НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o265.pdf (1286.43Кб)

УДК 621.92

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

В работе представлен обзор литературных источников, посвященных моделированию процесса сверления. Описано как негативное влияние возникающих при резании вибраций на данный технологический процесс (возникновение т.н. чаттера) так и положительные эффекты (дробление стружки). Рассмотрены различные расчетные схемы, используемые в работах, приведено основное уравнение динамики явления с учетом регенеративного эффекта, учитывающее поперечные, осевые и крутильные степени подвижности инструмента. Изложены основные методы для расчета мгновенной толщины срезаемого слоя, используемой в модели сил резания. Подробно разобран вопрос о двух основных существующих подходах к изучению динамики процесса обработки резания применительно к сверлению: аналитический анализ устойчивости и исследование во временной области. Первый метод основан на поиске и последующей оценке  собственных значений дискретезированного по времени дифференциального уравнения движения с запаздыванием. Во втором подходе проводится полноценное численное имитационное моделирование процесса сверления во времени с применением геометрических алгоритмов. Особое внимание в данной работе уделено анализу применяемых моделей сил, действующих на инструмент в процессе обработки. Разобраны основные модели сил резания, используемые в современных работах. Рассмотрены основные подходы к моделированию явления т.н. демпфирования процесса – взаимодействия режущего инструмента по задней грани с обрабатываемой деталью. Отмечена особенность, характерная только для процесса сверления – взаимодействие в зоне перемычки у основания инструмента, где имеет место вдавливание в тело заготовки. Наиболее удачной с точки зрения авторов данной работы является модель, в которой режущая кромка сверла разбивается на три области (зона перемычки, переходная зона, зона главной режущей кромки), для каждой из которых используется своя модель действующих сил. Дополнительным достоинством данного подхода является наличие экспериментальной методики. В конце статьи приведена подробная классификация существующих моделей динамики сверления.
Данная статья подготовлена в ходе выполнения работ по проектной части гос. задания № 9.1073.2014К в сфере научной деятельности.

