Podstawy technologiczne wielokryterialnej optymalizacji procesów toczenia złożonych powierzchni narzędziami punktowymi

• Autorzy: Zawora J.

Warianty tytułu

EN

Principles for multi-criterion optimization of contour turning with a single point-tip tool

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca poświęcona jest problematyce dotyczącej procesu toczenia złożonych powierzchni narzędziami punktowymi. Proces może być realizowany na tokarkach i automatach tokarskich CNC oraz tokarkach kopiarkach. Celem pracy jest rozwiązanie zagadnień niezbędnych do utworzenia technologicznych podstaw optymalizacji wielokryterialnej procesu toczenia złożonych zarysów narzędziami punktowymi. Utworzone podstawy wielokryterialnej optymalizacji mogą być wykorzystane do budowy postprocesorów technologicznych w modułach technologicznych systemów CAD/CAM. Proces toczenia kształtowego przebiega w bardzo złożonych warunkach fizycznych ze względu na zmienność parametrów obróbki, takich jak: prędkość skrawania, posuw, głębokość skrawania oraz kąty zarysu przedmiotu obrabianego. W czasie zmiennych warunków obróbki występują zmienne pola temperatur, naprężeń i odkształceń sprężysto-plastycznych, występuje zmiana wartości i rozkładu współczynnika tarcia, zmiana kształtu przekroju warstwy skrawanej, kąta ścinania, roboczych kątów przystawienia itp. Zmiany kątów zarysu są przyczyną zmiany kierunku i wartości wektora prędkości posuwu, co powoduje powstawanie składowych sił dynamicznych o znacznej wartości. Zmienność warunków pracy powoduje zmienne obciążenia, drgania i wpływa na zużycie ostrza. Przeprowadzono analizę złożonego przebiegu zjawisk odnośnie obliczania trwałości ostrza i wartości składowych sił skrawania w zmiennych warunkach obróbki oraz warunków tworzenia teoretycznej chropowatości powierzchni obrobionej. Opracowano zasady przeprowadzania badań procesu z zastosowaniem techniki planowania eksperymentu oraz opracowano model matematyczny procesu i dokonano jego oceny statystycznej. Do wyznaczenia charakterystyki zużycia ostrza w funkcji bezwymiarowej wielkości t/T oraz w/W opracowano algorytm aproksymacji z zadanym warunkiem wymuszenia przejścia funkcji przez punkt początku układu współrzędnych. Opracowano nową metodę badania dokładności tych charakterystyk umożliwiającej obliczanie trwałości ostrza w zmiennych warunkach obróbki. Opracowano nowy doświadczalny model matematyczny sił dynamicznych i czasu narastania głównej siły dynamicznej w strefach przejściowych. Podano zasady obliczania trwałości ostrza i innych wielkości wyjściowych w procesie toczenia złożonych powierzchni. Zaproponowano nową metodę obliczania trwałości ostrza w zmiennych warunkach obróbki z uwzględnieniem wpływu sił dynamicznych. Wykonano programy numeryczne optymalizacji jednokryterialnej i wielokryterialnej do optymalizacji parametrów skrawania w zmiennych warunkach obróbki procesu toczenia złożonych zarysów i wskazano na dalsze kierunki rozwoju prac w rozważanym procesie.

EN

Contour turning with a point-tip tool is very a complex process due to variation of machining parameters: cutting speed, feed of the cut, depth of the cut and contour angle of the cut surface. Variable fields of temperature, stress and elastic-plastic deformation develop during the machining, friction coefficient varies, the shape of the cut section changes along with shear angle, instant tool cutting edge angle and so on. Changes in contour angle values imply changes of cutting feed direction and its value, which results in additional dynamic force components of considerable level. Due to varying conditions of operation, cutting force components fluctuate, which is connected with varying load and the resultant tool wear. The present CAD/CAM systems do not offer cutting parameter optimization in manufacturing modules. Elaboration of basic multi-criterion optimization of contour turning with a point-tip tool which could be applied in the NC post-processing development is the major goal of this work. Making use of experience gained when investigating the contour turning process and the works concerning the contour turning process carried out in varying conditions, the author elaborated an experimental mathematical model of the contour turning process. A new method for estimating the accuracy of the tool wear relationship on dimensionless t/T or w/W variable has been elaborated and a new model of dynamic forces has been proposed. The tool wear relationship is then not affected by cutting parameters. A new method of tool life calculation in varying machining conditions has been elaborated for the parts of complex shapes. The associated software has been developed using the FORTRAN language for the case of single criterion and limited weight-based multi-criterion case. New principles of tool life calculations have been elaborated, accounting for dynamic force components occurring in the areas where the shape changes instantly. This has been accomplished by elaboration of the tool wear relationship with the dimensionless operation parameter w/W. The author made an analysis of complex phenomena taking place in the contour turning process and the resultant surface roughness. The obtained results may be applied in contour cutting on tracer lathes or numerically controlled lathes.

