Усунення вібрацій при кінцевому фрезеруванні на верстатах з ЧПК

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorПетраков, Юрій Володимирович
dc.contributor.authorСікайло, Максим Олександрович
dc.date.accessioned2024-06-11T11:57:23Z
dc.date.available2024-06-11T11:57:23Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractСікайло М.О. Усунення вібрацій при контурному фрезеруванні на верстатах з ЧПК. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню проблеми виникнення вібрацій при фрезеруванні кінцевими фрезами на верстатах з ЧПК. Існують пасивні та активні методи зменшення вібрацій в процесі фрезерування, але вони потребують втручання в конструкцію верстату та/або інструменту, що є вартісним і неуніверсальним. Також ефект зменшення вібрацій можна досягти за рахунок вибору «безвібраційних» режимів різання, які можна зобразити на пелюстковій діаграмі сталості. Це стало можливим завдяки широкому використанню верстатів з ЧПК та сучасних інструментальних матеріалів, що дозволяє сподіватися на значну ефективність від впровадження такого підходу для більшості процесів різання. На виробництві такий режим найчастіше знаходять експериментальним методом проб і помилок. Визначити «безвібраційний» режим різання попередньо, на етапі підготовки управляючої програми, можливо за діаграмою сталості. Проте, для вирішення такої проблеми і досі не створено простих дієвих способів і комп’ютерних засобів, які можуть бути використані безпосередньо на виробництві. Існують декілька методів створення діаграми сталості, однак з причини відсутності загальної моделі про процес різання з урахування зворотних зав’язків в пружній ТОС втрачається адекватність представлення процесу. Експериментальний метод є більш точним, але він неуніверсальний, бо використовується для конкретного верстату, заготовки та інструменту. Для ідентифікації таких режимів різання був створений програмний застосунок, який в автоматичному режимі будує діаграму сталості процесу фрезерування. В програмний застосунок покладена розроблена математична модель процесу кінцевого фрезерування 4-го порядку, що враховує замкненість пружної динамічної системи у вигляді одномасової з двома степенями свободи і додатково замкненої через позитивний зворотний зв'язок за двома координатами через функцію запізнення. Визначення границі сталості відбувається за новим критерієм сталості Найквіста. Моделювання процесу відбувається як в часовому, так і в частотному просторі. Запропонована методика та апаратні засоби для ідентифікації динамічних характеристик технологічної обробляючої системи, а саме: частоти власних коливань, жорсткості та коефіцієнту затухання коливань. Для апробації отриманих результатів був проведений експеримент, який складається з двох етапів. На першому етапі були ідентифіковані динамічні параметри системи верстат-заготовка-інструмент, та автоматично побудована діаграма сталості. На другому етапі були оброблені заготовки на режимах різання, які відповідають отриманій діаграмі сталості. Результати показали дієвість нового критерію сталості Найквіста, та отриманої діаграми сталості. Зміст роботи складається з п’яти розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертації. У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтовано актуальність теми дослідження, розкритий зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами, сформульована мета, завдання, об’єкт та предмет дослідження, вказана наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, визначений особистий внесок здобувача, наведені дані про апробацію, публікації, структуру та обсяг роботи. У першому розділі описаний процес фрезерування кінцевими фрезами, наведені причини поширеного застосування даного методу лезового оброблення. Наведена системна класифікація вібрацій які виникають в технологічній оброблюваній системі, причини їх виникнення і негативні наслідки, які вони спричиняють. Сформульована актуальність дослідження питання усунення вібрацій при контурному фрезерування на верстатах з ЧПК. Проведено огляд та аналіз методів усунення вібрацій при лезовому обробленні, такі як активні та пасивні методи. Розглянуто існуючі методи побудови діаграми сталості, побудова якої дозволяє вибрати «безвібраційні» режими різання. Вказано на недоліки та переваги кожного з методів. Описано параметри, необхідні для побудови діаграми сталості. Вказано що основним чинником виникнення вібрацій є оброблення «за слідом». Виходячи з результатів аналізу літератури була сформульована мета і задачі досліджень. У другому розділі наведений детальний опис математичної моделі. Розроблена математична модель, яка представляє динамічну обробну систему як одномасову з двома степенями свободи, що охоплена негативними зворотними зв’язками за напрямом двох координат. Оброблення за слідом представлене у вигляді позитивних зворотних зв’язків з функцією запізнення в кожному. Математична модель представлена у формі змінних стану, що дозволяє застосувати чисельні методи моделювання для визначення як перехідних, так і частотних характеристик. Представлені розрахункові схеми та структурні схеми. У третьому розділі детально описано створену прикладну програму, яка моделює процес фрезерування кінцевими фрезами у часовому та частотному просторі. Також вона автоматично будує пелюсткову діаграму сталості. Програма враховує частоту