Моделирование динамики процесса фрезерования тонкостенных сложнопрофильных деталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Киселев, Игорь Алексеевич

• Киселев, Игорь Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Киселев, Игорь Алексеевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ "

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ 12 ФРЕЗЕРОВАНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

1.1. Обзор ранее разработанных моделей динамики процесса ^ ^ фрезерования

1.1.1. Методы моделирования динамики плоского фрезерования ^ ^

1.1.2. Методы моделирования динамики пространственного 25 фрезерования

1.1.3. Алгоритмы геометрического моделирования, применяемые ^у для моделирования 5-координатного фрезерования

1.1.4. Применение метода конечных элементов для

1С

моделирования поведения сложнопрофильных деталей в процессе пространственной обработки фрезерованием

1.1.5. Модели сил резания и определение их параметров

1.1.6. Экспериментальные и расчетные критерии качества ^ обработки сложнопрофильных деталей

1.2. Концепция моделирования динамики фрезерования сложнопрофильных деталей и ее применение для определения ^ рациональных режимов обработки

Выводы по главе 1. Формулировка целей и задач исследования

Глава 2. КОМПЛЕКСНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ 61 ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ

2.1. Структура имитационной модели динамики пространственного

фрезерования

2.2. Модель инструмента

2.3. Алгоритм геометрического моделирования

2.3.1. Модель поверхности обрабатываемой детали. Алгоритм ЗМгВЬ

75

2.3.2. Алгоритм определения толщины срезаемого слоя

107

2.3.3. Алгоритм изменения поверхности обрабатываемой детали по мере удаления материала режущими кромками инструмента

2.4. Модель динамики обрабатываемой детали на основе метода ^^ конечных элементов

2.4.1. Определение собственных частот и форм колебаний детали

2.4.2. Интегрирование уравнений движения детали методом ^^ разложения по собственным формам

2.4.3. Учет влияния снятия припуска на динамические характеристики обрабатываемой детали. Алгоритм коррекции ^^ сетки конечно-элементной модели

2.5. Итерационное уточнение усилий резания в процессе ^ 2 моделирования движения системы

2.6. Расчетно-экспериментальная методика определения коэффициентов моделей сил резания

2.6.1. Модели усилий резания * ^5

2.6.2. Использование алгоритма Нелдера-Мида для численно-

1

экспериментального определения коэффициентов модели сил 1 ' резания

Выводы по главе 2

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЕРИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ 132 МОДЕЛИ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ

3.1. Экспериментальное определение коэффициентов модели сил резания

3.1.1. Коэффициенты модели сил резания для цилиндрической ^ ^ фрезы с винтовыми режущими кромками

3.1.2. Коэффициенты модели сил резания для сферической ^^ концевой фрезы с винтовыми режущими кромками

3.2. Исследование динамики процесса плоского фрезерования на примере модели динамической системы с одной степенью свободы

3.2.1. Описание расчетной схемы, испытательного стенда и измерительной системы

147

147

3.2.2. Моделирование вынужденных колебаний под действием ^^ сил резания

3.2.3. Моделирование вибраций при фрезеровании с учетом запаздывания и сравнение с результатами эксперимента

153

3.3. Исследование динамики процесса пространственного ^^ фрезерования консольно закрепленной пластины

3.3.1. Описание экспериментальной установки и измерительной системы

171

175

3.3.2. Коррекция конечно-элементной модели заготовки с применением результатов экспериментального модального анализа

3.3.3. Результаты моделирования процесса фрезерования, ^у^ Сопоставление с экспериментальными данными

Выводы по главе 3

Глава 4. СТРАТЕГИЯ ВЫБОРА РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ 5-КООРДИНАТНОГО 189 ФРЕЗЕРОВАНИЯ ТОНКОСТЕННОЙ ПРОФИЛИРОВАННОЙ ДЕТАЛИ

4.1. Постановка численного эксперимента: параметры детали, ^д^ заготовки, инструмента и маршрута обработки

4.2. Модель динамики обрабатываемой детали и изменение ее динамических характеристик по мере снятия материала

4.3. Моделирование динамики 5-координатной обработки профиля с целью анализа качества и выбора оптимальных режимов

ПРИЛОЖЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ

194

198

202

214

4.3.1. Построение диаграмм показателей качества режимов обработки при моделировании динамики обрабатываемой детали с учетом 1 собственной частоты

4.3.2. Построение диаграмм показателей качества режимов обработки при моделировании динамики обрабатываемой детали с учетом 5 собственных частот детали

4.3.3. Оценка критериев качества процесса обработки детали. 220 Стратегия выбора рациональных режимов обработки

Выводы по главе 4

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование динамики процесса фрезерования тонкостенных сложнопрофильных деталей»

ВВЕДЕНИЕ

В современном машиностроении постоянно происходит усложнение технологических процессов механической обработки, обусловленное необходимостью создавать детали машин со сложной геометрической формой и высокими требованиями по точности и качеству обработанной поверхности. Ярким примером является широкое внедрение в аэрокосмическое производство 5-координатных обрабатывающих центров. 5-координатное фрезерование позволяет выполнять обработку сложных деталей (например, лопаток ГТД) за один установ, что дает возможность повысить точность и производительность изготовления, а также отказаться от применения специальных приспособлений. Еще одним достоинством 5-координатного фрезерования является возможность обработки труднодоступных зон детали с использованием наклона оси инструмента. За счет автоматизации процесса проектирования технологического процесса удается расширить номенклатуру изготавливаемых изделий и сократить время их подготовки к производству. Платой за указанные достоинства многоосевой обработки фрезерованием является высокая сложность применяемого оборудования и программного обеспечения для расчета маршрутов обработки.

