مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

شبیه‌سازی لرزش باززا با لحاظ کردن اثر میرایی فرایند وابسته به سرعت و شتاب در نرم‌افزار اَدَمز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، پردیس شهرضا، دانشگاه اصفهان، ایران
10.48311/mme.2025.116947.82865
چکیده
در این مقاله، لرزش باززا (regenerative chatter) در فرایند تراش‌کاری متعامد برای اولین‌بار با استفاده از نرم‌افزار اَدَمز (MSC ADAMS) شبیه‌سازی شده است. به این منظور، معادله دیفرانسیل حاکم بر ارتعاشات سیستم ناشی از مکانیزم باززایی امواج (wave regeneration) در حضور میرایی فرایند (process damping) و با درنظر گرفتن جملات وابسته به سرعت و شتاب استخراج شده است. سپس، جملات نیروی تحریک در این معادله به سه دسته تقسیم‌بندی شده‌اند: نیروی تحریک ناشی از ضخامت استاتیکی براده، نیروی خودتحریک ناشی از اختلاف موج فعلی و قبلی ایجادشده بر روی قطعه‌کار که به‌صورت جمله تأخیری (delay term) است، و نیروی اصطکاکی ناشی از میرایی فرایند که تابعی از سرعت و شتاب ارتعاش و همچنین سرعت چرخش اسپیندل است. سپس، با ایجاد یک مدل ارتعاشی از فرایند در نرم‌افزار اَدَمز، به روشی ابتکاری و با استفاده از توابع داخلی نرم‌افزار، تمامی جملات نیروی تحریک ثابت، نیروی خودتحریک تأخیری و نیروی اصطکاکی میرایی فرایند به‌صورت نیروی خارجی به سیستم اعمال شده‌اند. با انجام شبیه‌سازی، نمودارهای پاسخ زمانی ارتعاشات سیستم با و بدون حضور اثر میرایی فرایند و در حالت‌های پایدار، مرز پایداری و ناپایدار استخراج شده‌اند. با مقایسه نتایج حاصل از شبیه‌سازی با نتایج حل عددی معادلات با استفاده از روش نیمه-گسسته‌سازی (semi-discretization method)، تطابق بسیار خوبی بین نتایج مشاهده شد. همچنین، پیش‌بینی رفتار سیستم با استفاده از مدل ایجاد‌شده با نتایج تجربی موجود در مراجع قبلی اعتبارسنجی شد. مدل ایجادشده ضمن سهولت در پیاده‌سازی، قابلیت توسعه برای شبیه‌سازی حالت‌های پیچیده‌تر لرزش باززا در فرایندهای ماشین‌کاری را دارد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Simulation of Regenerative Chatter Incorporating Velocity- and Acceleration-Dependent Terms in Process Damping Using ADAMS Software

نویسندگان English

Mohammad Ghorbani
Sayyed Hadi Moallem
Department of Mechanical Engineering, Shahreza Campus, University of Isfahan, Iran
چکیده English

In this paper, regenerative chatter vibrations in orthogonal cutting process are simulated using MSC ADAMS software for the first time. To this end, the governing differential equation of the system's vibrations, caused by wave regeneration mechanism in the presence of process damping and by incorporating velocity- and acceleration-dependent terms, is first derived. The excitation force terms in this equation are then classified into three categories: the excitation force due to static chip thickness, the self-excited force resulting from the difference between the current and previous waves formed on the workpiece (expressed as a delay term), and the frictional force due to process damping, which is a function of the vibration velocity, acceleration, and spindle speed. Subsequently, by developing a vibrational model of the process in ADAMS software, and through an innovative approach using the software’s internal functions, all components of the excitation force, including the static, delayed self-excited, and process damping frictional forces, are applied as external forces to the system. Through simulations, time responses of the system's vibrations are extracted with and without the effect of process damping, across stable, critically-stable, and unstable conditions. Comparison of the simulation results with those obtained from numerical solutions of the equations using semi-discretization method shows excellent agreement. In addition, the behavior of the system predicted by the proposed model is validated through comparison with experimental data reported in previous studies. The developed model, while easy to implement, offers extensibility for simulating more complex chatter scenarios in machining processes

