Моделирование процесса плоского фрезерования с учетом зависимости динамических характеристик станка

Процесс обработки фрезерованием по своей природе является прерывистым и поэтому неизбежно сопровождается возбуждением вибраций в системе СПИД, что приводит к различному качеству обработанной поверхности, в зависимости от режима обработки. Целью работы является определение эффективных режимов обработки детали фрезой на 3х координатном станке легкого класса, при которых не возникает нежелательных регенеративных автоколебаний, приводящих к существенному ухудшению качества обработанной поверхности. Описаны возникающие в процессе фрезерования вибрации и их влияние на форму обрабатываемой поверхности и рабочий инструмент. Для решения поставленной задачи применена методика численного моделирования динамики процессов обработки резанием, состоящая из 4-ех модулей. Главный модуль представляет собой алгоритм геометрического моделирования. Второй модуль является феноменологической моделью сил резания. Два оставшихся модуля отвечают за моделирование динамики обрабатываемой детали и режущего инструмента под действием переменных во времени сил резания. Рассчитанные значения передаются обратно в алгоритм геометрического моделирования на каждом шаге по времени. Таким образом, модель оказывается замкнутой и за счет этого позволяет учитывать эффект запаздывания в динамической системе. Выбрана и составлена конечно-элементная модель станка для реализации расчета в программном обеспечении 3DCUT. Представлено геометрическое отображение процесса обработки. Найдены собственные частоты и формы для используемой конечно-элементной модели. Выполнен анализ зависимости характера динамического поведения системы от изменения скорости вращения шпинделя за счет проведения многовариантных расчетов. Результаты многовариантного моделирования представлены в виде отображений Пуанкаре для перемещений свободного конца инструмента. Приведенные отображения Пуанкаре позволяют выделить области режимов, сопровождающиеся как вынужденными вибрациями, так и автоколебаниями. Для двух режимов из различных областей на отображении Пуанкаре приведены графики сил резания, толщины срезаемого слоя, перемещений инструмента, а также формы обработанной поверхности, демонстрирующие различия в динамическом поведении системы. Рассмотренная в статье методика моделирования процесса фрезерования с учетом динамики 3-х координатного станка легкого класса позволяет оценить характер и уровень вибраций в технологической системе в зависимости от выбранных режимов обработки за счет построения отображений Пуанкаре по результатам многовариантного моделирования. Приведенные результаты могут быть использованы для выбора эффективных режимов обработки фрезерованием, способствующих повышению качества и производительности обработки.

1. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1980. 408 с.

2. Воронов С.А. Оптимизация процесса вибрационного сверления // Труды МВТУ. Динамика и прочность машин. 1980. № 332. С. 13-25.

3. Воронов С.А., Киселев И.А. Геометрический алгоритм 3MZBL для моделирования процессов обработки резанием. Алгоритм изменения поверхности и определения толщины срезаемого слоя // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. № 6. C. 70-83.

4. Воронов С.А., Киселев И.А. Комплексная математическая модель динамики пространственного фрезерования податливых сложнопрофильных деталей // Проблемы механики современных машин: сб. ст. 5-ой международной НТК. Улан-Удэ. ВСГУТУ. 2012. С. 89-92.

5. Воронов С.А., Киселев И.А., Аршинов С.В. Методика применения численного моделирования динамики многокоординатного фрезерования сложнопрофильных деталей при проектировании технологического процесса // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. № 6. C. 50-69.

6. Budak E. Analytical Prediction of Chatter Stability Conditions for Multi-Degree of Systems in Milling - Part II: Applications // ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control. 1998. Vol. 120, no.1. Pp. 31-36. DOI: 10.1115/1.2801318

7. Budak E., Altintas Y. Analytical Prediction of Chatter Stability in Milling - Part I: General Formulation // ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control. 1998. Vol. 120, no.1. Pp. 22-30. DOI: 10.1115/1.2801317

8. Campomanes M.L., Altintas Y. An Improved Time Domain Simulation for Dynamic Milling at Small Radial Immersions // Trans. ASME. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2003. Vol. 125, no.3. Pp. 416-425. DOI: 10.1115/1.1580852

9. Insperger, T., Stepan, G. Stability of the Milling Process // Periodica Polytechnica Mechanical Engineering. 2000. Vol. 44, №. 1. Pp. 47-57. DOI: 10.1115/1.1580852

10. Ayachit, Utkarsh. The ParaView Guide: A Parallel Visualization Application, Kitware, 2015.

11. Киселев И.А. Геометрический алгоритм 3MZBL для моделирования процессов обработки резанием. Методика описания поверхности заготовки // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. № 6. C. 158-175.

12. Kiselev I., Voronov S. Methodic of Rational Cutting Conditions Determination for 3-D Shaped Detail Milling Based on the Process Numerical Simulation // ASME 2014 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. American Society of Mechanical Engineers. 2014. Pp. V006T10A075. DOI: 10.1115/DETC2014-34894

13. Kiselev I., Voronov S., Arshinov S. Multi-variant simulation of milling of 3-D shaped detail considering changing of workpiece rigidity while cutting // ASME International Design Engineering Technical Conference & Computer and Information in Engineering Conference IDETC/CIE. USA. American Society of Mechanical Engineers. 2014. Pp. V006T10A076. DOI: 10.1115/DETC2014-34896

14. Модульная механика. Модульная механика: веб-сайт. Режим доступа: http://m-drives.ru/ (дата обращения 05.08.16).