Дополнительные сложности возникают в процессе обработки фрезерованием податливых сложнопрофильных деталей, таких как лопатки газотурбинных двигателей. В этом случае могут возбуждаться ощутимые вибрации инструмента и обрабатываемой детали при определенных режимах обработки. Возникающие в процессе обработки вибрации в значительной степени снижают положительный эффект от применения многокоординатной технологии фрезерования, поскольку в этом случае не удается достичь удовлетворительных параметров обработанной поверхности, точности геометрических размеров детали, кроме того, ускоряется износ инструмента

и узлов металлорежущего станка. Таким образом, следует избегать возникновения существенных вибраций в процессе обработки.

Отличительной особенностью фрезерования является прерывистый процесс резания, в этом случае в системе фреза-деталь неизбежно возбуждаются вибрации, которые могут иметь различные механизмы: вынужденные колебания и регенеративные колебания (автоколебания). Вынужденные колебания возникают из-за периодического характера изменения сил резания (прерывистый характер) и происходят на частоте прохождения режущих кромок фрезы и ее кратных гармониках. Если частота прохождения режущих кромок не приближается ни к одной из собственных частот системы фреза-деталь, то данный тип вибраций приводит к незначительным отклонениям толщины срезаемого слоя и сил резания от их значений в случае отсутствия вибраций и, следовательно, не представляет опасности для динамической устойчивости процесса обработки. Если же частота возбуждения приближается к одной из собственных частот, то амплитуда вибрации нарастает до неприемлемых значений из-за резонансных явлений, что приводит к существенному ухудшению качества обрабатываемой поверхности и потере геометрической точности.

Второй тип вибраций, регенеративный, возникает за счет возбуждения

при резании поверхности, образованной во время предыдущего прохода

режущей кромки инструмента. Таким образом, в системе фреза-деталь

возникает механизм запаздывания: колебания фрезы отражаются на

микрорельефе обрабатываемой поверхности и с задержкой оказывают

влияние на динамическое поведение системы при резании той же

поверхности следующим зубом фрезы. В этом случае колебания системы

происходят на частоте, отличной от частоты прохождения режущих кромок и

стремящейся к одной из собственных частот системы. Амплитуды колебаний

оказываются весьма значительными и вибрации приводят к существенному

снижению показателей качества обработки. С нарастанием амплитуд резание

начинает дополнительно многократно прерываться при прохождении каждой

7

режущей кромки, происходят многократные дополнительные удары режущей кромки об обрабатываемую поверхность. Следствием данного эффекта является существенное (многократное) увеличение амплитуд сил резания, что приводит к ускоренному износу инструмента или его поломке. Основным механизмом возникновения автоколебаний в данном случае является регенерация ранее обработанной поверхности. Появление данного типа вибраций в системе фреза-деталь говорит о динамической неустойчивости процесса обработки и является наиболее опасным для качества обработки.

Характер динамического поведения системы с одной стороны зависит от параметров режима обработки, таких как скорость подачи, скорость вращения инструмента, глубина фрезерования, углы наклона и опережения инструмента, а с другой стороны оказывает серьезное влияние на качество обработки. Поэтому выбор режимов 5-координатного фрезерования сложнопрофильных податливых деталей требует особого, тщательного подхода, учитывающего динамическое поведение системы фреза-деталь и ее комплексный, нелинейный характер, в том числе механизм запаздывания. Обычный, общепринятый процесс подготовки технологического процесса обработки фрезерованием состоит из следующих операций: подготовка геометрической модели в ОАЭ-программе, расчет маршрута обработки в САМ программе, проверка маршрута на выполнимость и отсутствие столкновений (с привязкой к конкретному станку), генерация управляющего кода станка с ЧПУ (КС-кода), отработка ЫС-кода на станке. При обработке сложнопрофильных податливых деталей в цепочку подготовки технологического процесса после генерации ЫС-кода необходимо включить дополнительный этап: виртуальную отработку управляющего кода станка ЧПУ в программе, моделирующей динамику процесса фрезерования. При таком подходе появляется возможность выбрать рациональные режимы обработки, гарантирующие высокую производительность и качество поверхности обработанной детали, снижение износа фрезы и

металлорежущего станка, а также исключить погрешности формы и опасные вибрации.