1. Амосов И.С., Скраган В.А. Точность, вибрации и чистота поверхности при токарной обработке. Л .: Машгиз , 1958. 91 с .
2. Galloway D.F.   Some Experiments  on the  Influence  of Various Factors  on Drilling Performance //   Transactions  of the  ASME. 1957. Vol .  79 . P. 191 - 231 .
3. Sakuma   K .,  Taguchi   K ., Katsuki A.  Self - guiding action of deep - hole - drilling tools // CIRP Annals - Manufacturing Technology. 1981. Vol. 30, is. 1. P. 311-315. DOI:10.1016/S0007-8506(07)60948-2
4. Lee S.J., Eman K.F., Wu S.M. An analysis of the drill wandering motion // ASME Journal of Engineering for Industry. 1986. Vol. 109, no. 4. P. 297–305. DOI:10.1115/1.3187132
5. Zelentsov V.V. The lobing of drilled holes // Soviet Engineering Research. 1981. Vol. 1, no. 10. P. 52–54.
6. Tekinalp O., Ulsoy A.G. Modeling and finite element analysis of drill bit vibrations // ASME Journal of Vibration, Acoustics, Stress, and Reliability in Design. 1989. Vol. 111, no. 2. P. 148–155. DOI:10.1115/1.3269835
7. Rincon D.M., Ulsoy A.G. Effects of drill vibrations on cutting forces and torque // CIRP Annals - Manufacturing Technology. 1994. Vol. 43, no. 1. P. 59–62. DOI:10.1016/S0007-8506(07)62164-7
8. Fujii H., Marui E., Ema S. Whirling Vibration in Drilling. Part 1: Cause of Vibration and Role of Chisel Edge // ASME Journal of Engineering for Industries. 1986. Vol. 108, no. 3. P. 157–162. DOI: 10.1115/1.3187057
9. Fujii H., Marui E., Ema S. Whirling Vibration in Drilling. Part 2: Influence of Drill Geometries, Particularly of the Drill Flank, on the Initiation of Vibration // ASME Journal of Engineering for Industries. 1986. Vol. 108, no. 3. P. 163–168. DOI:10.1115/1.3187058
10. Ema S., Fujii H., Marui E. Whirling Vibration in Drilling. Part 3: Vibration Analysis in Drilling Workpiece with a Pilot Hole // ASME Journal of Engineering for Industries. 1988. Vol. 110, no. 4. P. 315–321. DOI:10.1115/1.3187888
11. Voronov  S.A.,  Gouskov  A.M.,  Batzer  S.A. Modeling vibratory drilling dynamics // Transactions of the ASME, Journal of Vibration and Acoustics. 2001. Vol . 123, no . 4. P . 435-443. DOI:10.1115/1.1387024
12. Гуськов А.М., Воронов С.А., Квашнин А.С. Влияние крутильных колебаний на процесс вибросверления // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана . Сер . Машиностроение . 2007.  № 1 . С . 3-19.
13. Bayly P.V., Metzler S.A., Schaut A.J., Young S.G. Theory of torsional chatter in twist drills: model, stability analysis and composition to test // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2001. Vol. 123, no. 4. P. 552–561. DOI: 10.1115/1.1381399
14. Arvajeh T., Ismail F. Machining stability in high-speed drilling — Part 1: Modeling vibration stability in bending // International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2006. Vol. 46, no. 12-13. P. 1563-1572. DOI:10.1016/j.ijmachtools.2005.09.018
15. Arvajeh T., Ismail F. Machining stability in high-speed drilling— Part 2: time domain simulation of a bending-torsional model and experimental validations // International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2006. Vol. 46, no. 12-13. P. 1573–1581. DOI:10.1016/j.ijmachtools.2005.09.019
16. Roukema J., Altintas Y. Generalized modeling of drilling vibrations. Part I - Time domain model of drilling kinematics, dynamics and hole formation // International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2007. Vol. 47, no. 9. P. 1455–1473. DOI:10.1016/j.ijmachtools.2006.10.005
17. Roukema J.C. , Altintas Y. Generalized Modeling of Drilling Vibrations, Part II: Chatter Stability in Frequency Domain // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2007. Vol. 47, no. 9. P. 1474-1485. DOI:10.1016/j.ijmachtools.2006.10.006
18. Ahmadi K., Altintas Y. Stability of Lateral, Torsional and Axial Vibrations in Drilling // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2013. Vol. 68. P. 63–74. DOI:10.1016/j.ijmachtools.2013.01.006
19. Tobias S., Fishwick W. Vibrations of radial-drilling machines under test and working conditions // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. 1956. Vol. 170, no. 1. P. 232–264. DOI: 10.1243/PIME_PROC_1956_170_028_02
20. Воронов С.А., Киселев И.А. Геометрический алгоритм 3 MZBL для моделирования процессов обработки резанием. Алгоритм изменения поверхности и определения толщины срезаемого слоя // Инженерный журнал: наука и инновации . 2012. № 6. DOI:10.18698/2308-6033-2012-6-261
21. Воронов С.А., Киселев И.А., Аршинов С.В. Методика применения численного моделирования динамики многокоординатного фрезерования сложнопрофильных деталей при проектировании технологического процесса // Инженерный журнал: наука и инновации . 2012. № 6. DOI:10.18698/2308-6033-2012-6-260
22. Киселев И.А. Геометрический алгоритм 3 MZBL для моделирования процессов обработки резанием. Методика описания поверхности заготовки // Инженерный журнал: наука и инновации . 2012. № 6. DOI:10.18698/2308-6033-2012-6-269
23. Armarego E.J.A., Wiriyacosol S., Lorenz G. Thrust and torque prediction in drilling from a cutting mechanics approach // Annals of the CIRP. 1979. Vol. 28, no. 1. P. 87–92.
24. Гуськов А.М. Нелинейная динамика вибрационного сверления. Роль уравнений образования новых поверхностей // Труды симпозиума CSDT -2000. М .: МГТУ «СТАНКИН» , 2000. С . 93-101.
25. Hamade R., Seif C.Y., Ismail F. Using drilling experiments to extract specific cutting force coefficients // International Journal of Machine Tools and Manufacture, to appear.
26. Pirtini M., Lazoglu I. Forces and hole quality in drilling // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2005. Vol. 45, no. 11. P. 1271-1281. DOI:10.1016/j.ijmachtools.2005.01.004
27. Paris H., Brissaud D., Gouskov A., Guibert N., Rech J. Influence of the Ploughing Effect on the Dynamic Behaviour of the Self Vibratory Drilling Head // CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2008. Vol. 57, no. 1. P. 385-388. DOI:10.1016/j.cirp.2008.03.101
28. Guibert N., Paris H., Rech J. A numerical simulator to predict the dynamical behavior of the self-vibratory drilling head // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2008. Vol. 48, no. 6. P. 644-655. DOI:10.1016/j.ijmachtools.2007.11.003
29. Guibert N., Paris H., Rech J., Claudin C.   Identification of thrust force models for vibratory drilling // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2009. Vol. 49, no. 9. P. 730-738. DOI:10.1016/j.ijmachtools.2009.02.007