Słowa kluczowe

PL

toczenie; narzędzia punktowe; toczenie kształtowe; optymalizacja

EN

turning process; point-tip tool; profile turning; optimization

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Mechanika
• Rocznik: 2013
• Tom: z. 255
• Strony: 3--176
• Opis fizyczny: Bibliogr. 94 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Zawora J.

• Instytut Technik Wytwarzania

Bibliografia

• [1] Abburi N.R., Dixit U.S.: Multi-objective optimization of multipass turning processes, International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2007) 32: 902-910.
• [2] Amborski K.: Podstawy metod optymalizacji, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2009.
• [3] Artykuł promocyjny, firma Total, Ciecze do obróbki metali - Część I, Mechanik, nr 3/2006.
• [4] Artykuł promocyjny, Kennametal Hertel, Płytki wymienne do toczenia żeliwa, Mechanik, nr 2, 1999.
• [5] Artykuł promocyjny: Wyniki badań trwałości ostrza narzędzi EB firmy Micron, Narzędziowiec Nr 1/2907, s. 44, Sumitomo Electric, NS260 i NS260C - nowe gatunki ceramiki azotowej Si3N4 do szybkościowej obróbki żeliwa, Mechanik, nr 2, 1999.
• [6] Aykut Ş., Demetgul M., Tansel I.N.: Selection of optimum cutting condition of cobalt-based superalloy with GONNS, International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2010) 46: 957-967.
• [7] Bachrathy D., Meszaros I.: Surface Modeling, Optimal Cutting Speeds and Entrance and Exit Force in Interrupted High Precision Hard Turning, Proceedings of 4th CIRP International Conference on High Performance Cutting, 2010 paper C16.
• [8] Białek M.: Dobór optymalnych parametrów skrawania na przykładzie toczenia wzdłużnego w obróbce jednonarzędziowej, Prace Naukowe – Mechanika, Nr 45, Warszawa 1977.
• [9] Björek Å.: Numerical Methods for Least Squares Problem, Linkóping University, Sweden 1996.
• [10] Brownlee A.K.: Statistical Theory and Methodology in Science and Engineering, John Wiley & Sons, New York-London, 1960.
• [11] Cemal M.C., Kadir C.: Development of knowledge-based expert system for solving metal cutting problems, Materials and Design 27 (2006): 1027-1034.
• [12] Chien W.T., Tsai C.S.: The investigation on the prediction of tool wear and the determination of optimum cutting conditions in machining 17-4PH stainless, Journal of Materials Processing Technology (2003) 140: 340-345.
• [13] Cichosz P. (Praca zbiorowa pod redakcją Piotra Cichosza, Obróbka skrawaniem - wysoka produktywność), Zawadka Tamikiewicz A., Storch B.: Efektywność procesu toczenia ostrzami o zmodyfikowanej geometrii, Szkoła Obróbki Skrawaniem, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2007.
• [14] Czermiński J., Iwasiukiewicz A., Paszek Z., Sikorski A.: Metody statystyczne w doświadczalnictwie chemicznym, Wydanie 2, PWN, Warszawa 1974.
• [15] Diniz A.E., Oliveira A.J.: Optimizing the use of dry cutting in rough turning steel operations, International Journal of Machine Tools and Manufacture (2004) 44: 1061-1067.
• [16] Dobrzański A.L.: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe, Podstawy nauki o materiałach i materiałoznawstwo, WNT, Warszawa 2006.
• [17] Draper N.R., Smith H.: Analiza regresji stosowana, PWN Warszawa 1973.
• [18] Dureja J.S., Gupta V.K., Sharma V.S., Dogra M.: Design optimization of cutting conditions and analysis of their effect on tool wear and surface roughness during hard turning of AISI-H11 steel with a coated-mixed ceramic tool, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Jounal of Engineering Manufacture (2009) 223: 1441-1453.