В опубликованных исследованиях были выявлены основные механизмы возбуждения вибраций при резании в применение к различным схемам фрезерования, а также разработано большое количество математических моделей динамики процесса фрезерования. Несмотря на то, что описанные подходы позволяют моделировать динамику процесса фрезерования, каждый из них имеет недостатки: либо не учитывается изменение динамических характеристик заготовки по мере снятия материала, либо алгоритм геометрического моделирования содержит в себе возможность возникновения существенных погрешностей, или непригоден для моделирования обработки сложнопрофильных деталей, либо исследуется только устойчивость процесса обработки и при этом не может быть рассчитана амплитуда вибраций и величина сил резания из-за нелинейности системы.

Таким образом, в настоящее время отсутствуют методики и соответствующие программные средства, позволяющие выполнять комплексное имитационное моделирование динамики процесса 5-ти координатного фрезерования податливых тонкостенных деталей и выбирать рациональные режимы обработки на основе результатов моделирования. Эти обстоятельства определили актуальность исследования динамики 5-координатного фрезерования сложнопрофильных податливых деталей с учетом перечисленных недостатков существующих моделей.

Целью диссертационной работы является разработка математической модели, алгоритма и программы для анализа динамики процесса пространственного фрезерования сложнопрофильных податливых деталей, позволяющей повысить качество поверхности и производительность обработки.

Реализация поставленных задач осуществляется по следующему плану:

1) Обзор разработанных моделей динамики процесса фрезерования и их роли в процессе разработки технологического процесса - глава 1;

2) Разработка комплексной математической модели динамики пространственного фрезерования податливых сложнопрофильных деталей -глава 2;

3) Проведение экспериментов по определению коэффициентов модели сил резания; проведение верификационных экспериментов для проверки моделирования динамики обработки фрезерованием при помощи методики, изложенной в п.2 - глава 3;

4) Многовариантное численное моделирование динамики процесса 5-координатного фрезерования пространственного профиля с целью выбора рациональных режимов обработки и оценка показателей качества поверхности обработанной детали - глава 4;

5) Общие выводы по работе; предложения по дальнейшему развитию исследования.

Научная новизна

- комплексная математическая модель процесса пространственного фрезерования, объединяющая в себе динамическую модель фрезы, конечно-элементную модель обрабатываемой детали с учетом влияния снятия материала на динамические характеристики, модель определения сил резания и толщин срезаемого слоя с учетом механизма запаздывания на основе геометрического алгоритма формирования новых поверхностей;

- расчетно-экспериментальная методика определения коэффициентов модели сил резания, использующая разработанный аппарат математического моделирования процесса пространственного фрезерования и алгоритм оптимизации Нелдера-Мида;

- комплексный подход к оценке качества обработки детали, учитывающий амплитуды вибраций инструмента и детали, характер их изменения в процессе обработки, отклонения геометрических параметров

формы поверхности, а также величины сил резания.

10

Практическая значимость работы заключается в следующих результатах

- для применения предложенной математической модели на практике разработана вычислительная компьютерная программа на языке С++, а также комплекс программ для просмотра и анализа результатов на языке Ма1:ЬАВ;

- предложена расчетно-экспериментальная методика определения коэффициентов модели сил резания, использующая разработанный аппарат математического моделирования процесса пространственного фрезерования и алгоритм оптимизации Нелдера-Мида;

- сформулированы критерии оценки качества обработки по результатам моделирования, а также подход к выбору рациональных режимов обработки.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Киселев, Игорь Алексеевич

выводы

1) Разработана математическая модель динамики процесса пространственного фрезерования сложнопрофильных податливых деталей, учитывающая нелинейность динамической системы, эффект запаздывания и изменение динамических характеристик заготовки в процессе обработки на основе метода конечных элементов.

2) Разработан алгоритм и программа для анализа динамики процесса пространственного фрезерования сложнопрофильных податливых деталей, позволяющая выбирать рациональные режимы обработки по критерию качества поверхности и производительности технологического процесса за счет проведения многовариантных расчетов при изменении технологических параметров.

3) Разработана новая расчетно-экспериментальная методика определения коэффициентов модели сил резания, применимая для моделирования динамики обработки различными типами фрез со сложной геометрией режущей кромки.

4) Проведенная экспериментальная верификация разработанной математической модели динамики 5-координатного фрезерования показала качественное и количественное соответствие результатов расчета и эксперимента.

5) Введены новые критерии оценки качества процесса обработки фрезерованием на основании рассчитываемых в процессе моделирования диаграмм амплитуд вибраций, усилий резания и их спектра.

6) Разработанные программные средства обеспечивают высокую производительность моделирования за счет предложенных в настоящей работе модификаций алгоритма геометрического моделирования и за счет введения параллельного сетевого алгоритма для многовариантного моделирования.