власних коливань по кожній осі, коефіцієнт затухання коливань, жорсткість по осям, ширину різання, діаметр фрези та кількість зубів, також параметри заготовки у вигляді коефіцієнтів різання. Описаний новий критерій сталості Найквіста для процесу фрезерування кінцевими фрезами, та створений алгоритм автоматичної побудови діаграми сталості. Дієвість нового критерію сталості Найквіста підтверджена за допомогою моделювання процесу фрезерування для різних варіацій ТОС у часовому та частотному просторі. У четвертому розділі проведений огляд апаратних засобів які використовуються для визначення динамічних характеристик ТОС. А саме, визначення жорсткості та частотної характеристики. Створена вимірювальна система для фіксації силових характеристик ТОС, описані основні параметри та схеми підключення. Система складається з підсилювачів, багатокомпонентного динамометра, спеціального програмного засобу який дозволяє фіксувати силові характеристики. Запропоновані та апробовані на практиці схеми наладки для вимірювання жорсткості та знаходження частоти власних коливань ТОС. Вони дозволяють оперативно визначити динамічні параметри конкретної оброблюваної системи на підприємстві, що дозволяє технологу-оператору верстату автоматично побудувати діаграму сталості саме для його варіанту оброблення. Експериментальним методом знайдені динамічні параметри вертикально-фрезерного верстату мод. 6М13, обробляючого центру з ЧПУ XYZ VMC 1010. У п’ятому розділі представлена побудована діаграма сталості для обробляючого центру з ЧПУ XYZ VMC 1010. Вибрані режими різання та інструмент для проведення експерименту з фрезерування на верстаті. Адекватність отриманих результатів підтверджена як комп’ютерним моделюванням, так і натурним експериментом фрезерування при режимах різання, які потрапляють в область сталості та несталості на графіку SLD. Оцінка рівня вібрацій в системі виконувалась за профілографами шорсткості оброблених на різних режимах поверхонь.
dc.description.abstractotherSikailo M.O. Elimination of vibrations during contour milling on CNC machines. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 131 - Applied Mechanics - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. This dissertation is devoted to solving the problem of vibration during milling with end mills on CNC machines. There are passive and active methods for reducing vibrations during milling, but they require intervention in the design of the machine and/or tool, which is costly and non-universal. The effect of reducing vibrations can also be achieved by selecting "vibration-free" cutting modes, which can be depicted on a petal diagram of stability. This has become possible due to the widespread use of CNC machines and modern tool materials, which allows us to expect significant efficiency from the implementation of this approach for most cutting processes. In production, this mode is most often found by experimental trial and error. It is possible to determine the "vibration-free" cutting mode beforehand, at the stage of preparing the control program, using a stability diagram. However, to solve this problem, there are still no simple, effective methods and computer tools that can be used directly in production. There are several methods for creating a stability diagram, but due to the lack of a general model of the cutting process with regard to the backlash in elastic TOC, the adequacy of the process representation is lost. The experimental method is more accurate, but it is not universal because it is used for a specific machine, workpiece, and tool. To identify such cutting modes, a software application was created that automatically builds a diagram of the stability of the milling process. The software application is based on the developed mathematical model of the 4th order final milling process, which takes into account the closedness of the elastic dynamic system in the form of a single-mass system with two degrees of freedom and additionally closed due to positive feedback in two coordinates through the delay function. The stability limit is determined by the new Nyquist stability criterion. The process is modeled in both time and frequency space. A methodology and hardware are proposed to identify the dynamic characteristics of the technological processing system, namely, the frequency of natural oscillations, stiffness, and the oscillation damping coefficient. To test the results obtained, an experiment consisting of two stages was conducted. At the first stage, the dynamic parameters of the machineworkpiece-tool system were identified and a stability diagram was automatically generated. At the second stage, the workpieces were processed at cutting modes that correspond to the obtained stability diagram. The results showed the effectiveness of the new Nyquist stability criterion and the resulting stability diagram. The work consists of five chapters in which the main results of the thesis are presented and substantiated. The introduction provides a general description of the work, substantiates the relevance of the research topic, reveals the connection of the work with scientific programs, plans and topics, formulates the purpose, objectives, object and subject of the study, indicates the scientific novelty and practical significance of the results