[論文レビュー] Investigations of Process Damping Forces in Metal Cutting

Emily Stone, Suhail Ahmed+2 more|ArXiv.org|Aug 23, 2005

Advanced machining processes and optimization参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、工具の振動と変動するチップ負荷の影響を分離するために、有限要素法を用いたシミュレーションにより金属切削におけるプロセスダンピング力の特性を調査した。その結果、工具のリリーフ面との接触によるプロセスダンピングは、工具リリーフ長に対する波長の非線形依存性を示し、短い工具ではダンピング力が切削速度に比例し、長い工具では逆比例することが判明した。これは、切削安定性に及ぼす幾何学的および動的要因の影響を強調している。

ABSTRACT

Using finite element software developed for metal cutting by Third Wave Systems we investigate the forces involved in chatter, a self-sustained oscillation of the cutting tool. The phenomena is decomposed into a vibrating tool cutting a flat surface work piece, and motionless tool cutting a work piece with a wavy surface. While cutting the wavy surface, the shearplane was seen to oscillate in advance of the oscillation of the depth of cut, as were the cutting, thrust, and shear plane forces. The vibrating tool was used to investigate process damping through the interaction of the relief face of the tool and the workpiece. Crushing forces are isolated and compared to the contact length between the tool and workpiece. We found that the wavelength dependence of the forces depended on the relative size of the wavelength to the length of the relief face of the tool. The results indicate that the damping force from crushing will be proportional to the cutting speed for short tools, and inversely proportional for long tools.

研究の動機と目的

• 金属切削における再生的チャタリング発生時における工具リリーフ面接触に起因するプロセスダンピングの寄与を分離・分析すること。
• 振動切削におけるチップ厚さの変化に先立って発生する動的力（切削力、トゥース力、剪断面力）の挙動を調査すること。
• 工具リリーフ長と振動波長がクランク力およびダンピング挙動に与える影響を特定すること。
• 切削安定性予測の向上を目的として、プロセスダンピングに影響を与える幾何学的および動的要因をモデル化すること。

提案手法

• Third Wave Systems社のAdvantEdgeソフトウェアを用いた有限要素シミュレーション。ワークピeceの幾何形状をカスタム設定し、振動する工具モジュールを組み込んだ。
• 正弦波状に変化するワークピース表面を模擬することで、チップ厚さの周期的変動を誘発する正交切削のシミュレーションを実施した。
• ユーザーが定義した周波数と振幅で工具の振動を模擬するための振動工具モジュールを用い、リリーフ面接触力の研究を可能にした。
• ダウンストローク中のチップ厚さおよび接触長さに対して、切削力、トゥース力、剪断面力の測定と分析を実施した。
• 接触長さとのシミュレートされた力の比較により、線形依存性の有無を評価し、離脱および初期接触段階における逸脱を特定した。
• 波長と工具リリーフ長の比を分析し、ダンピング力のトレンドに与える影響を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 振動切削におけるチップ厚さの周期的変動に、切削力、トゥース力、剪断面力はどのように応答するか？
• RQ2 チップ厚さと動的力との間の位相差は何か？なぜシミュレーションでは力がチップ厚さを先行するのか？
• RQ3 工具のリリーフ面サイズと振動波長の相対的サイズが、プロセスダンピング力の大きさと挙動にどのように影響するか？
• RQ4 プロセスダンピング力は、工具リリーフ面とワークピースとの接触長さに対して、どの程度線形に依存するか？
• RQ5 切削速度の変化に伴いダンピング挙動はどのように変化するのか？これにはチャタリング安定性にどのような意味があるか？

主な発見

• 切削力およびトゥース力は、チップ厚さの変化に対して約90度の位相差を示し、最大チップ厚さに達する以前に、チップの塑性変形による早期抵抗が発生するためである。
• 剪断面力および剪断面長さもチップ厚さの変化を先行して変化しており、これは動的変形効果が幾何的変化よりも事前に発生することを示している。
• 短い工具では、プロセスダンピング力は切削速度に比例するが、長い工具では逆比例する。これは、相対的な波長とリリーフ長に依存する。
• 接触の中央部では力と接触長さの関係は概ね線形であるが、離脱および初期接触段階ではその関係が逸脱する。
• 波長依存性のダンピング力は非単調的である。相対的なリリーフ長が長い場合には波長が増加するに従いダンピング力が増加し、短い場合には減少する。中間的な比では不確実となる。
• リリーフ面と波打つ表面との幾何的相互作用が、プロセスダンピングの主因である。これは、安定性モデルが、非線形的かつ周波数依存の挙動を考慮する必要があることを示唆している。