7) Разработанная методика выбора рациональных режимов обработки на основе численного моделирования динамики 5-координатного фрезерования внедрена в филиале НИИД «ММПП «САЛЮТ».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Киселев, Игорь Алексеевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Амосов И.С. Осциллографические исследования вибраций при резании металлов // Точность механической обработки и пути ее повышения. М.: Машгиз, 1951. С. 414-477.

2. Амосов И.С., Скраган В.А. Точность, вибрации и чистота поверхности при токарной обработке. Л.: Машгиз, 1958. 91 с.

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

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

5. Воронов С.А. Разработка математических моделей и методов анализа динамики процессов абразивной обработки отверстий: Дис. ... докт. тех. наук (01.02.06): М., 2008. 309 с.

6. 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.

7. 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. С. 70-83.

8. Воронов С.А., Киселев И.А., Аршинов C.B. Методика применения численного моделирования динамики многокоординатного фрезерования сложнопрофильных деталей при проектировании технологического процесса. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. № 6. С. 5069.

9. Воронов, С.А., Николаев С.М., Киселев И.А. Расчетно-экспериментальная

методика индентификации параметров модели механической системы с

228

помощью модального анализа. // Проблемы механики современных машин: сб. ст. 5-ой международной НТК. Улан-Удэ. ВСГУТУ. 2012. С. 96-100.

10. Гуськов A.M., Воронов С.А., Светлицкий В.А. Возбуждение поперечных автоколебаний стебля инструмента при глубоком сверлении. // Расчеты на прочность: Сб. статей. 1979. № 20. С. 172-182.

11. Гуськов A.M. Разработка методов построения и анализа динамических моделей технологических процессов при механической обработке: Дис. ... докт. тех. наук (01.02.06): М., 1997. 335 с.

12. Гуськов A.M. Нелинейная динамика вибрационного сверления. Роль уравнений образования новых поверхностей // Труды симпозиума CSDT-2000. М., 2000. С.93-101.

13. Гуськов A.M. Динамика двухрезцового точения / A.M. Гуськов, С.А. Воронов // Динамика, прочность и износостойкость машин. 2002. №9. С. 316.

14. Гуськов A.M., Воронов С.А., Квашнин A.C. Влияние крутильных колебаний на процесс вибросверления. // Вестник МГТУ им Н.Э.Баумана. Серия Машиностроение. 2007. № 1. С. 3-19.

15. Дроздов H.A. К вопросу о вибрациях станка при токарной обработке // Станки и инструмент. 1937. № 22. С. 10-17.

16. Еременко С.Ю. Методы конечных элементов в механике деформируемых тел. Харьков: «Основа» при Харьковском государственном университете. 1991.273 с.

17. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: МИР. 1975. 541 с.

18. Капшунов В.В. Повышение виброустойчивости и производительности концевого фрезерования способом модуляции скорости резания: Дис. ... канд. техн. наук (05.03.01): Чита, 2003. 193 с.

19. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1944. 282 с.

20. Киселев И.А. Моделирование динамики пространственного фрезерования податливых сложнопрофильных деталей с учетом изменения их динамических характерстик // XXIII Международная инновационно ориентированная конференция молодых ученых и студентов: Тез. докл. НТК М.: ИМАШ РАН. 2011. С. 171.

21. 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. С. 158175.

22. Лицов А.Е. Разработка расчетного метода определения технологических условий концевого фрезерования маложестких деталей с учетом их деформаций: Дис. ... канд. техн. наук (05.02.08): Рыбинск, 2005. 147 с.

23. Корендясев Г.К. Термомеханическая модель возбуждения автоколебаний при обработке металлов резанием: автореф. дис. ...канд. техн. наук (01.02.06) М., 2012. 22 с.

24. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. 357 с.

25. Кузнецов А.П., Кузнецов С.П., Рыскин Н.М. Нелинейные колебания. М.: Физматлит, 2002. 194 с.

26. Ловыгин A.A., Васильев A.B., Кривцов С.Ю. Современный станок с ЧПУ и CAD/CAM система. М.: «Эльф ИПР», 2006. 286 с.

27. Мышкис А.Д. Линейные дифференциальные уравнения с запаздывающим аргументом. М.: Гостехиздат. 1972. 352 с.

28. Некрасов В.Н. Управление качеством деталей путем прогнозирования топографии обработанной поверхности с использованием имитационного моделирования (на примере торцевого фрезерования): Дис. ... канд. техн. наук (05.03.01): Барнаул, 2007. 118 с.

29. ОСТ 1 02571 - 86. Лопатки компрессоров и турбин. Предельные отклонения размеров, формы и расположения пера. М.: Изд-во стандартов, 1986.36 с.

30. Сегерлинд Jl. Применение метода конечных элементов. М.: МИР, 1979. 392 с.

31. Соколовский А.П. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машгиз, 1955. 551 с.

32. Станкевич С.А. Разработка на основе метода конечных элементов модели и способа управления траекторией рабочего движения инструмента при фрезеровании сложнопрофильных деталей (на примере лопаток ГТД): Дис. ... канд. техн. наук (05.02.08): Рыбинск, 2008. 160 с.

