ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Обоснование. Современные металлообрабатывающие станки с ЧПУ позволяют достигать качественно нового уровня обработки металлов резанием при токарной обработке металлов. При этом удается добиться обеспечения требуемой формы, точности размеров, а также взаиморасположения поверхностей детали. Однако такой показатель качества обработки, как шероховатость обработанной поверхности, связанный с вибрационной активностью инструмента, не всегда отвечает заданным требованиям. Фактором, определяющим вибрационный режим резания в токарном металлорежущем станке, служит фактор самовозбуждения системы резания, обусловленный формируемой в процессе резания дополнительными обратными связями, одной из которых выступает термодинамическая подсистема системы резания, являющаяся предметом исследования. Цель работы. За счет формирования непротиворечивой модели связи между подсистемами, описывающими силовую, тепловую и вибрационную реакцию инструмента, получить адекватное описание механизма снижения вибрационной нагрузки на процесс резания. В работе исследован процесс токарной обработки металлов резанием на металлорежущих станках с подробным описанием взаимодействия между термодинамической, силовой и вибрационной подсистемами системы резания. Методы исследования: натурные и численные эксперименты, в которых для обработки и анализа данных использовался пакет математических программ Matlab. Результаты и обсуждение. Приведены результаты натурных и численных экспериментов, в частности графики изменения координат, описывающих деформацию инструмента, получены массивы данных, отражающих зависимость вибрационной энергии движений инструмента от времени реакции термодинамической подсистемы системы резания. Качественная оценка результатов натурного эксперимента позволяет подтвердить адекватность как самой модели, так и результатов ее моделирования. Область применения полученных в исследовании результатов связана с возможностью предварительной подготовки режущего клина, которая обеспечит заданное значение постоянной времени термодинамической подсистемы, в свою очередь, осуществляющей минимизацию энергии вибрации. Вывод по работе: предложенная в работе математическая модель адекватно описывает механизм влияния температуры на вибрационную нагрузку процесса точения.

1. 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.

2. Лапшин В.П., Тюняев Р.А., Христофорова В.В. Оценка влияния скорости подачи, на равновесные режимы привода обеспечивающего фрезерование заготовки переменной толщины // Динамика технических систем, ДТС-2015: ХII международная научно-техническая конференция. – Ростов н/Д., 2016. – С. 180–184.

3. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. – М.: Машиностроение, 1990. – 288 с.

4. Рыжкин А.А. Теплофизические процессы при изнашивании инструментальных режущих материалов. – Ростов н/Д.: Изд. центр ДГТУ, 2005. – 311 с. – ISBN 5-7890-0348-6.

5. Tool wear detection and fault diagnosis based on cutting force monitoring / S.N. Huang, K.K. Tan, Y.S. Wong, C.W. De Silva, H.L. Goh, W.W. Tan // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2007. – Vol. 47, iss. 3–4. – P. 444–451.

6. Tool condition monitoring in turning using statistical parameters of vibration signal / H. Arslan, A.O. Er, S. Orhan, E. Aslan // International Journal of Acoustics and Vibration. – 2016. – Vol. 21, iss. 4. – P. 371–378.

7. Alonso F.J., Salgado D.R. Application of singular spectrum analysis to tool wear detection using sound signals // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. – 2005. – Vol. 219 (9). – P. 703–710.

8. Dimla Sr D.E., Lister P.M. On-line metal cutting tool condition monitoring. I: force and vibration analyses // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2000. – Vol. 40 (5). – P. 739–768. – DOI: 10.1016/S0890-6955(99)00084-X.

9. Tool wear evaluation by vibration analysis during end milling of AISI D3 cold work tool steel with 35 HRC hardness / S. Orhan, A.O. Er, N. Camuscu, E. Aslan // NDT & E International. – 2007. – Vol. 40 (2). – P. 121–126.

10. Tobias S.A. Vibraciones en máquinas-herramientas. – Bilboa, Spain: Ediciones Urmo, 1961.

11. Sri Namachchivaya, Beddini. Spindle speed variation for the suppression of regenerative chatter // Journal of Nonlinear Science. – 2003. – Vol. 13, N 3. – P. 265–288. – DOI: 10.1007/s00332-003-0518-4.

12. Wahi P., Chatterjee A. Regenerative tool chatter near a codimension 2 Hopf point using multiple scales // Nonlinear Dynamics. – 2005. – Vol. 40, N 4. – P. 323–338.

13. Stépán G., Insperger T., Szalai R. Delay, parametric excitation, and the nonlinear dynamics of cutting processes // International Journal of Bifurcation and Chaos. – 2005. – Vol. 15, N 09. – P. 2783–2798. – DOI: 10.1142/S0218127405013642.

14. Nonlinear behaviour of the regenerative chatter in turning process with a worn tool: forced oscillation and stability analysis / H. Moradi, F. Bakhtiari-Nejad, M.R. Movahhedy, M.T. Ahmadian // Mechanism and Machine Theory. – 2010. – Vol. 45, N 8. – P. 1050–1066. – DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2010.03.014.

15. 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, N 4. – P. 207–221. – DOI: 10.1016/S1007-5704(02)00014-X.

16. Hahn R.S. On the theory of regenerative chatter in precision grinding operation // Transactions of American Society of Mechanical Engineers. – 1954. – Vol. 76. – P. 356–260.

17. Tobias S.A., Fishwick W. Theory of regenerative machine tool chatter // The Engineer. – 1958. – Vol. 205, N 7. – P. 199–203.

18. Merritt H.E. Theory of self-excited machine-tool chatter: contribution to machine-tool chatter research // Journal of Engineering for Industry. – 1965. – Vol. 87. – P. 447–454. – DOI: 10.1115/1.3670861.

19. 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.

20. 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.2000.07537.

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

22. Гуськов А.М., Воронов С.А., Квашнин А.С. Влияние крутильных колебаний на процесс вибросверления // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. – 2007. – № 1 (66). – С. 3–19.

23. 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.

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

25. 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.

26. Zakovorotny V.L., Lapshin V.P., Babenko T.S. Modeling of tool wear: irreversible energy transformations // Russian Engineering Research. – 2018. – Vol. 38, N 9. – P. 707–708.

27. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. – Л.: Машиностроение, 1986. – 184 с.

28. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. – М.: Машиностроение, 1968. – 367 с.

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

30. Заковоротный В.Л., Флек М.Б. Динамика процесса резания. Синергетический подход. – Ростов н/Д.: Терра, 2006. – 880 c. – ISBN 5-98254-055-2.

31. Рыжкин А.А. Синергетика изнашивания инструментальных режущих материалов (трибоэлектрический аспект). – Ростов н/Д.: Изд. центр ДГТУ, 2004. – 323 с. – ISBN 5-7890-0307-9.

32. Influence of the temperature in the tool–workpiece contact zone on the deformational dynamics in turning / V.P. Lapshin, I.A. Turkin, V.V. Khristoforova, T.S. Babenko // Russian Engineering Research. – 2020. – Vol. 40, N3. – P. 259–265.

33. Бордачев Е.В., Лапшин В.П. Математическое моделирование температуры в зоне контакта инструмента и изделия при токарной обработке металлов // Вестник Донского государственного технического университета. – 2019. – Т. 19, № 2. – С. 130–137. – DOI: 10.23047/1992-5980-2019-19-2-130-137.

34. Лапшин В.П., Христофорова В.В., Носачев С.В. Взаимосвязь температуры и силы резания с износом и вибрациями инструмента при токарной обработке металлов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 3. – С. 44–58. – DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.3-44-58.