Modeling the impact of nonlinear oscillations on the quality of the working surface of parts in finishing operations

Abstract

The paper investigates the influence of finishing operations on the roughness of machined surfaces in the case when the machine-tool-fixture-tool-part (MTFTP) system is in the zone of nonlinear oscillations. For this purpose, models of dynamic oscillatory processes accompanying the machining of working surfaces of parts are built in the Simulink system of the MATLAB package. The formation of self-excited oscillations of the MTFTP mechanical system during finishing operations is determined with one or two degrees of freedom associated with the heterogeneity of the processed material and external disturbing forces in the ranges of fundamental and subharmonic resonances containing, in addition to the excitatory element itself, also zones of dry friction of the tool with the processed surface. These studies not only demonstrate the behavior of mechanical systems capable of self-excited oscillations, but also allow their results to be successfully applied to optimize the quality characteristics of machined surfaces during finishing operations. It has been shown that resonant curves under nonlinear oscillations of mechanical systems of finishing operations affect not only the formation of the roughness of the machined surface, but also the appearance of scorch marks on them and the formation of defects such as cracks. Досліджується вплив фінішних операцій на шорсткість оброблюваних поверхонь у випадку, коли система "Верстат-Пристосування-Інструмент-Деталь" (ВПІД) знаходиться в зоні нелінійних коливань. Для досягнення поставленої мети будуються математичні моделі динамічних коливальних процесів, що супроводжують обробку робочих поверхонь деталей, із використанням середовища Simulink пакету MATLAB. Проведене моделювання дозволяє визначити умови формування самозбуджених коливань механічної системи ВПІД під час фінішних операцій, як у випадку однієї, так і двох ступенів свободи, що виникають внаслідок неоднорідності оброблюваного матеріалу, зовнішніх збурюючих сил та їхнього впливу в діапазонах основних і субгармонічних резонансів. Враховано також наявність зон сухого тертя між інструментом і оброблюваною поверхнею, що істотно впливає на характер коливань. Наведені в роботі дослідження демонструють не тільки поведінку механічних систем, здатних до виникнення автоколивань, але й дають змогу успішно застосовувати результати моделювання для оптимізації якісних характеристик оброблюваних поверхонь на етапі фінішних операцій. Особлива увага приділена аналізу резонансних кривих, які при наявності нелінійних коливань у механічних системах фінішної обробки впливають не лише на формування шорсткості обробленої поверхні, але й сприяють виникненню дефектів, таких як припіки, мікротріщини та інші пошкодження поверхневого шару матеріалу.