018. Vol. 18. P. 152–160. https://doi.org/10.1016/J.PROMFG.2018.11.020.

13. Yamato S., Ito T., Matsuzaki H., Fujita J., Kakinuma Yа. Self-acting optimal design of spindle speed variation for regenerative chatter suppression based on novel analysis of internal process energy behavior // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2020. Vol. 159. Part A. Р. 103639. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2020.103639.

14. Шнепс В.А. Экспериментальное исследование влияния синусоидального изменения скорости на устойчивость резания // Вопросы динамики и прочности. 1970. Вып. 20. С. 123–130.

15. Takemura T., Kitamura T., Hoshi T., Okushimo K. Active suppression of chatter by programmed variation of spindle speed // CIRP Annals. 1974. Vol. 23. Iss. 1. P. 62–76.

16. Inamura T., Sata T. Stability analysis of cutting under varying spindle speed // CIRP Annals. 1974. Vol. 23. Iss. 1. P. 119–120. https://doi.org/10.2493/JJSPE1933.43.80.

17. Hoshi T., Sakisaka N., Moriyama I., Sato M., Higashimoto A., Tokunaga T. Study on practical application of fluctuating speed cutting for regenerative chatter control // The Japan Society of Mechanical Engineers. 1978. Vol. 44. Iss. 379. P. 1085–1093. https://doi.org/10.1299/kikai1938.44.1085.

18. Sexton J., Stone B. The stability of machining with continuously varying spindle speed // CIRP Annals. 1978. Vol. 27. Iss. 1. P. 317–326.

19. Jemielniak K., Widota A. Suppression of self-excited vibration by the spindle speed variation method // International Journal of Machine Tool Design and Research. 1984. Vol. 24. Iss. 3. P. 207–214. https://doi.org/10.1016/0020-7357(84)90005-2.

20. Jayaram S., Kapoor S., DeVor R. Analytical stability analysis of variable spindle speed machining // Journal of Manufacturing Science & Engineering. 2000. Vol. 122. Iss. 3. P. 391–397. https://doi.org/https://doi.org/10.1115/1.1285890.

21. Insperger T., Stepan G. Stability analysis of turning with periodic spindle speed modulation via semi-discretisation // Journal of Vibration & Control. 2004. Vol. 10. Iss. 12. P. 1835–1855. https://doi.org/10.1177/1077546304044891.

22. Otto A., Radons G. Application of spindle speed variation for chatter suppression in turning // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2013. Vol. 6. Iss. 2. P. 102–109. https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2013.02.002.

23. Urbikain G., Olvera D., De Lacalle L.N.L., Elías-Zúñiga A. Spindle speed variation technique in turning operations: modeling and real implementation // Journal of Sound and Vibration. 2016. Vol. 383. P. 384–396. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2016.07.033.

24. Longyang Ding, Sun Yuxin, Xiong Zhenhua. Active chatter suppression in turning by simultaneous adjustment of amplitude and frequency of spindle speed variation // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2020. Vol. 142. Iss. 2. Р. 021004-1–021004-10. https://doi.org/10.1115/1.4045618.

25. СвининВ.М. Выборпараметровмодуляциискоростирезаниядлягашениярегенеративныхавтоколебаний // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2006. № 41. С. 135–142. EDN: JWQPQV.