Monitoring of tool vibration for magnetorheological fluid controlled bar during turning of hardened AISI4340 steel

• Autorzy: Paul P. S. , Jazeel M. , Varadarajan A. S.

Identyfikatory

DOI

10.1515/meceng-2015-0014

Warianty tytułu

PL

Monitorowanie wibracji narzędzia w czasie toczenia na twardo stali AISI4340 przy użyciu tłumika ze sterowanym płynem o właściwościach magnetoreologicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In recent times, the concept of hard turning has gained awareness in metal cutting as it can apparently replace the traditional process cycle of turning, heat treating, and finish grinding for assembly of hard, wear-resistant steel parts. The major apprehension in hard turning is the tool vibration, which affects the surface finish of the work piece, has to be controlled and monitored. In order to control tool vibration in metal cutting, a magnetorheological fluid damper which has received great attention in suppressing tool vibration was developed and used. Also an attempt has been made in this study to monitor tool vibration using the skewness and kurtosis parameters of acoustic emission (AE) signal for the tool holder with and without magnetorheological damper. Cutting experiments were conducted to arrive at a set of operating parameters that can offer better damping characteristics to minimize tool vibration during turning of AISI4340 steel of 46 HRC using hard metal insert with sculptured rake face. From the results, it was observed that the presence of magnetorheological damper during hard turning reduces tool vibration and there exist a strong relationship between tool vibration and acoustic emission (AERMS) signals to monitor tool condition. This work provides momentous understanding on the usage of magnetorheological damper and AE sensor to control and monitor the tool condition during turning of hardened AISI4340 steel.

PL

W ostatnich latach, w obróbce skrawaniem wzrasta zainteresowanie koncepcją toczenia na twardo, ponieważ może ono zastąpić tradycyjny proces toczenia, utwardzania i szlifowania stosowany przy wykonywaniu twardych, odpornych na zużycie cześci metalowych. Głównym problemem przy twardym toczeniu są wibracje narzędzia, które muszą być monitorowane i kontrolowane, gdyż wpływają na wykończenie powierzchni elementu obrabianego. W celu kontrolowania wibracji narzędzia przy obróbce skrawaniem autorzy zastosowali tłumik z płynem o właściwościach reologicznych sterowanych polem magnetycznym. Podjęto także próbę monitorowania wibracji na podstawie parametrów skośności i kurtozy sygnałów akustycznych (AE) emitowanych przez uchwyt narzędzia, mierzonych w warunkach bez tłumika i z tłumikiem magnetoreologicznym. Przeprowadzono szereg eksperymentów z toczeniem stali AISI4340 o twardości 46 HRC przy użyciu narzędzia z płytką z twardej stali, o geometrycznie kształtowanym ostrzu, firmy Taegu Tec. Otrzymano zbiór parametrów roboczych, wyznaczając na ich podstawie lepsze charakterystyki tłumienia i osiagając minimalizację wibracji narzędzia. Wyniki eksperymentów wskazują, że obecność tłumika magnetoreologicznego redukuje wibracje i że istnieje silna zależność miedzy wibracjami narzędzia i wartością skuteczną sygnału emisji akustycznych (AERMS). Praca przyczynia się do znacznie lepszego zrozumienia funkcji tłumika magnetoreologicznego i czujnika emisji akustycznych przy monitorowaniu stanu narzędzia przy toczeniu utwardzonej stali AISI4340.

Słowa kluczowe

EN

hard turning; tool vibration; magnetorheological (MR) damper; tool condition monitoring; acoustic emission; skewness; kurtosis

PL

toczenie na twardo; drgania narzędzia; tłumik magnetoreologiczny (MR); monitorowanie stanu narzędzia; emisja akustyczna; skośność; kurtoza

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. LXII, nr 2
• Strony: 237--255
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Paul P. S.

• Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Karunya University, Coimbatore, 641114, Tamil Nadu, India

autor

Jazeel M.

• II M. Tech(Mechanical) Student, Department of Mechanical Engineering, Karunya University, Coimbatore, 641114, Tamil Nadu, India

autor

Varadarajan A. S.

• Professor & Principal, Nehru college of Engineering and Research Centre, Thrissur, 680597, Kerala, India

