ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Вибрации всегда сопровождают процесс резания и влияют на параметры качества изготовления деталей и состояние процесса резания, оцениваемого, например, интенсивностью изнашивания инструмента. В работе рассматриваются вибрации, генерируемые самим станком (биения шпиндельной группы, кинематические возмущения, вариации припуска и пр.), а также специально вводимые в зону резания управляемые колебания для улучшения качества изготовления деталей. За счет вибраций изменяются траектории формообразующих движений, зависящих от траекторий исполнительных элементов станка, дополнительных вибраций и упругих деформационных смещений инструмента относительно заготовки. Траектории формообразующих движений являются главным фактором формирования геометрической топологии поверхности детали в единстве геометрической точности, волнистости и шероховатости поверхности. Однако до настоящего времени нет единого мнения о влиянии вибраций на параметры качества детали. Методы исследования. В статье на основе математического моделирования динамической системы резания рассмотрено влияние вибраций на траектории формообразующих движений вершины инструмента относительно заготовки как основного фактора, определяющего геометрическую топологию детали. В отличие от известных работ, во-первых, параметры динамической связи предоставлены в координатах состояния. Во-вторых, учтено влияние вибрационных возмущений, существующих в станке, а также специально вводимых колебаний на свойства динамической системы (например, устойчивость) и результат (прежде всего геометрическую топологию). Результаты и обсуждение. Приведены результаты моделирования, раскрывающие эффекты нелинейной динамики, которые могут вызывать как улучшение, так и ухудшение параметров геометрической топологии. Эти эффекты проявляются в образовании динамической постоянной составляющей деформационных смещений, в формировании вдоль траектории различных притягивающих множеств деформационных смещений и их бифуркаций. Намечены пути улучшения качества формируемой резанием поверхности за счет согласования вводимых и (или) существующих естественным образом внешних возмущений со свойствами динамической системы и управляемыми от ЧПУ траекториями исполнительных элементов станка. Результаты исследований направлены на повышение эффективности процесса по параметрам качества изготовления деталей. Их можно использовать и для динамического мониторинга состояния процесса во время обработки, например износа инструмента.

1. Кудинов В.А. Динамика станков. – М.: Машиностроение, 1967. – 359 c.

2. Tlusty I., Ismail F. Basic non-linearity in machining chatter // CIRP Annals. – 1981. – Vol. 30. – P. 299–304. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)60946-9.

3. Тлустый И. Автоколебания в металлорежущих станках: пер. с чеш. – M.: Машгиз, 1956. – 395 с.

4. Tobias S.A. Machine tool vibrations. – London: Blackie, 1965. – DOI: 10.1049/tpe:19640084.

5. Меррит Д. Теория автоколебаний металлорежущих станков // Конструирование и технология машиностроения. – 1965. – № 4. – C. 32–38.

6. Hahn R.S. On the theory of regenerative chatter in precision grinding operation // Transactions of American Society of Mechanical Engineers. – 1954. – Vol. 76. – P. 593–597.

7. Balachandran B. Nonlinear dynamics of milling process // Philosophical Transactions of The Royal Society A. Mathematical Physical and Engineering Sciences. – 2001. – Vol. 359 (1781). – P. 793–819.

8. Litak G. Chaotic vibrations in a regenerative cutting process // Chaos Solitons & Fractals. – 2002. – Vol. 13. – P. 1531–1535. – DOI: 10.1016/S0960-0779(01)00176-X.

9. Litak G., Rusinek R. Dynamics of a stainless steel turning process by statistical and recurrence analyses // Mechanic. – 2012. – Vol. 47 (6). – P. 1517–1526. – DOI: 10.1007/s11012-011-9534-x.

10. Воронов С.А., Непочатов А.В., Киселев И.А. Критерии оценки устойчивости процесса фрезерования нежестких деталей // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2011. – № 1. – С. 50–62.

11. Городецкий Ю.И. Теория нелинейных колебаний и динамика станков // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Математическое моделирование и оптимальное управление. – 2001. – № 2. – С. 69–88.

12. Namachchivaya N.S., Beddini R. Spindle speed variation for the suppression of regenerative chatter // Journal of Nonlinear Science. – 2003. – Vol. 13. – P. 265–288.

13. Wahi P., Chatterjee A. Self-interrupted regenerative metal cutting in turning // Journal of Non-Linear Mechanics. – 2008. – Vol. 43. – P. 111–123. – DOI: 10.1016/j.ijnonlinmec.2007.10.010.

14. Chaotic vibrations in regenerative cutting process / J. Warminski, G. Litak, J. Lipski, M. Wiercigroch, M.P. Cartmell // IUTAM/IFToMM Symposium on Synthesis of Nonlinear Dynamical Systems. – 2000. – Vol. 73. – P. 275–284.

15. Stepan G., Szalai R. Insperger T. Nonlinear dynamics of high-speed milling subjected to regenerative e?ect // Nonlinear dynamics of production systems. – Weinheim: Wiley-VCH, 2004. – P. 111–127.

16. Stepan G. Modelling nonlinear regenerative e?ects in metal cutting // Philosophical Transactions of The Royal Society a Mathematical Physical and Engineering Sciences. – 2001. – Vol. 359. – P. 739–757. – DOI: 10.1098/rsta.2000.0753.

17. Nonlinear dynamics of a machining system with two interdependent delays / A.M. Gouskov, S.A. Voronov, H Paris, S.A. Batzer // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. – 2002. – Vol. 7. – P. 207–221. – DOI: 10.1016/s1007-5704(02)00014-x.

18. Воронов С.А., Киселев И.А. Нелинейные задачи динамики процессов резания // Машиностроение и инженерное образование. – 2017. – № 2 (51). – С. 9–23.