• [19] Erbel S., Kuczyński K., Marciniak Z.: Techniki wytwarzania, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1981.
• [20] Feld M.: Technologia budowy maszyn, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002.
• [21] Filipowski R:. Dobór optymalnych parametrów skrawania, Mechanik nr 4, Warszawa 1972.
• [22] Gara S., Bouzid W.B., Amar M., Hbaieb M.: Cost and time calculation in rough NC turning, International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2009) 40: 971-981.
• [23] Górecki A.: Technologia ogólna - Podstawy technologii mechanicznych, WSiP, Warszawa 1998.
• [24] Groover M.P.: Fundamentals of Modern Manufacturing, materials processes and systems, Second Edition, Copyright 2002 John Wiley and Sons. Incorporation.
• [25] Grzesik W.: Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 2010.
• [26] Habrat A.: Programowanie tokarek CNC, Rzeszów 2001.
• [27] Harmol A., Mantura W.: Zarządzanie jakością – teoria i praktyka, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.
• [28] Himmelblau D.M.: Process analysis by statistical method, 1978.
• [29] Hristow W.K.: Grungllangen der Wahrscheinlichkeitsrechnung Mathematischen Statistik und Methode der Kleinsten Quadraten, VEB Verlag für Bauwesen Berlin, 1961.
• [30] Isik B., Kentli A.: Multicriteria optimization of cutting parameters in turning of UD GFRP materials considering sensitivity, International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2009) 44:1144-1153.
• [31] Jemielniak K.: Automatyczna diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002.
• [32] Jemielniak K., Kwiatkowski L., Wrzosek P.: Difficulties in Tool Life Predicting when Turning with Variable Cutting Parameters, Annals of the CIRP, vol 37, nr 1, 1985.
• [33] Jemielniak K., Kwiatkowski L., Zawistowski J.: Możliwość przewidywania zużycia ostrza noża tokarskiego w zmiennych warunkach skrawania, Archiwum TBM PAN, tom 6, Warszawa 1987.
• [34] Jemielniak K., Szafarczyk M., Zawistowski J.: Zużycie noży tokarskich ze zmiennymi parametrami skrawania, Mechanik nr 1, Warszawa 1983.
• [35] Jemielniak K.: Diagnostyka stanu narzędzi w autonomicznych stacjach obróbkowych, Mechanik nr 4, 1988, s. 183-190.
• [36] Jemielniak K.: Rough turning of Inconel 718, APE'2007 WIP, Advances in Production Engineering, Warsaw University of Technology, Warsaw, 2007.
• [37] Kacprzyński B.: Planowanie eksperymentów - podstawy teoretyczne, WNT, Warszawa 1974.
• [38] Kaczmarek J.: Podstawy obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1970.
• [39] Kalpakjian S., Schmid S.R.: Manufacturing Engineering and Technology, fifth edition, 2006 by Pearson Education, Incorporation.
• [40] Karpiński S., Skawiński P., Sobieszczański J., Sobolewski J.Z.: Projektowanie technologii maszyn. Praca zbiorowa pod redakcją Jerzego Sobolewskiego, OWPW, Warszawa 2007.
• [41] Katalog firmy Sandvik Coromant, Coro Key, Łatwy wybór, Łatwe zastosowanie, Toczenie – Frezowanie – Wiercenie, Elanders 2007.
• [42] Korzyński M.: Metodyka eksperymentu, planowanie, realizacja i statystyczne opracowanie wyników eksperymentów technologicznych, WNT, Warszawa, 2006.
• [43] Kosmol J.: (praca zbiorowa pod redakcją Jana Kosmola): Techniki wytwarzania – obróbka wiórowa i ścierna, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002.
• [44] Kosmol J.: Automatyzacja obrabiarek i obróbki skrawaniem, WNT, Warszawa, 1995.
