ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Интенсивность изнашивания инструмента как приращение износа к пути резания характеризует один из важных показателей обработки. Он используется при разработке алгоритмов управления процессом резания, в том числе при расчете траекторий для станков с ЧПУ. По мере увеличения скорости резания достигается ее значение, при котором интенсивность изнашивания минимальна. Ей соответствует оптимальное значение производства тепла в зоне резания, то есть мощности необратимых преобразований подводимой к резанию энергии. Производство тепла зависит от изменяющихся вдоль траектории инструмента параметров динамической системы. В связи с этим на начальном этапе и в процессе обработки необходимо выполнять согласование управления со свойствами динамической системы резания. Предмет. В статье приводится исследование и анализ взаимосвязи интенсивности изнашивания инструмента с динамическими свойствами процесса резания, исходя из этого предлагается определение технологических режимов, при которых интенсивность изнашивания минимальна. Цель работы заключается в изучении зависимости интенсивности изнашивания инструментов от динамических свойств обработки, исходных и изменяющихся вдоль пути, и создания на этой основе методов согласования технологических режимов с текущей динамикой резания для уменьшения интенсивности изнашивания. Метод и методология проведения работы. В работе экспериментально-аналитическими методами выполнены исследования эволюционных изменений свойств системы во взаимосвязи с развитием износа инструмента. Приводятся разработанные математические модели системы резания, отличающиеся от известных тем, что дополнительно моделируется мощность необратимых преобразований энергии механической системы в сопряжении задних граней инструмента с заготовкой. Приводятся зависимости скорости изнашивания от мощности необратимых преобразований, т. е. на заданном временном интервале в приращение износа. Тем самым учитывается зависимость изнашивания от динамических свойств системы резания, в том числе в ходе ее эволюции. Результаты и обсуждения. Показано, что свойства эволюции являются чувствительными к малым вариациям параметров динамической системы. Эти вариации вносят существенные изменения в интенсивность изнашивания. В работе раскрывается зависимость изнашивания от свойств динамической системы, т. е. от ее параметров, технологических режимов, биений и других возмущений. Выводы. Раскрытие зависимости износостойкости от динамических свойств процесса резания характеризует новые представления о факторах, влияющих на износостойкость.

1. Рыжкин А.А. Синергетика изнашивания инструментальных материалов при лезвийной обработке / Донской государственный технический университет. – Ростов н/Д.: ДГТУ, 2019. – 289 с. – ISBN 978-5-7890-1669-5.

2. Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов. – М.: Машиностроение, 2009. – 640 с. – ISBN 978-5-94275-460-0.

3. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. – М.: Машиностроение, 1982. – 320 с.

4. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. – М.: Машиностроение, 1976. – 278 с.

5. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнер В.С. Резание металлов: термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 447 с. – ISBN 5-7038-1823-0.

6. Бершадский Л.И. Самоорганизация трибосистем и концепция износостойкости // Трение и износ. – 1992. – Т. 13, № 6. – С. 1077–1094.

7. Костецкий Б.И. Структурно-энергетическая приспосабливаемость материалов при трении // Проблемы трения и изнашивания. – 1986. – № 6. – С. 287–295.

8. Мигранов М.Ш. Исследования изнашивания инструментальных материалов и покрытий с позиций термодинамики и самоорганизации // Известия вузов. Машиностроение. – 2006. – № 11. – С. 65–71.

9. Ким В.А., Якубов Ч.Ф. Диссипативная структура контактно-фрикционного взаимодействия // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2018. – № 12. – С. 35–45. – DOI: 10.21285/1814-3520-2018-12-35-45.

10. Каримов И.Г. Влияние температуры резания на энергетические параметры контакта инструмента с деталью // Вестник УГАТУ. – 2012. – Т. 16, № 44 (49). – С. 85–89.

11. Non-equilibrium work distribution for interacting colloidal particles under friction / J.R. Gomez-Solano, C. July, J. Mehl, C. Bechinger // New Journal of Physics. – 2015. – Vol. 17. – P. 045026. – DOI: 10.1088/1367-2630/17/4/045026.

12. Banjac M. Friction and wear processes-thermodynamic approach // Tribology in Industry. – 2014. – Vol. 36, N 4. – P. 341–347.