Bibliografia

• [1] Altintas Y.: Manufacturing Automation: Metal Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations and CNC Design, second edition, Cambridge University Press, Cambridge, 2012.
• [2] Bhaskaran J., Murugan M., Balashanmugam N., Chellamala M.: Monitoring of hard turning using acoustic emission signal, Journal of Mechanical Science and Technology, 2012, (26(2)), pp. 609-615.
• [3] Carlson J.D., Sproston J.L.: Controllable fluids in 2000- status of ER and MR fluid technology, In: 7th International Conference on New Actuator, Bremen, 2000, pp. 126-130.
• [4] Deqing Mei., Tianrong Kong., Albert J. Shih., Zichen Chen.: Magnetorheological fluid-controlled boring bar for chatter suppression, Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(4), pp. 1861-1870.
• [5] Dornfeld D.A., Asibu E.K.: Acoustic emission during orthogonal metal cutting, International Journal of Mechanical Science, 1980, 22(5), pp. 285-296.
• [6] Dornfeld D.: Application of acoustic emission techniques in manufacturing, NDT&E International, 1992, 25(6), pp. 259-269.
• [7] Genc S., Phule P.P.: Rheological Properties of Magnetorheological Fluids, Smart Materials and Structures, 2002, 11(1), pp. 140-146.
• [8] Ginder J.M., Davis L.C., Elie L.D.: Rheology of magnetorheological fluids: models and measurements, International Journal of Modern Physics B, 1996, 10 (23-24), pp. 3293-3303.
• [9] Klocke F., Eisenblatter G.: Dry cutting, Annals of the CIRP, 1997, 46(2), pp. 519-526.
• [10] Lord. Lord Corporation, 2002. http://mutualhosting.com/˜lordfulfillment/upload/PB7138.pdf, Last Accessed: May, 2014.
• [11] Narutaki N., Yamane Y., Okushima K.: Tool Wear and Cutting Temperature of CBN Tools in Machining of Hardened Steels, Annals of the CIRP, 1979, 28(1), pp. 23-28.
• [12] Prakash M., Kanthababu M.: In-process tool condition monitoring using acoustic emission sensor in microendmilling, Machining Science and Technology, 2013, 17(2), pp. 209-227.
• [13] Sam Paul P., Varadarajan A.S. (2012) Effect of magnetorheological damper on tool vibration during hard turning, Journal of Frontiers in Mechanical Engineering, 7(4): 410-416.
• [14] Sam Paul P., Varadarajan A.S.: A multi-sensor fusion model based on an artificial neural network to predict tool wear during hard turning, Journal of Engineering Manufacture, 2012, 226(5), pp. 853-860.
• [15] Sam Paul P., Varadarajan A.S.: ANN assisted Sensor Fusion model to predict tool wear during Hard turning with Minimal Fluid Application, International Journal of Machining and Machinability of Materials, 2013, 13(4), pp. 398-413.
• [16] Sam Paul P., Varadarajan A.S.: Performance evaluation of hard turning of AISI 4340 steel with minimal fluid application in the presence of semi-solid lubricants, Journal of Engineering Tribology, 2013, 227(7), pp. 739-748.
• [17] Sam Paul P., Varadarajan A.S.: Effect of magnetic field on damping ability of magnetorheological damper during hard turning, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2014, 14(3), pp. 433-443.
• [18] Sam Paul P., Varadarajan A.S.: Effect of magnetorheological damper on tool wear during hard turning with minimal fluid application, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2015, 15(1), pp. 124-132.
• [19] Sathianarayanan D., Karunamoorthy L., Srinivasan J., Kandasami G.S., Palanikumar K.: Chatter Suppression in Boring Operation Using Magnetorheological Fluid Damper, Materials and Manufacturing Processes, 2008, 23(4), pp.329-335.
• [20] Scheffer C., Kratz H., Heyns P.S., Klocke F.: Development of a tool wear monitoring system for hard turning, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2003, 43(10), pp. 973-985.
• [21] Schwartz M.: Encyclopedia of Smart Materials, John Wiley & Sons, New York, vols. 1-2, 2002.
• [22] Spencer Jr B.F., Dyke S.J., Sam M.K., Carlson J.D.: Phenomenological Model of a Magnetorheological Damper, Journal of Engineering Mechanics, 1997, 123(3), pp. 230-238.
• [23] Tansel I.N., Arkan T.T., Bao W.Y., Mahendrakar N., Shisle B., Smith D., McCool M.: Tool wear estimation in micro machining-part I: tool usage-cutting force relationship, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2002, 40(4), pp. 599-608.
• [24] Torsten Butz., von Stryk O.: Modelling and Simulation of Rheological Fluid Devices, Preprint SFB-438-99l 1, Sonderforschungsbereich 438, Techniche Universität München, 1999.
• [25] Varadarajan A.S., Philip P.K., Ramamoorthy B.: Investigations on hard turning with minimal fluid application (HTMF) and its comparison with dry and wet turning, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2002, 42(2), pp. 193-200.
• [26] Sharma V.S., Sharma S.K., Sharma A.K.: Tool wear estimation for turning operations, Journal of Mechanical Engineering, 2006, 57(3), pp. 141-168.
• [27] Wang M., Fei R.Y.: Chatter suppression based on nonlinearvibration characteristic of electrorheological fluids, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1999, 39(12), pp. 1925-1934.
• [28] Xialoi Li.: A brief review: acoustic method for tool wear monitoring during turning, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2002, 42(2), pp.157-165.