33. Тлустый И. Автоколебания в металлорежущих станках; Пер. с чешек. М.: Машгиз, 1956. 395 с.

34. Шведов Н.Г. Автоматизация и управление процессом многолезвийной механической обработки на основе динамического моделирования технологической системы: Дис. ... канд. техн. наук (05.13.06): Санкт-Петербург, 2008. 180 с.

35. Эльсгольц J1.E., Норкин С.Б. Введение в теорию дифференциальных уравнений с отклоняющимся аргументом. М.: Наука. 1971. 296 с.

36. Altintas Y., Montgomery D,, Budak E. Dynamic peripheral milling of flexible structures // Journal of Engineering for Industry. 1992. V. 114, № 2. P.137-145.

37. Altintas Y., Budak E. Analytical Prediction of Stability Lobes in Milling // Annals of CIRP. 1995. V.44, № 1. P. 357-362.

38 Altintas Y., Lee P. A general mechanics and dynamics model for helical end mills // Annals of the CIRP. Manufacturing Technology. 1996. V. 45, №. 1. P.59-64.

39. Altintas Y. Manufacturing automation. Cambridge: Cambridge University Press, 2000. 286 p.

40. Altintas Y., Week M. Chatter Stability of Metal Cutting and Grinding // Annals of CIRP. 2004. V. 53, № 2. P. 619-642.

41. Anderson R.O. Detecting and eliminating collisions in NC machining//

Computer Aided Design. 1978. V. 10, №. 2. P. 231-237.

231

42. Simulation of low rigidity part machining applied to thin-walled structures / Arnaud L. [et al] // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2011. V. 54. P. 479-488.

43. Balachandran B., Zhao M.X. A mechanics based model for study of dynamics of milling operations // Meccanica. 2000. V. 35. P. 89-109.

44. Bathe K-J. Finite element procedures. New Jersey: Prentice Hall, 1996. 1037 p.

45. Biermann D., Kersting P., Surmann T. A general approach to simulating workpiece vibrations during five-axis milling of turbine blades // CIRP Annals. Manufacturing Technology. 2010. V. 59. P. 125-128.

46. Stability limits of milling considering the flexibility of the workpiece and the machine / Bravo U. [et al] // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2005. V. 45. P. 1669-1680.

47. Budak E., Altintas Y. Modeling and avoidance of static form errors in peripheral milling of plates // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1995. V. 35, № 3. P. 459^176.

48. Budak E., Altintas Y., Armarego E.J.A. Prediction of Milling Force Coefficients from Orthogonal Cutting Data // Transactions of ASME Journal of Manufacturing Science. 1996. V. 118. P. 216-224.

49. Budak E. Analytical Prediction of Chatter Stability Conditions for Multi-Degree of Systems in Milling - Part II: Applications / E. Budak, Y. Altintas // ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control. 1998. V. 120. P. 31-36.

50. Budak E., Altintas Y. Analytical Prediction of Chatter Stability in Milling -Part I: General Formulation // ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control. 1998. V. 120. P. 22-30.

51. Budak E. Analytical models for high performance milling. Part I: Cutting forces, structural deformations and tolerance integrity // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2006. V. 46. P. 1478-1488.

52. Budak E., Ozturk E., Tunc L.T. Modeling and Simulation of 5-Axis Milling

Processes // Annals of CIRP, Manufacturing Technology. 2009. V. 58. P. 347-350.

232

53. 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. V. 125. P. 416-425.

54. General geometric modeling approach for machining process simulation / El-Mounayri H. [et al] // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 1997. V. 13. P. 237-247.

55. Elbestawi M. A., Sagherian R. Dynamic Modeling for the Prediction of Surface Errors in Milling of Thin-Walled Sections // Journal of Material Processing Technologies. 1991. V. 25, № 2. P. 215-228.

56. Engin S., Altintas Y. Mechanics and dynamics of general milling cutters part 1: helical end mills // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2001. V. 41. P. 917-924.

57. Feng H.Y., Menq C.H. The Prediction of Cutting Forces in the Ball-End Milling Process - Part I: Model Formulation and Model Building Procedure // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1994. V. 34. P. 697-710.

58. Fussel B.K., Jerard R.B., Hemmett J.G. Modeling of cutting geometry and forces for 5-axis sculptured surface machining // Computer-Aided Design. 2003. V. 35, №. 4. P. 333-346.

59. Gang L. Study on deformation of titanium thin-walled part in milling process // Journal of materials processing technology. 2009. V. 209. P.2788-2793.

60. Guzel B.U., Lazoglu I. Sculpture surface machining: a generalized model of ball-end milling force system // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2003. V. 43, №. 5. P. 453-462.

61. Hook T.V. Real-time shaded NC milling display // Computer Graphics. 1986. V. 20, №4. P. 15-20.

62. Hsu P.L., Yang W.T. Real time 3D simulation of 3-axis milling using isometric projection // Computer Aided Design. 1993. V. 25, №. 4. P. 215-224.

