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.
The milling process inherently is on/off, and therefore inevitably there is vibration excitation in the Machine/Fixture/Tool/Part (MFTP) system, which results in a different quality of the treated surface, depending on the machining conditions. The objective is to identify effective operation conditions to cut a part on the 3-way easy class machines when there is no unwanted regenerative self-oscillation, leading to a significant deterioration in the quality of the surface machined. The paper describes vibrations arising during a milling process and their effect on the surface shape and the working tool. To solve this problem we apply a numerical simulation method of cutting dynamics, which consist of 4 modules. The main module is an algorithm of the geometric simulation. The second module is a phenomenological model of the cutting forces. Two remaining modules are responsible for dynamics simulation of the part machined and the cutting tool under time-varying cutting forces. The calculated values are transferred back to the geometric modelling algorithm at each step in time. Thus, the model is closed and allows us to take into account an effect of delay in a dynamic system. A finite element machine model to perform calculation in 3DCUT software has been a selected and compiled. The paper presents geometrical mapping of the machining process and natural frequencies and shapes found for the finite element model. Conducting multivariate calculations allowed us to analyse the dependences of a dynamic behaviour of the system on changing spindle speed. The multivariate modelling results are presented as the Poincare maps for a moving free end of the tool. These Poincare maps allow us to select the operation conditions domains coming both with forced vibration and with self-excited oscillations. On the Poincaré map for two operation conditions of different domains there are graphics of the cutting forces, a thickness of the cutting layer, tool movements, and a shape of the machined surface to demonstrate differences in the dynamic behaviour of the system. A milling process modelling technique considered in the paper, taking into account a dynamics of the cutting 3-way machine of easy class allows us to estimate the nature and the level of vibration in the processing system, depending on the operation conditions selected for machining through building the Poincaré maps based on the results of multivariate modelling. These results can be used to select the effective milling operation conditions that enhance the quality and processing performance.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.