Simulation of vibrations in machining with Comsol Multiphysics

Abstract

Vibrasjons dempende verktøy minker vibrasjon under prosesser som innebærer material fjerning. Slike maskinprosesser utsetter verktøyet for store krefter, og vibrasjoner kan oppstå. Nøkkelen til å hindre økningen av vibrasjoner, er å tilføre en TMD (tuned mass damper) inne i verktøyholderen. En TMD består av en tung demper masse, to fjærelement, og viskøs olje. Under maskinprosessen, så vil demper systemet transformere den kinetiske energien til varme i oljen inne i demperen. Systemet er komplekst, og består av flere ulike deler, hvor hele systemet er designet og testet for å være tilpasset bruksområdet til verktøyet. Dette blir gjort i all hovedsak gjennom teoretiske beregninger og praktisk erfaring. Denne oppgaven beskriver utføringen av simuleringer i Comsol Multiphysics og tester i laboratoriet. Resultatene viser at det komplekse systemet kan bli designet og simulert i Comsol Multiphysics. Simuleringen av deformasjonen i første mode, viser likheter I demping forhold, egenfrekvenser og deformasjon mellom de praktiske testene og simuleringen. Material modellen som viste de største likhetene var lineær elastisk modell, med Rayleigh demping. Den største likheten ble gjort for simuleringen av demper systemet uten olje. Ved høyere frekvenser og mode to deformasjoner ser vi økte feil, sammenlignet ved mode en deformasjon. De viktigste materialegenskapene ble hentet gjennom de praktiske testene, hvor blant annet, egenfrekvensen til de to første modene, skjær modulus og dempingsforholdet er de viktigste. Denne informasjonen ble så konvertert ved bruk av teoretiske utregninger til passende parametere som ble ført inn i Comsol Multiphysics. Modellen av verktøyholderen uten dempersystemet viste likheter angående egenfrekvenser. Større feil ble vist ved bruk av Rayleigh demping modell for verktøy holderen og dempersystemet i mode to. Dette kan skyldes at systemene ble vist å være frekvensuavhengige gjennom de praktiske testene. For mode en så vi likheter mellom simuleringene og de praktiske testene. Oljen introduserer økte dempeegenskaper i systemet. Resultatene fra disse simuleringen viste at modellen gjenskaper de praktiske testene mtp skjær krefter i systemet. Skjær kreftene fra den viskøse oljen er innen 1% feil sammenlignet med de praktiske testene. Generelt viste simuleringene at geometrien til systemet kan bli designet i Comsol Multiphysics, og at modulene, «laminar flow», «structural mechanics» kan representere systemet, og at resultatene har likheter med de praktiske resultatene. Ulikheter i geometri, material egenskaper og eksterne faktorer fra testutstyret, kan forklare noe av avvikene i resultatene. Definisjonen av demper modellen er avhengig av bevegelsen til systemet, og fungerer for simuleringene hvor fart, deformasjon og akselerasjon er kontrollert i en en-rettet bevegelse. Når bevegelsen blir kompleks, og flere ulike deformasjonsbevegelser skjer samtidig, ser vi en signifikant forskjell mellom simuleringen og de praktiske resultatene. For å fange opp dempingen til systemet når deformasjonen består av to ulike egenfrekvenser kan det være hensiktsmessig å definere dempingen som material egenskap.

The vibration damping tool is used to decrease the vibration during the material removal processes. Machining processes subject the tool to enormous forces, where vibrations can arise. The key to preventing the rise of vibration is a tuned masse damper inside the tool holder. The damper system consists of a heavy damper mass, two spring elements, and viscous oil. During the machining process, the damper will transform the kinetic energy to heat within the oil and damper system. The system is complex, consists of several parts, and is accurately designed and tested to fit the purpose of usage. The tool is tuned to have optimal performance based on theory and practical experience. The main goal of this thesis is to test if the system can be simulated. The tests performed in this thesis show that the complex system can be designed and simulated using the finite element method. Where the results of the damper system in translation shows similarities regarding damping ratio, mode 1 frequency and deformation. The material model that offered the most similar behavior was the linear elastic model, with damping defined as Rayleigh damping. This is especially shown for the damper system without oil. Higher frequencies showed different levels of error compared to lower frequencies. The essential material properties achieved from the laboratory tests were, among others, eigenfrequencies, shear modulus, and damping ratio. Those data were converted using theoretical equations to suited parameters that were inserted into the Comsol Simulation. The model of the tool holder without the damper system shows similarities regarding eigenfrequencies. Significant errors are found using the Rayleigh damping model for the tool holder and the damper system, as the model tests showed that the damper system and tool holder are not frequency-dependent. However, we see close similarities for the tool holder for deformation shapes that consist of one frequency. We see correct results when introducing viscous oil into the model concerning shear stresses in the fluid flow model. The shear stresses from the viscous oil are of values within 1%, comparing the practical tests with the computer simulation. Overall, the results showed that the geometry can be modeled using Comsol Multiphysics and that the Multiphysics module, including the laminar flow and structural mechanics, represents the systems with results resembling the practical results. Differences in geometry, material properties, and external factors coming from test equipment and test rigs can explain some of the errors in the results. The definition of a damping model that relies on the velocity works for deformations that are controlled; however, when the deformation consists of two or more frequencies, we see a significant difference when comparing the Comsol simulation results with the laboratory results. Defining a material model that defines the damping as a material property is shown to be of another scale in terms of complexity and was not tested, as this thesis objective was to investigate multiple models and considerations and opportunities using Comsol Multiphysics.