63. Insperger, T., Stepan, G. Stability of the Milling Process // Periodica Polytechnica Mechanical Engineering. 2000. V. 44, №. 1. P. 47-57.

64. Stability of Up-milling and Down-milling, Part 1: Alternative analytical methods / Insperger T. [et al] // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2003. V. 43. P. 25-34.

65. Jerard R.B., Fussell B.K., Ercan M.T. On-line optimization of cutting conditions for nc machining // Proceedings of NSF Design, Manufacturing and Industrial Innovation Research Conference. Tampa, FL, USA, 2001. P. 3742.

66. Kersting P., Biermann D. Simulation concept for predicting workpiece vibrations in five-axis milling // Machining Science and Technology. 2009. V. 13, № 2. P. 196 - 209.

67. Kim G.M., Cho P.J., Chu C.N. Cutting force prediction of sculptured surface ball-end milling using Z-map // International Journal of Machine Tools and Manufacturing. 2000. V. 40. P. 277-291.

68. Kline W.A., DeVor R.E. The Prediction of Surface Accuracy in End Milling // Trans. ASME. Journal of Engineering for Industry. 1982. V. 104. P. 272-278.

69. Calculation of the specific cutting coefficients and geometrical aspects in sculptured syrface machining / Lamikiz A. [et al] // Machining Science and Technology. 2005. V. 9, № 3. P. 411-436.

70. Lazoglu I. Sculpture Surface Machining: A Generalized Model of Ball-End Milling Force System // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2003. V. 43. P. 453^162.

71. Lee P., Altintas Y. Prediction of Ball-End Milling Forces from Orthogonal Cutting Data // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1996. V. 36, №9. P. 1059-1072.

72. Lee S.K., Ko S.L. Development of simulation system for machining process using enhanced Z map model // Journal of Materials Processing Technology. 2002. V 130-131. P. 608-617.

73. Lorong Ph., Coffignal G., Guskov M. Simulation of a finishing operation: milling of a turbine blade and influence of damping // Proceedings of ASME 11-th

Biennal Conference on Engineering Systems design and analysis ESDA. Nantes, France, 2012. P. 203-219.

74. Meagher D. Geometric modeling using octree method // Computer Graphics and Image Processing. 1982. V. 19. P. 129-147.

75. Merdol S.D., Altintas Y. Multi Frequency Solution of Chatter Stability for Low Immersion Milling // Trans. ASME. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 1995. V. 126. P. 459-465.

76. Merrit H.E. Theory of Self-Excited Machine Tool Chatter // Trans. ASME. Journal of Engineering for Industry. 1965. V. 87. P. 447-454.

77. Analysis of linear and nonlinear chatter in milling / Minis I. [et al] // Annals of the CIRP - Manufacturing Technology. 1990. V. 39, № 1. P. 459-462

78. Minis I., Yanushevsky T. A New Theoretical Approach for the Prediction of Machine Tool Chatter in Milling // Trans. ASME. Journal of Engineering for Industry. 1993. Y. 115. P. 111-118.

79. Montgomery, D., Altintas, Y Mechanism of cutting force and surface generation in dynamic milling // Trans. ASME. Journal of Engineering for Industry. 1991. V.113. P.160-168.

80. Movahhedy M., Gadala M.S., Altintas Y. Simulation of the orthogonal metal cutting process using an arbitrary Lagrangian-Eulerian finite-element method // Journal of materials processing. 2000. V. 103. P.267-275.

81. Nelder, J.A., Mead, R. A simplex method for function minimization // Computer Journal. 1965. V. 7. P. 308-313.

82. Opitz H., Bernardi F. Investigation and Calculation of the Chatter Behavior of Lathes and Milling Machines // Annals of CIRP. 1970. V. 18, № 2. P. 335-342.

83. Ozturk B., Lazoglu I. Machining of free-form surfaces. Part I: Analytical chip load // Internationl Journal of Machine Tools and Manufacture. 2006. V. 46. P. 728-735.

84. Ozturk E., Budak E. Modeling of 5-axis milling process // Machining Science and Technology. 2007. V. 11, № 3. P. 287 - 311.

85. Paris H., Peigne G., Mayer R. Surface shape prediction in high-speed milling // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2004. V. 44. P. 15671576.

86. Pham T., Kim Y., Ko S. Development of a software for effective cutting simulation using advanced octree algorithm // Proceedings of the International Conference Computational Science and its Applications. San Francisco, USA,

2007. P.324-334.

87. Milling error prediction and compensation in machining of low-rigidity parts / Ratchev S. [et al] // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2004. V. 44. P. 1629-1641.

88. Roth D., Ismail F., Bedi S. Mechanistic modeling of the milling process using an adaptive depth buffer // Computer Aided Design. 2003. V. 35. P. 1287-1303.

89. Toolpath dependent stability lobes for the milling of thin-walled parts / Seguy S. [et al] // International Journal of Machining and Machinability of Materials.