13. Bryant M.D. Entropy and dissipative processes of friction and wear // FME Transactions. – 2009. – Vol. 37, no. 2. – P. 55–60. – DOI: 10.3390/e12061345.

14. Abdel-Aal H.A. Thermodynamic modeling of wear // Encyclopedia of Tribology. – Boston, MA: Springer, 2013. – P. 3622–3636. – DOI: 10.1007/978-0-387-92897-5_1313.

15. Duyun T.A., Grinek A.V., Rybak L.A. Methodology of manufacturing process design, providing quality parameters and minimal costs // World Applied Sciences Journal. – 2014. – Vol. 30 (8). – P. 958–963. – DOI: 10.5829/idosi.wasj.2014.30.08.14120.

16. Mukherjee I., Ray P.K. A review of optimization techniques in metal cutting processes // Computers and Industrial Engineering. – 2006. – Vol. 50, N 12. – P. 15–34. – DOI: /10.1016/j.cie.2005.10.001.

17. Key role of excess atomic volume in structural rearrangements at the front of moving partial dislocations in copper nanocrystals / S.G. Psakhie, K.P. Zolnikov, D.S. Kryzhevich, A.V. Korchuganov // Scientific Reports. – 2019. – Vol. 9. – P. 3867. – DOI: 10.1038/s41598-019-40409-9.

18. Bicanic N. Discrete element methods // Encyclopedia of Computational Mechanics. – 2nd ed. – John Wiley & Sons, 2017. – P. 1–38. – DOI: 10.1002/0470091355.ecm006.

19. Заковоротный В.Л., Флек М.Б. Динамика процесса резания: синергетический подход. – Ростов н/Д.: Терра, 2006. – 880 с.

20. Заковоротный В.Л., Шаповалов В.В. Динамика транспортных трибосистем // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2005. – № 12. – С. 19–24.

21. Постнов В.В., Шафиков А.А. Разработка эволюционной модели изнашивания режущего инструмента для управления процессом обработки // Вестник УГАТУ. – 2012. – Т. 11, № 2 (29). – С. 139–146.

22. Патент 2538750 Российская Федерация. Способ определения оптимальной скорости резания в процессе металлообработки / Козочкин М.П., Федоров С.В., Терешин М.В. – № 2013123625/02; заявл. 23.05.2013; опубл. 10.01.2015.

23. Зариктуев В.Ц. Автоматизация процессов на основе положения об оптимальной температуре резания // Вестник УГАТУ. – 2009. – Т.12, № 4. – С. 14–19.

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

25. 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.

26. A prediction method of cutting force coefficients with helix angle of flat-end cutter and its application in a virtual three-axis milling simulation system / Y.-C. Kao, N.-T. Nguyen, M.-S. Chen, S.T. Su // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2015. – Vol. 77, N 9–12. – P. 1793–1809. – DOI: 10.1007/s00170-014-6550-8.

27. Approximate analytical solutions for primary chatter in the non-linear metal cutting model / J. Warminski, G. Litak, M.P. Cartmell, R. Khanin, M. Wiercigroch // Journal of Sound and Vibration. – 2003. – Vol. 259 (4). – P. 917–933. – DOI: 10.1006/jsvi.2002.5129.

28. Stepan G., Insperge T., Szalai R. Delay, parametric excitation, and the nonlinear dynamics of cutting processes // International Journal of Bifurcation and Chaos. – 2005. – Vol. 15, N 9. – P. 2783–2798. – DOI: 10.1142/S0218127405013642.

29. 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. – DOI: 10.1098/rsta.2000.0755.

30. Davies M.A., Pratt J.R. The stability of low immersion milling // CIRP Annals. – 2000. – Vol. 49. – P. 37–40. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)62891-1.

31. Stability prediction for low radial immersion milling / M.A. Davies, J.R. Pratt, B.S. Dutterer, T.J. Burns // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2002. – Vol. 124. – P. 217–225. – DOI: 10.1115/1.1455030.

32. Prediction of regenerative chatter by modeling and analysis of high-speed milling / R.P.H. Faassen, N. van de Wouw, J.A.J. Osterling, H. Nijmeijer // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2003. – Vol. 43. – P. 1437–1446. – DOI: 10.1016/S0890-6955(03)00171-8.