• [45] Kountanya R.K.: Optimizing PCBN cutting tool performance in hard turning, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture (2008) 222: 969-979.
• [46] Kukiełka L.: Podstawy badań inżynierskich, Politechnika Koszalińska, Koszalin 2000.
• [47] Kunwoo L.: Principles of CAD/CAM Systems, Addison Wesley Longman, Incorporation 1999.
• [48] Manna A., Bhattacharyya B.: Investigation for optimal parametric combination for achieving better surface finish during turning of AI/SiC-MMC, International Journal of Advance Manufacturing Technology (2004) 23: 658-665.
• [49] Mańczak K.: Metody identyfikacji wielowymiarowych obiektów sterowania, WNT, Warszawa 1979.
• [50] Mańczak K.: Technika planowania eksperymentów, WNT, Warszawa 1986.
• [51] Metals Handbook – 8th Edition, Vol. 3, Machining, prepared under the direction of the ASM HANDBOOK COMMITTEE, American Society For Metals, Metals Park, Ohio 44073, Copyright 1967.
• [52] Miernik M.: Skrawalność metali – Metody, określenia I prognozowania, OWPWr, Wrocław 2000.
• [53] Miko E.: Konstytuowanie nierówności powierzchni metalowych obrobionych narzędziami o zdefiniowanej stereometrii ostrzy, Politechnika Świętokrzyska, WPŚ w Kielcach, Kielce 2004.
• [54] Niedokos E.: Zastosowanie rachunku prawdopodobieństwa i statystyki matematycznej, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1990.
• [55] Oczoś K.E.: Rozwój innowacyjnych technologii ubytkowego kształtowania materiałów, Część I, Obróbka skrawaniem, Mechanik nr 8-9, Agenda Wydawnicza SIMP, Warszawa 2002.
• [56] Oderfeld J.: Statystyczne podstawy prac doświadczalnych, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1990.
• [57] Ojha D.K., Dixit U.S.: An economic and reliable tool life estimation procedure for turning, International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2005) 26: 726-732.
• [58] Oktaba W.: Metody statystyki matematycznej w doświadczalnictwie, PWN, Warszawa 1980.
• [59] Olszak W.: Obróbka skrawaniem, WNT, Szczecin 2008.
• [60] Oraby S.E., Alaskari A.M.: On the variability of tool wear and life at disparate operating parameters, World Academy of Science, Engineering and Technology (2009) 49: 537-545.
• [61] Ostwald M.: Podstawy optymalizacji konstrukcji, Wydanie 2, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2005.
• [62] Ozel T., Hsu T., Zeren E.: Effects of cutting edge geometry, workpiece hardness, feed rate and cutting speed on surface roughness and forces in finish turning of hardened AISI H13 steel, International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2005) 25: 262-269.
• [63] Paiva A.P., Paiva EJ., Ferreira J.R., Balestrassi P.P., Costa S.C.: A multivariate mean square error optimization of AISI 52100 hardened steel turning, International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2009) 43: 631-643.
• [64] Pallerosi C.A.: Correlation Coefficients for Traces Operations in Machine-Tools. International Journal of Machine Tools Design and Research, vol. 16, Pergamon Press (1976).
• [65] Pawlik R.: Optymalizacja wielocelowa urządzeń technicznych, Praca doktorska, Warszawa 1974.
• [66] Pławski J.: Zasady doboru parametrów skrawania w zmiennych warunkach obróbki, Magazyn technologa przemysłu lotniczego i silnikowego, Nr 7, 8, Warszawa 1975.
• [67] Płonka S.: Wielokryterialna optymalizacja procesów wytwarzania części maszyn, WNT, Warszawa 2010.
• [68] Pogorzelski W.: Teoria systemów i metody optymalizacji, OWPW, Warszawa 1996.
