Modeling Of Machining Process Damping For Arbitrary Cutting Edge Geometry

L’amortissement du processus d’usinage est dépendant de la géométrie de l’outil de coupe, des paramètres de vibration du système d’usinage, et des propriétés du matériau de la pièce. Les vibrations instables (broutage) durant l’usinage provoquent une mauvaise qualité de surface, des défaillances prématurées de la machine et de l’outil, et causent une faible productivité. En présence de vibrations, l’outil indente dynamiquement le matériau de travail, causant des déformations plastiques qui amortissent le processus d’usinage et améliorent sa stabilité. La géométrie de l’outil a été modifiée afin d’augmenter la stabilité de l’usinage, et ainsi, la productivité. Cette étude développe un nouveau modèle analytique généralisé pour prédire l’amortissement du processus pour toute géométrie d’outil de coupe bidimensionnelle. Le modèle proposé utilise les paramètres de vibration, les propriétés du matériau, et les conditions de coupe en tant que donnée, et discrétise le contact outil-pièce par une série de ressorts en parallèle pour s’adapter à toute géométrie d’outil. Un modèle constitutif de matériau a été utilisé pour décrire le comportement des ressorts au-delà du domaine élastique. L’indentation de l’outil dans le matériau à usiner provoque la compression des ressorts, et génère une pression de contact à l’interface entre les deux. La force d’amortissement du processus dynamique est obtenue pour un cas d’amplitude, de fréquence et de longueur d’onde de vibration donnée, et est linéarisée pour être utilisée dans des modèles de prédiction de la stabilité de chatter dans le domaine fréquentiel. Ce modèle général introduit évite les identifications expérimentales ou numériques des paramètres d’amortissement du processus, qui sont fastidieuses et chronophages. Le modèle proposé a été vérifié expérimentalement et numériquement pour plusieurs géométries d’outils de coupe différentes. Il a été démontré que le modèle développé peut être utilisé comme un outil d'évaluation rapide des performances de l’outil de coupe sans avoir le prototype physique de l'outil en main lors de sa phase de conception. Le modèle a également montré que la modification de la géométrie de l'arête de coupe a un impact direct sur l'amortissement du processus et, par conséquent, sur la stabilité de l'usinage.

Abstract

Machining process damping depends on the cutting tool geometry, vibration parameters of the machining system, and material properties of the workpiece. Unstable (chatter) vibrations during machining lead to poor surface quality, premature tool and machine failures, and result in low productivity. In the presence of vibrations, the tool dynamically indents the work material and causes plastic deformations that damp the machining process and improve its stability. The tool geometry has evolved to enhance machining stability, and in turn, the productivity. This study develops a new, generalized analytical model to predict the process damping for any two-dimensional cutting tool geometries. The proposed model takes the vibration parameters, material properties, and cutting conditions as inputs, and discretizes the tool-workpiece contact by a series of parallel springs to accommodate any cutting edge geometries. A material constitutive model has been used to describe the behavior of the springs beyond the elastic range. The indentation of the tool into the work material causes compression of the springs, and generates contact pressure at the interface between the two. The dynamic process damping force is obtained for a given vibration amplitude, frequency, and wavelength, and linearized to be used in the frequency domain chatter stability prediction models. The introduced general analytical model avoids the tedious and time-consuming experimental or numerical identification of process damping parameters. The proposed model has been verified experimentally and numerically for different cutting tool geometries. It has been shown that the developed model can be used as a rapid cutting tool performance evaluator without having the physical prototype in hand in the tool design phase. Also, the model has shown that modifying the cutting edge geometry has a direct impact on the machining process damping, and therefore on the machining stability.