Chatter stability analysis of boring process with stiffness variation

Chatter is a limiting factor during the boring of deep holes with long slender boring bars due to its inherently low stiffness and the stiffness variation method is one of the promising chatter suppression methods for deep hole boring. In the literature, the model for rotating boring bar with multiple teeth was not covered adequately and there are only several works that investigate the stability of the boring process with stiffness variation The main objective of this thesis is chatter stability analysis of the boring process with stiffness variation and estimation of stability enhancement. For this purpose, a boring model is developed for rotating boring bars with multiple inserts, and this model is utilized to perform stability analysis with the zero-order harmonic solution for linear-time-periodic systems. To achieve a more comprehensive solution, the model is adopted both for a stationary and rotating bar with single and multiple inserts. The stability analysis methodology presented in this thesis builds on the zero-order harmonic solution. The contribution to the literature has been made by extending it to boring applications. Moreover, considering modeling of the boring process, the multi-dimensional rotational transformation approach has been extended to multiple teeth applications. This thesis presents the experimental validations of the stability lobe diagram predicted for the rotating boring bar with multiple inserts and validation from a reference case study chosen from the literature on the stability lobe diagram predicted for the stationary boring bar. Besides, sensitivity analysis of stiffness variation parameters is conducted. Results show that the absolute limiting depth of cut is lower in the rotating boring bar compared to the stationary boring bar when no control is applied which shows agreement with the literature. Moreover, the stiffness variation technique is more effective in stationary boring bar applications and the stability enhancement is limited in rotating boring bar applications which is one of the original observations of this thesis.

Chatter è un fattore limitante durante la foratura di fori profondi con barre di alesatura lunghe e sottili a causa della sua rigidità intrinsecamente bassa e il metodo di variazione della rigidità è uno dei promettenti metodi di soppressione del chiacchiericcio per la perforazione profonda del foro. In letteratura, il modello per la barra di alesatura rotante con più denti non è stato coperto adeguatamente e ci sono solo diversi lavori che indagano la stabilità del processo di alesatura con variazione di rigidità L'obiettivo principale di questa tesi è l'analisi della stabilità del chiacchiericcio del processo di alesatura con variazione di rigidità e la stima del miglioramento della stabilità. A tale scopo, viene sviluppato un modello di alesatura per barre di alesatura rotanti con più inserti e questo modello viene utilizzato per eseguire analisi di stabilità con la soluzione armonica di ordine zero per sistemi lineari-temporali-periodici. Per ottenere una soluzione più completa, il modello viene adottato sia per una barra fissa che rotante con inserti singoli e multipli. La metodologia di analisi della stabilità presentata in questa tesi si basa sulla soluzione armonica di ordine zero. Il contributo alla letteratura è stato dato estendendolo ad applicazioni noiose. Inoltre, considerando la modellazione del processo di foratura, l'approccio di trasformazione rotazionale multidimensionale è stato esteso a più applicazioni dentali. Questa tesi presenta le validazioni sperimentali del diagramma del lobo di stabilità previsto per la barra di alesatura rotante con inserti multipli e la validazione da un caso di studio di riferimento scelto dalla letteratura sul diagramma del lobo di stabilità previsto per la barra di alesatura stazionaria. Inoltre, viene condotta l'analisi di sensibilità dei parametri di variazione della rigidità. I risultati mostrano che la profondità di taglio limite assoluta è inferiore nella barra di alesatura rotante rispetto alla barra di alesatura stazionaria quando non viene applicato alcun controllo, il che mostra un accordo con la letteratura. Inoltre, la tecnica di variazione della rigidità è più efficace nelle applicazioni di barre di alesatura stazionarie e il miglioramento della stabilità è limitato nelle applicazioni di barre di alesatura rotanti, che è una delle osservazioni originali di questa tesi.