• [69] Polański Z.: Metody optymalizacji w technologii maszyn, WNT, Warszawa 1977
• [70] Polański Z.: Metodyka badań doświadczalnych, Politechnika Krakowska, ZGPK, Kraków 1978.
• [71] Polański Z.: Planowanie doświadczeń w technice, WNT, Warszawa 1984,
• [72] Poradnik Inżyniera Mechanika - tom III, zagadnienia technologiczne, WNT, Warszawa 1970.
• [73] Przybylski L.: Strategia doboru warunków obróbek współczesnymi narzędziami. Toczenie - Wiercenie - Frezowanie, Politechnika Krakowska, Kraków 2000.
• [74] Rohit R., Gajjela S.G., Kapoor R.E., De Vor: A Mechanistic Force Model for Contour Turning, Department of Mechanical and Industrial Engineering University of Illinois at Urbana-Champion, Manufacturing Science and Engineering Division - ASME, 1998.
• [75] Satishkumar S., Asokan P., Kumanan S.: Optimization of depth of cut in multi-pass turning using nontraditional optimization techniques, International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2006) 29: 230-238.
• [76] Scientific Subroutinal Package System 360, IBM, 1970.
• [77] Shah R.: Sterowanie numeryczne obrabiarek - Poradnik, WNT, Warszawa 1975.
• [78] Singh G., Choudhary A.K., Karunakaran K.P., Tiwari, M.K.: Evolutionary Approach for Multi-Pass Turning Operations, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B; Journal of Engineering Manufacture (2006) 220: 145-162.
• [79] Stanisławek J.: Podstawy statystyki - Opis statystyczny - Korelacja i regresja - Rozkłady zmiennej losowej - Wnioskowanie statystyczne, OWPW, Warszawa 2010.
• [80] Stós J., Czechowski K., Wszołek J.: Narzędzia specjalne do obróbki materiałów trudnoobrabialnych, Mechanik nr 5-6/2005.
• [81] Szafarczyk M., Chrzanowski J., Gościniak R.: Nowoczesne metody monitorowania zużycia ostrzy narzędzi, Konferencja "Innowacje w budowie i eksploatacji maszyn", Poznań, 20 czerwca 2006.
• [82] Szczepiński W.: Wstęp do analizy procesów obróbki, IPPTPAN, PWN, Warszawa 1973.
• [83] Szwabowski A.: Normatywy technologiczne - Obróbka skrawaniem - Toczenie kopiowe, Warszawa 1967.
• [84] Tool Life Testing with Single Point Turning Tools, Technical Committee, ISO/TC29 – Small Tools, Working Group ISO/TC29/WG22 < Stockholm, February 1972.
• [85] Tyler G.H.: Standard Handbook of Engineering Calculations, third Edition. Copyright 1972 by Mc Graw-Hill Incorporation.
• [86] Tymowski J.: Technologia budowy maszyn, WNT, Warszawa 1970.
• [87] Volk W.: Statystyka stosowana dla inżynierów, PWN, Warszawa 1965.
• [88] Wang J., Kuriyagawa T., Wei X.P., Guo D.M.: Optimization of cutting conditions for single pass turning operations using a deterministic approach, International Journal of Machine Tools and Manufacture (2002) 42: 1023-1033.
• [89] Zawora J.: Metodyka doboru parametrów skrawania w procesach toczenia kształtowego narzędziami punktowymi, Praca doktorska, Warszawa 1979.
• [90] Zawora J.: Podstawy technologii maszyn, Wydanie 7, WSiP, Warszawa 2011.
• [91] Zawora J.: The Mathematical Model of Profile-Turning with Point-Tools and its Application in Aircraft Industry, Journal of Aeronautica Integra, 2008.
• [92] Ziętarski S.: Optimization of Cutting Conditions for Turning NC/CAM, of The New Industrial Revolution Proceedings Conference of the Numerical Control Society. March 26-31, Cincinnati, Ohio, 1976.
• [93] Ziętarski S.: Zastosowanie matematycznego planowania doświadczeń do optymalizacji parametrów skrawania, Praca doktorska, Warszawa 1974.
• [94] Żebrowski H.: Obróbka wiórowa, ścierna i erozyjna. OWPWr, Wrocław 2004.