کلیدواژه‌ها English

Simulation, Regenerative Chatter, Process Damping, MSC ADAMS
[1] Y. Caixu, G. Haining, L. Xianli, Y. L. Steven, and W. Lihui, "A review of chatter vibration research in milling," Chinese Journal of Aeronautics, vol. 32, no. 2, pp. 215-242, 2019. doi:10.1016/j.cja.2018.11.007
[2] Y. Altintas, G. Stepan, E. Budak, T. Schmitz, and Z. M. Kilic, "Chatter stability of machining operations," Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol. 142, no. 11, p. 110801, 2020. doi:10.1115/1.4047391
[3] M. Mahnama and M. Movahhedy, "Application of FEM simulation of chip formation to stability analysis in orthogonal cutting process," Journal of manufacturing processes, vol. 14, no. 3, pp. 188-194, 2012. doi:10.1016/j.jmapro.2011.12.007
[4] A. Moufki, A. Devillez, M. Segreti, and D. Dudzinski, "A semi-analytical model of non-linear vibrations in orthogonal cutting and experimental validation," International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 46, no. 3-4, pp. 436-449, 2006. doi:10.1016/j.ijmachtools.2005.04.017
[5] Y. Altintas, M. Eynian, and H. Onozuka, "Identification of dynamic cutting force coefficients and chatter stability with process damping," CIRP annals, vol. 57, no. 1, pp. 371-374, 2008. doi:10.1016/j.cirp.2008.03.048
[6] C. Cao, X.-M. Zhang, T. Huang, and H. Ding, "An improved semi-analytical approach for modeling of process damping in orthogonal cutting considering cutting edge radius," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, vol. 234, no. 3, pp. 641-653, 2020. doi:10.1177/0954405419863605
[7] Y. Altintas, Manufacturing automation: metal cutting mechanics, machine tool vibrations, and CNC design. Cambridge university press, 2012. doi:10.1115/1.1399383
[8] Y. Altintas and E. Budak, "Analytical prediction of stability lobes in milling," CIRP annals, vol. 44, no. 1, pp. 357-362, 1995. doi:10.1016/S0007-8506(07)62342-7
[9] S. Merdol and Y. Altintas, "Multi frequency solution of chatter stability for low immersion milling," Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol. 126, no. 3, pp. 459-466, 2004. doi:10.1115/1.1765139
[10] X. Dong, X. Shen, and Z. Fu, "Stability analysis in turning with variable spindle speed based on the reconstructed semi-discretization method," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 117, no. 11, pp. 3393-3403, 2021. doi:10.1007/s00170-021-07869-8
[11] Y. Dai, H. Li, and B. Hao, "An improved full-discretization method for chatter stability prediction," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 96, no. 9-12, pp. 3503-3510, 2018. doi:10.1007/s00170-018-1767-6
[12] D. Zhan, S. Jiang, S. Li, and Y. Sun, "A hybrid multi-step method based on 1/3 and 3/8 Simpson formulas for milling stability prediction," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 120, no. 1, pp. 265-277, 2022. doi:10.1007/s00170-022-08705-3
 
[13] W. Baklouti, C. Mrad, and R. Nasri, "Numerical study of the chatter phenomenon in orthogonal turning," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 99, no. 1-4, pp. 755-764, 2018. doi:10.1007/s00170-018-2528-2
[14] X. Zhang, L. Wan, and X. Ran, "Research progress on the chatter stability in machining systems," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 131, no. 1, pp. 29-62, 2024. doi:10.1007/s00170-024-13050-8
[15] M. Sadeghifar, R. Sedaghati, W. Jomaa, and V. Songmene, "A comprehensive review of finite element modeling of orthogonal machining process: chip formation and surface integrity predictions," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 96, no. 9-12, pp. 3747-3791, 2018. doi:10.1007/s00170-018-1759-6