2008. V. 4, № 4. P. 377-392.

90. Shi H.M., Tobias S.A. Theory of finite amplitude machine tool instability // Int. Journal of Machine Tool Design and Research. 1984. V. 24, № 1. P.45-69.

91. Smith S., Tlusty J. Efficient Simulation Programs for Chatter in Milling //Annals of CIRP. 1993. V. 42, № 1. p. 463-466.

92. Spence A.D., Altintas Y. A Solid modeller based milling process simulation and planning system // Transactions of ASME. 1994. V. 116. P. 61-69.

93. Spence A.D., Abrari F., Elbestawi M.A. Integrated solid modeler based solutions for machining // Computer Aided Design. 2000. V. 32. P. 553-568.

94. Sridhar R., Hohn R.E., Long G.W. A stability algorithm for the general milling process: Contribution to machine tool chatter research // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 1968. V. 90, № 2. P. 330-334.

95. Surmann T., Enk D. Simulation of milling tool vibration trajectories along changing engagement conditions // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2007. V. 47, № 9. P. 1442-1448.

96. A cutting simulation system for machinability evaluation using a workpiece model / Takata S. [et al] // Annals of the CIRP. 1989. V. 38, № 1. P. 417-420.

97. Influence of material removal on the dynamic behavior of thin-walled structures in peripheral milling / Thevenot V. [et al] // Machining Science and Technology. 2006. V. 10, № 3. P. 275-287.

98. Tlusty J., Polacek M. The stability of the machine tools against self-excited vibration in machining // Proceedings of the International Research in Production Engineering ASME Conference. Pittsburgh, 1963. P.465-474.

99. Tlusty J., Ismail F. Basic Nonlinearity in Machining Chatter // Annals of CIRP. 1981. V. 30. P.21-25.

100. Tlusty J., Ismail F. Special aspects of chatter in milling // ASME Journal of Vibration and Acoustic. 1983. V. 105. P. 24-32.

101. Tobias S., Fishwick W. Theory of regenerative machine tool chatter. London (UK): The Engineer, 1958. 258 p.

102. Tobias S.A. Machine Tool Vibration. London: Blackie, 1965. 265 p.

103. Tsai J.S., Liao C.L. Finite-element modeling of static surface errors in the peripheral milling of thin-walled workpiece // Journal of Materials Processing Technology. 1999. V. 94. P. 235-246.

104. Voelcker H.B., Hunt W.A. The role of solid modelling in machining process modeling and NC verification // SAE Technical Paper 810195 - Warrendale, PA, USA, 1981. P.132.

105. Voronov S., Kiselev I. Dynamics of flexible detail milling // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part K: Journal of Multi-body Dynamics. 2011. V. 225, № 4. P. 299-309.

106. Voronov S., Kiselev I. Identification of the cutting forces coefficients via milling process simulation // Proceedings of ASME International Design Engineering Technical Conference & Computer and Information in Engineering Conference IDETC/CIE. Washington, DC, USA, 2011. V. 1. P. 511-520.

107. Voronov S., Kiselev I. Stability criteria of flexible details milling //

Proceedings of ASME International Design Engineering Technical Conference &

237

Computer and Information in Engineering Conference IDETC/CIE. Washington, DC, USA, 2011. V. 4. P. 511-520.

108. Numerical prediction of static form errors in peripheral milling of thin-walled workpieces with irregular meshes / Wan M., [et al] // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2005. V. 127. P. 13-22.

109. Wang K. K. Application of solid modeling to automate machining parameters for complex parts // Proceedings of CIRP Manufacturing Seminar. Penn State, 1987. P. 33-37.

110. Wang K.K. Solid modeling for optimization metal removal of three-dimensional NC end milling // Journal of Manufacturing Systems. 1988. V. 7, № 1. p. 57-65.

111. Weinert K., Surmann T. Approaches for modeling engagement conditions in milling simulations // 4th CIRP International Workshop Modeling of Machining Operations. Delft, Netherlands, 2001. P. 67-69.

112. Weinert K., Surmann T. Modeling of surface structures resulting from vibrating milling tools // Production Engineering - Research and Development, Annals of the German Academic Society for Production Engineering. 2006. V. 13, №2. P. 133-138.

113. Modeling regenerative workpiece vibrations in five-axis milling / Weinert K. [et al] // Production Engineering - Research and Development. 2008. V. 2. P. 255260.

114. Yucesan G., Altintas Y. Prediction of Ball End Milling Forces//ASME Journal of Manufacturing Science Engineering. 1996. V. 118, № 1. P. 95-103.

ПРИЛОЖЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ

Измерительное устройство Основные характеристики

Вихретоковый датчик виброперемещения 01оЬа1Тез1 АР2000А-05.05 в составе: - пробник АЕ051.00.07 - усилитель Б200А-05.05 - блок питания АБ09 Диапазон измерения, мм 0,2-2,0

Коэффициент чувствительности, мВ/мкм 8

Рабочий диапазон температуры, °С -40...+85

Частотный диапазон, Гц 0...5000

Отклонение от прямолинейности передаточной характеристики в диапазоне температур 0...45°С, мкм ±25

Максимальное значение собственного шума, мВ 40

Датчик ускорения ЮвЙег 8704В100М1 со встроенным усилителем Диапазон измерения ускорения, м/с2 ± 1000

Коэффициент чувствительности, мВ • с2/ м 5,0

1я собственная частота, kHz 54

Частотный диапазон, Гц 0,5... 10000

Поперечная чувствительность,% 1,5

Нелинейность амплитудо-частотной характеристики, % ±1,0

Датчик ускорения Вгие1&Каег 4397 со встроенным усилителем Диапазон измерения ускорения, м/с2 ±7500

Коэффициент чувствительности, мВ • с2/м 0,98

1я собственная частота, kHz 53

Частотный диапазон, Гц 3,0...15000

Поперечная 1,3

чувствительность,%

Нелинейность

амплитудо-частотной ±2,0

характеристики, %

Силоизмерительная платформа Kistler 9257В в комплекте с Главный диапазон измерения усилий в плоскости платформы -5...+5

зарядовым усилителем, (по осям Х,У), кН

аналого-цифровым преобразователем и Главный диапазон измерения усилий в

программным обеспечением направлении перпендикулярно платформе (по оси Т), кН -5...+10

Частичный

калиброванный

диапазон измерений, кН по оси Х,У по оси Ъ -500...+500

-1000...+1000

Чувствительность, пКл/Н 7,5

по оси Х,У 3,7

по оси Ъ

Коэффициент

нелинейных искажении, 1,0

%

Поперечная чувствительность, % 2,0

Жесткость, кН/мкм >1,0 >2,0

по оси Х,У

по оси Ъ

Резонансная частота,

кГц по оси Х,У по оси Ъ 2,3 3,5

Рабочий диапазон 0...70

температур, °С

Частота среза ФНЧ, Гц 1000

Аналого-цифровой Разрядность, бит 24

преобразователь National Instruments Частота дискретизации, кГц 102,4

ШВ-4432 Диапазон измерения, В +/-40

Неравномерность АЧХ

в диапазоне частот +/-0,05

0,02...46,4 кГц, дБ

Уровень шума в

диапазоне частот -91

0,02...46,4 кГц, дБ

«УТВЕРЖДАЮ» Директор Филиала «НИИД» ФГУП «НПЦ газотрубостроения «САЛЮТ» Д.т.н., профессор

ейкин В.А./ 2013 г.

об использовании результатов диссертационной рабЙТБГКиселева И.А.

«Моделирование динамики процесса фрезерования тонкостенных сложнопрофильных деталей»

В период с 2011 по 2012 гг. на ФГУП «НПЦ1 газотрубостроения «САЛЮТ» при участии Филиала «НИИД» были проведены исследования разработанной Киселевым Игорем Алексеевичем методики выбора рациональных режимов обработки на основе моделирования динамики 5-координатного фрезерования тонкостенных сложнопрофильных деталей. Проводились следующие мероприятия:

1) Наладка и апробирование экспериментального стенда для верификации математической модели динамики 5-координатного фрезерования тонкостенных сложнопрофильных деталей.

2) Разработка методики выбора рациональных режимов обработки тонкостенных сложнопрофильных деталей типа лопаток ГТД на основе численного моделирования динамики процесса обработки, позволяющей снизить уровень вибраций, повысить качество и производительность обработки.

Проведенные исследования показали, что применение разработанной Киселевым И.А. методики и моделей динамики фрезерования позволяет существенно повысить качество технологического процесса обработки сложнопрофильных деталей.

Результаты научных исследований и проведенных испытаний рекомендованы для дальнейшего использования в серийном производстве с целью повышения качества и производительности обработки лопаток ГТД и увеличения эффективности автоматизированной подготовки производства.

Зам. директора Филиала «НИИД» Д.т.н., проф.

'ъ■

Горелов В.А.

Начальник отдела «Механической обработки» К.т.н.

у1 £

Яковлев М.Г.

«УТВЕРЖДАЮ»

АКТ

об использовании результатов диссертационной работы

Настоящим подтверждается, что результаты диссертационной работы Киселева И.А., представленной на соискание степени кандидата технических наук по специальности 01.02.06 «Динамика и прочность машин, приборов и аппаратуры (технические науки)», используются нашей организацией для анализа прочности элементов конструкций ядерных энергетических установок при динамических воздействиях. Разработки Киселева И.А. в виде алгоритмов и программ для расчета собственных форм и частот элементов конструкций, реализующих метод итераций в подпространстве в сочетании с методом суперэлементов, входят в программный комплекс 112011 1.0, зарегистрированный в отраслевом фонде алгоритмов и программ за №739 от

27.12.2011 г.

Зам. директора ИРМТ НИЦКИ

—ДЖн., проф. А.А. Тутнов