Stiffness variation development to suppress chatter vibration in large boring machines and study of its potentiality with other chatter avoidance strategies

Regenerative chatter continues to be one of the most harmful and difficult problem that affects metal cutting nowadays, highlighted as the first limitation to the material removal rate growth. Vibration between the tool and the workpiece generate a wavy cutting surface at each tooth pass, which interacts with the subsequent affecting the cutting force. By increasing the depth of cut the system goes toward instability, which limit is related to the dynamic compliance of the system. In recent years the market has shown growing interest in increasing machine tool performance, aiming at reducing the cycle time and manufacturing cost. Besides, workpieces design evolve introducing small, complex and precise features in order to increase the performances of the final product. Consequently, machine capable of higher axis feed speed and spindle power, hence material removal rate, are equipped with slender head attachments, spindles and tools making the system more likely to face an unstable behaviour. Multiple chatter suppression strategies have been already developed however, there are still open challenges due to a lack both in the analysis tool and in relevant applications. This research conducted with the collaboration of Pama S.p.A., an important manufacturer of large milling and boring machine, aims to accelerate the development the novel and promising stiffness variation technique, which works by disturbing the regenerative mechanism. First, industrially feasible applications are conceptualized and the most promising is implemented on a commercial boring machine. By combining the motion of the ram and boring bar axes, the overhang of a slender element is varied maintaining constant the tool position and achieving the variation of a critical natural frequency of the system. Based on the complexity of the practical application, a novel, sustainable methodological framework to efficiently study the stability of a general milling system with linear time periodic dynamics is developed in the frequency domain. The presented Harmonic Solution is capable of estimating precise stability maps from seconds to minutes when the dynamics are linear time periodic. It exploits the harmonic transfer function, which is directly experimentally identifiable from field measurements and capable of representing linear time invariant dynamics as well, giving a new perspective to the well-known multi-frequency solution. To exploit completely the Harmonic Solution potential, a direct least square estimation of the harmonic transfer function is extended to work with impulse responses measurements. Then, the methodological framework is validated experimentally and the capabilities of stiffness variation are demonstrated for the first time in a relevant industrial application, showing an enhancement of the absolute stability limit by +33% and the stable area ratio by +19%. The capabilities may be further improved by exploiting synergies among the various chatter suppression techniques. For this purpose, a unique, general and efficient frequency domain formulation is developed extending the concept of the Harmonic Solution. The Extended Harmonic Solution can deal with every combination of spindle speed variation, stiffness variation and special tool geometries with variable pitch and helix. The combination of the strategies applied to a numeric model shows a potential increase of the absolute stability limit up to +203% and the stable area ratio up to +53%, compared to respectively +93% and +30% of the best single strategy. Furthermore, the concept is partially tested experimentally in a relevant industrial environment, considering the combination of stiffness variation and variable pitch cutter. This demonstrate an abruptly increase in the stability limit compared to the use of each single strategy. Indeed, the absolute stability limit is +50% higher, and the stability gain rate is +37%.

Il chatter rigenerativo continua ad essere uno dei problemi più pericolosi e difficili da gestire che riguarda il processo di taglio dei metalli, evidenziato in letteratura come la principale limitazione all’aumento della produttività. Ad ogni passaggio del tagliente, le vibrazioni relative tra pezzo e utensile generano una superficie di taglio ondulata che interagisce con la successiva facendo variare la forza di taglio. Aumentando la profondità di passata il sistema si muove verso una condizione di instabilità, il cui limite è legato alla sua cedevolezza dinamica. Recentemente, il mercato ha mostrato interesse ad incrementare le performance delle macchine utensili, al fine di ridurre il tempo ciclo e i costi di produzione. Nel frattempo, gli sviluppi tecnologici dei componenti lavorati hanno portato alla presenza di un numero sempre maggiore di dettagli complessi che necessitano di lavorazioni sempre più precise con lo scopo di incrementare le prestazioni del prodotto lavorato. Conseguentemente, le macchine utensili sono state sviluppate con velocità degli assi e potenza disponibile al naso mandrino sempre maggiori, al fine di massimizzare la produttività, mentre si è enfatizzato l’utilizzo di teste accessorie e utensili sempre più snelli, che introducono cedevolezze nel sistema. Pertanto, è più probabile che le lavorazioni siano caratterizzate da un comportamento instabile. Nel corso degli anni sono state sviluppate tecniche di soppressione del chatter, tuttavia ci sono ancora delle opportunità non ancora approfondite a causa di mancanze analitiche, metodologiche e applicative. Questa ricerca è stata fatta in collaborazione con Pama S.p.A., un importante costruttore di grandi impianti di alesatura e fresatura, con lo scopo di accelerare lo sviluppo della nuova e promettente tecnica di modulazione della rigidezza, la quale punta a disturbare il meccanismo di rigenerazione dello spessore del truciolo. Inizialmente, delle applicazioni tecniche sono state concettualizzate, la migliore delle quali è stata implementata su una alesatrice commerciale. Combinando la traslazione di ram e bareno, la lunghezza libera di inflessione dell’elemento più flessibile viene variata continuamente al fine di modificare la frequenza critica del sistema, mantenendo costante la posizione dell’utensile. Basandosi sulla complessità dell’applicazione, è stata sviluppata una nuova metodologia nel dominio della frequenza denominata Harmonic Solution, con lo scopo di studiare in modo efficiente la stabilità del processo di fresatura in presenza di una dinamica lineare tempo periodica. Mediante questa formulazione è possibile stimare le mappe di stabilità in pochi secondi. La dinamica è rappresentata in termini della Harmonic Transfer Function, la quale è identificabile direttamente da prove di caratterizzazione sperimentali ed è in grado di rappresentare anche sistemi lineari tempo invarianti, offrendo una nuova prospettiva alla nota multi-frequency solution. Al fine di sfruttare appieno le potenzialità della Harmonic Solution, è stata estesa la tecnica di identificazione diretta della Harmonic Transfer Function che mira alla minimizzazione dell’errore quadratico, in modo da poter considerare come input le risposte all’impulso del sistema, metodologia che meglio si applica in ambito produttivo. L’approccio metodologico è stato successivamente validato da un punto di vista sperimentale e la performance della tecnica di modulazione della rigidezza è stata dimostrata per la prima volta in ambiente industriale. L’aumento del limite assoluto di stabilità ottenuto è del +33%, mentre l’incremento del rapporto di area stabile risulta del 19%. Queste performance sono ulteriormente espandibili sfruttando sinergicamente diverse tecniche di soppressione del chatter. A tal fine un’unica, generale ed efficiente tecnica nel dominio della frequenza è stata sviluppata estendendo la Harmonic Solution. L’Extended Harmonic Solution può essere sfruttata con qualsiasi combinazione delle tecniche di modulazione della velocità di taglio e della rigidezza, oltre all’uso di utensili con geometrie speciali con passo ed angolo d’elica variabili. La potenzialità introdotta dalla combinazione delle strategie è stata valutata considerando un modello numerico rilevante. I risultati mostrano un incremento del limite assoluto di stabilità di +203% e del rapporto di area stabile del +53%, rispetto a un potenziale rispettivamente di +93% e +30% della più promettente tecnica singola. Il concetto è stato testato sperimentalmente in ambiente industriale, considerando la combinazione tra la tecnica di modulazione della rigidezza e un utensile a passo variabile. Il risultato mostra un importante incremento del limite assoluto di stabilità, rispetto all’applicazione di ciascuna delle due strategie singolarmente. Difatti, il limite assoluto di stabilità cresce del 50% mentre il rapporto di area stabile del +37%.