33. Corpus W.T., Endres W.J. Added stability lobes in machining processes that exhibit periodic time variation – Part 1: An analytical solution // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2004. – Vol. 126. – P. 467–474. – DOI: 10.1115/1.1765137.

34. Impact of the cutting dynamics of small radial immersion milling operations on machined surface roughness / G. Peigne, H. Paris, D. Brissaud, A. Gouskov // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2004. – Vol. 44. – P. 1133–1142. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2004.04.012.

35. Szalai R., Stepan G., Hogan S.J. Global dynamics of low immersion high-speed milling // Chaos. – 2004. – Vol. 14. – P. 1069–1077. – DOI: 10.1063/1.1807395.

36. Hasnul H. The parametric effect and optimization on JIS S45C steel turning // International Journal of Engineering Science and Technology. – 2011. – Vol. 3, N 5. – P. 4479–4487.

37. 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.

38. Rusinek R., Wiercigroch M., Wahi P. Influence of tool flank forces on complex dynamics of a cutting process // International Journal of Bifurcation and Chaos. – 2014. – Vol. 24 (9). – P. 189–201. – DOI: 10.1142/S0218127414501156.

39. 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.

40. Zakovorotny V.L. Bifurcations in the dynamic system of the mechanic processing in metal – cutting tool // WSEAS Transactions on Applied and Theoretical Mechanics. – 2015. – Vol. 10. – P. 102–116.

41. Zakovorotny V.L., Gubanova A.A., Lukyanov A.D. Attractive manifolds in end milling // Russian Engineering Research. – 2017. – Vol. 37, N 2. – P. 158–163. – DOI: 10.3103/S1068798X17020198.

42. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Бифуркации притягивающих множеств деформационных смещений режущего инструмента в ходе эволюции свойств процесса обработки // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. – 2018. – Т. 26, № 5. – С. 20–38. – DOI: 10.18500/0869-6632-2018-26-5-20-38.

43. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Зависимость изнашивания инструмента и параметров качества формируемой резанием поверхности от динамических характеристик // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 4. – С. 31–46. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-31-46.

44. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Связь самоорганизации динамической системы резания с изнашиванием инструмента // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. – 2020. – Т. 28, № 1. – С. 46–61. – DOI: 10.18500/0869-6632-2020-28-1-46-61.

45. Понтрягин Л.С. Избранные труды. – М.: Наука, 1988. – 576 c. – ISBN 5-02-14410-X.

46. Тихонов А.Н. Системы дифференциальных уравнений с малыми параметрами при старших производных // Математический сборник. – 1952. – Т. 31, № 3. – С. 575–586.

47. Мышкис А.Д. Математика для втузов: специальные курсы. – М.: Наука, 1971. – 640 c.

48. Haken H. Information and self-organization: a macroscopic approach to complex systems. – Amsterdam: Elsevier, 2006. – 251 p.

49. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Влияние флуктуаций на устойчивость формообразующих траекторий при точении // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2017. – № 2 (194). – С. 52–61. – DOI: 10.17213/0321-2653-2017-2-52-61.

50. Заковоротный В.Л., Губанова А.А., Лукьянов А.Д. Притягивающие множества при фрезеровании концевыми фрезами // СТИН. – 2016. – № 8. – С. 27–33.

51. Заковоротный В.Л., Фам Д.Т., Нгуен С.Т. Математическое моделирование и параметрическая идентификация динамических свойств подсистем инструмента и заготовки при точении // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2011. – № 2 (160). – С. 38–46.

52. Моделирование динамической связи, формируемой процессом точения, в задачах динамики процесса резания (скоростная связь) / В.Л. Заковоротный, Д.Т. Фам, С.Т. Нгуен, М.Н. Рыжкин // Вестник Донского государственного технического университета. – 2011. – Т. 11, № 2 (53). – С. 137–146.

53. Моделирование динамической связи, формируемой процессом точения, в задачах динамики процесса резания (позиционная связь) / В.Л. Заковоротный, Д.Т. Фам, С.Т. Нгуен, М.Н. Рыжкин // Вестник Донского государственного технического университета. – 2011. – Т. 11, № 3 (54). – С. 301–311.