19. Васин С.А., Васин Л.А. Синергетический подход к описанию природы возникновения и развития автоколебаний при точении // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2012. – № 1. – С. 11–16.

20. Rusinez R., Wiercigroch M., Wahi P. Influence of tool flank forces on complex dynamics of cutting process // International Journal of Bifurcation and Chaos. – 2014. – Vol. 24, N 9. – P. 1450115. – DOI: 10.1142/S0218127414501156.

21. Rusinek R., Wiercigroch M., Wahi P. Modeling of frictional chatter in metal cutting // International Journal of Mechanical Sciences. – 2014. – Vol. 89. – P. 167–176. – DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2014.08.020.

22. Grabec I. Chaos generated by the cutting process // Physics Letter A. – 1986. – Vol. 117, N 8. – P. 384–386. – DOI: 10.1016/0375-9601(86)90003-4.

23. Surface quality of a work material’s in?uence on the vibrations of the cutting process / J. Lipski, G. Litak, R. Rusinek, K. Szabelski, A. Teter, J. Warminski, K. Zaleski // Journal of Sound and Vibration. – 2002. – Vol. 252. – P. 737–739. – DOI: 10.1006/jsvi.2001.3943.

24. Wiercigroch M., Budak E. Sources of nonlinearities, chatter generation and suppression in metal cutting // Philosophical Transactions of The Royal Society A: Mathematical Physical and Engineering Sciences. – 2001. – N 359. – P. 663–693. – DOI: 10.1098/rsta.2000.0750.

25. Wiercigroch M. Krivtsov A.M. Frictional chatter in orthogonal metal cutting // Philosophical Transactions of The Royal Society A: Mathematical Physical and Engineering Sciences. – 2001. – Vol. 359. – P. 713–738. – DOI: 10.1098/rsta.2000.0752.

26. Bifurcation of stationary manifolds formed in the neighborhood of the equilibrium in a dynamic system of cutting / V.L. Zakovorotny, A.D. Lukyanov, A.A. Gubanova, V.V. Khristoforova // Journal of Sound and Vibration. – 2016. – Vol. 368. – P. 174–190. – DOI: 10.1016/j. jsv.2016.01.020.

27. Воронин А.А. Влияние ультразвуковых колебаний на процесс резания жаропрочных сплавов // Станки и инструмент. – 1960. – № 11. – С. 15–18.

28. Марков А.И. Оптимизация и управление процессом ультразвукового резания // Вестник машиностроения. – 1996. – № 10. – С. 19–22.

29. Ткаченко И.Г., Агапов С.И. Определение оптимальной амплитуды и направления ультразвуковых колебаний при зубодолблении мелкомодульных зубчатых колес // Вестник машиностроения. – 2010. – № 2. – С. 48–50.

30. Агапов С.И. Стойкостные исследования процесса зубофрезерования мелкомодульных зубчатых колес с введением в зону резания ультразвуковых колебаний // Вестник машиностроения. – 2008. – № 4. – С. 66–68.

31. Асташев В.К. Влияние ультразвуковых колебаний резца на процесс резания // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 1992. – № 3. – С. 81–86.

32. Кумабэ Д. Вибрационное резание / пер. с яп. С.Л. Масенникова; под ред. И.И. Портнова, В.В. Белова. – М.: Машиностроение, 1985. – 424 с.

33. Astashev V.K., Babitsky V.I. Ultrasonic cutting as a nonlinear (vibro-impact) process // Ultrasonics. – 1998. – Vol. 36. – Р. 89–96. – DOI: 10.1016/S0041-624X(97)00101-7.

34. Асташев В.К., Андрианов Н.А., Крупенин В.Л. Об авторезонансном ультразвуковом резании материалов // Вестник научно-технического развития. – 2017. – № 1 (113). – С. 3–10.

35. Zakovorotny V.L., Gvindzhiliya V.E. Dynamic influence of spindle wobble in a lathe on the workpiece geometry // Russian Engineering Research. – 2018. – Vol. 38, N 9. – P. 723–725. – DOI: 10.3103/S1068798X18090307.

36. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Бифуркации притягивающих множеств деформационных смещений режущего инструмента в зависимости от биений шпиндельной группы // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. – 2017. – Т. 25, № 6. – С. 38–56. – DOI: 10.18500/0869-6632-2017-25-6-38-56.

37. Zakovorotny V.L., Gvindzhiliya V.E. Influence of spindle wobble in a lathe on the tool's deformational-displacement trajectory // Russian Engineering Research. – 2018. – Vol. 38, N 8. – P. 623–631. – DOI: 10.3103/S1068798X1808018X.

38. Zakovorotny V.L., Gvindzhiliya V.E. Influence of Spindle Wobble in Turning on the Workpiece’s Surface Topology // Russian Engineering Research. 2018. Vol. 38. N 10. P. 818–823. DOI: 10.3103/S1068798X18100192

39. Заковоротный В.Л., Фам Д.Т., Нгуен С.Т. Моделирование и идентификация инерционных и диссипативных свойств подсистем режущего инструмента и заготовки при точении // Вестник Донского государственного технического университета. – 2010. – Т. 10, № 8 (51). – С. 1165–1178.

40. Николас Г, Пригожин И. Познание сложного. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – C. 97–171. – ISBN 5-03-001582-5.

41. Nonlinear dynamics of chaotic and stochastic systems: tutorial and modern developments / V.S. Anishchenko, V.V. Astakhov, A.B. Neiman, T. Vadivasova, L. Schimansky-Geier // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. – 2001. – Т. 9, N 6. – C. 201–203.

42. Заковоротный В.Л., Бордачев Е.В. Информационное обеспечение системы динамической диагностики износа режущего инструмента на примере токарной обработки // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 1995. – № 3. – С. 95–103.