obtained, identifies the personal contribution of the applicant, provides data on testing, publications, structure and scope of the work. In the first chapter describes the process of milling with end mills, the reasons for the widespread use of this method of blade machining are given. A systematic classification of vibrations that occur in the processed system, the causes of their occurrence and the negative consequences they cause is given. The relevance of the study of the issue of eliminating vibrations during contour milling on CNC machines is formulated. A review and analysis of methods for eliminating vibrations during blade machining, such as active and passive methods, are carried out. The existing methods of constructing a stability diagram are considered, the construction of which allows choosing "vibration-free" cutting modes. The advantages and disadvantages of each method are pointed out. The parameters necessary for constructing a stability diagram are described. It is indicated that the main factor in the occurrence of vibrations is "trailing" machining. The results of the literature analysis made it possible to formulate the goal and objectives to achieve the goal. The second chapter detailed description of the mathematical model. A mathematical model has been developed that represents a dynamic machining system as a single-mass system with two degrees of freedom, which is affected by negative feedback in the direction of two coordinates. The trace processing is represented in the form of positive feedbacks with a delay function in each. The mathematical model is presented in the form of state variables, which allows the use of numerical modeling methods to determine both transient and frequency characteristics. Calculation schemes and structural diagrams are presented. The third chapter describes in detail the developed application program that simulates the process of milling with endmills in time and frequency space. It also automatically builds a petal diagram of stability. The program takes into account the frequency of natural oscillations along each axis, the damping coefficient of oscillations, axial stiffness, cutting width, cutter diameter, and number of teeth, as well as workpiece parameters in the form of cutting coefficients. A new Nyquist stability criterion for the process of milling with end mills is described, and an algorithm for automatically constructing a stability diagram is created. The effectiveness of the new Nyquist stability criterion is confirmed by modeling the milling process for various variations of the TOC in time and frequency space. In the fourth chapter, we review the hardware used to determine the dynamic characteristics of the TOC. Namely, the determination of stiffness and frequency response. A measuring system for fixing the force characteristics of the TOS is created, and the main parameters and connection diagrams are described. The system consists of amplifiers, a multicomponent dynamometer, and a special software tool that allows to record the power characteristics. The authors propose and test in practice the adjustment schemes for measuring the stiffness and finding the natural frequency of the TOS. They make it possible to quickly determine the dynamic parameters of a particular processed system at an enterprise, which allows the machine operator to automatically build a stability diagram for his or her processing option. The dynamic parameters of a vertical milling machine mod. 6M13, a CNC machining center XYZ VMC 1010. The fifth chapter presents the constructed stability diagram for the XYZ VMC 1010 CNC machining center. The cutting modes and tool were selected for the milling experiment on the machine. The adequacy of the results obtained was confirmed by both computer modeling and a full-scale milling experiment at cutting modes that fall into the region of stability and instability on the SLD graph. The vibration level in the system was assessed using the roughness profilers of the surfaces machined at different modes.
dc.format.extent149 с.
dc.identifier.citationСікайло, М. О. Усунення вібрацій при кінцевому фрезеруванні на верстатах з ЧПК : дис. … д-ра філософії : 131 – Прикладна механіка / Сікайло Максим Олександрович. – Київ, 2024. – 149 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/67093
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectсталість процесу кінцевого фрезерування
dc.subjectідентифікація динамічних параметрів обробної системи
dc.subjectдіаграма сталості
dc.subjectрегенеративна вібрація
dc.subjectконтурне фрезерування
dc.subjectматематична модель процесу контурного фрезерування
dc.subjectчастотна характеристика
dc.subjectкритерій стійкості
dc.subjectstability of the final milling process
dc.subjectidentification of dynamic parameters of the machining system
dc.subjectstability diagram
dc.subjectregenerative vibration
dc.subjectcontour milling
dc.subjectmathematical model of the contour milling process
dc.subjectfrequency response
dc.subjectstability criterion
dc.subject.udc621.91.01:621.92
dc.titleУсунення вібрацій при кінцевому фрезеруванні на верстатах з ЧПК
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Sikailo_dys.pdf
Розмір:
6.31 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ТМ)
Дисертації (вільний доступ)