ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Фундаментальным свойством динамической системы резания (ДСР) является ее эволюционное изменение, обусловленное необратимыми преобразованиями энергии в зоне обработки. В них развитие износа инструмента выступает в качестве одного из факторов, влияющих на эволюцию и одновременно зависящих от состояния ДСР. Следовательно, изнашивание зависит от параметров ДСР, и развитие износа изменяет параметры формируемой резанием динамической связи. В этой взаимосвязанной и, следовательно, самоорганизующейся системе интенсивность изнашивания становится зависящей от исходных параметров ДСР, а траектория износа становится зависящей от исходных параметров системы. Однако до настоящего времени не выполнено рассмотрение износа как части взаимосвязанной совокупности подсистем. Предмет. Рассматривается изнашиваемость инструмента как неотъемлемой части эволюционно изменяющейся ДСР, обладающей свойством взаимовлияния ее координат и износа. В частности, изучаются закономерности изменения траекторий износа от начальных параметров ДСР. Цель работы – изучить влияние необратимых преобразований энергии на изнашиваемость инструмента для его согласования с параметрами ДСР. Метод и методология. В статье приводятся результаты математического моделирования эволюционного изменения свойств ДСР, обусловленные фазовой траекторией мощности необратимых преобразований энергии по произведенной работе. Рассматривается модель ДСР, в которой износ выражается с помощью уравнения Вольтерры, проблемы параметризации уравнений, результаты цифрового моделирования и практический пример. Результаты и обсуждения. Обсуждаются результаты моделирования связи изнашивания с параметрами ДСР, а также с параметрами управления, которыми являются технологические режимы. Приводится пример изменения эволюции износа при точении стали 10ГН2МФА. Доказывается, что эволюционные свойства износа могут обладать высокой чувствительностью к малым вариациям начальных параметров ДСР, возмущений и управляющих параметров. Рассматривается проблема выбора оптимальной траектории скорости резания по совершенной работе сил, а также использование разработанного математического инструментария для создания цифрового двойника обработки.

1. Hahn R.S. On the theory of regenerative chatter in precision grinding operation // Transactions of American Society of Mechanical Engineers. – 1954. – Vol. 76 (4). – P. 593–597. – DOI: 10.1115/1.4014908.

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

3. Merrit H.E. Theory of self-excited machine-tool chatter: Contribution to machine tool chatter research – 1 // Journal of Engineering for Industry. – 1965. – Vol. 87 (4). – P. 447–454. DOI: 10.1115/1.3670861.

4. Кудинов В.А. Динамика станков. – М.: Машиностроение, 1967. – 359 с.

5. Selbsterregte Schwingungen an Werkzeugmaschinen / J. Tlusty, A. Polacek, C. Danek, J. Spacek. – Berlin: VerlagTechnik, 1962. – 320 p.

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

7. Hanna N.H., Tobias S.A. A theory of nonlinear regenerative chatter // Journal of Engineering for Industry. – 1974. – Vol. 96 (1). – P. 247–255. – DOI: 10.1115/1.3438305.

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

9. Litak G. Chaotic vibrations in a regenerative cutting process // Chaos, Solitons & Fractals. – 2002. – Vol. 13 (7). – P. 1531–1535. – DOI: 10.1016/s0960-0779(01)00176-x.

10. Grabec I. Chaos generated by the cutting process // Physics Letters A. – 1986. – Vol. 117 (8). – P. 384–386.

11. Tlusty J., Ismail F. Basic non-linearity in machining chatter // CIRP Annals. – 1981. – Vol. 30 (1). – P. 299–304. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)60946-9.

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

13. Максаров В.В., Васин С.А., Ефимов А.Е. Динамическая стабилизация процесса растачивания внутренних поверхностей сварных изделий // СТИН. – 2021. – № 7. – С. 6–10.

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

15. 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. Hristoforova // Journal of Sound and Vibration. – 2016. – Vol. 368. – P. 174–190. – DOI: 10.1016/j.jsv.2016.01.020.

16. Rusinek 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 (9). – P. 1450115. – DOI: 10.1142/S0218127414501156.

17. Rusinek R., Wiercigroch M., Wahi P. Modelling 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.

18. Insperger T., Stepan G. Semi-discretization method for delayed systems // International Journal for Numerical Methods in Engineering. – 2002. – Vol. 55 (5). – P. 503–518. – DOI: 10.1002/nme.505.

19. 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. – Vol. 359 (1779). – P. 663–693. – DOI: 10.1098/rsta.2000.0750.

20. Stepan G., Szalai R., Insperger T. Nonlinear dynamics of high-speed milling subjected to regenerative effect // Nonlinear dynamics of production systems / ed. by G. Radons, R. Neugebauer. – Weinheim: Wiley, 2004. – P. 111–127. – DOI: 10.1002/3527602585.ch7.

21. Reith M.J., Bachrathy D., Stepan G. Improving the stability of multi-cutter turning with detuned dynamics // Machining Science and Technology. – 2016. – Vol. 20 (3). – P. 440–459. – DOI: 10.1080/10910344.2016.1191029.

22. Influence of the ploughing effect on the dynamic behavior of the self-vibratory drilling head / H. Paris, D. Brissaud, A. Gouskov, N. Guibert, J. Rech // CIRP Annals. – 2008. – Vol. 57 (1). – P. 385–388.

23. Altintas Y., Budak E. Analytical prediction of stability lobes in milling // CIRP Annals. – 1995. – Vol. 44 (1). – P. 357–362. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)62342-7.

24. Influence of the clearance face on the condition of chatter self-excitation during turning / A. Gouskov, M. Gouskov, Ph. Lorong, G. Panovko // International Journal of Machining and Machinability of Materials. – 2017. – Vol. 19 (1). – P. 17–39. – DOI: 10.1504/IJMMM.2017.081186.

25. Altintas Y., Weck M. Chatter stability of metal cutting and grinding // CIRP Annals. – 2004. – Vol. 53 (2). – P. 619–642. – DOI: 10.1016/S0007-8506(07)60032-8.

26. Altintas Y. Manufacturing automation: Metal cutting mechanics, machine tool vibrations, and CNC design. – 2nd ed. – Cambridge: Cambridge University Press, 2012. – 310 p. – ISBN 978-0-521-76289-8.

27. Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E. Influence of speeds of forming movements on the properties of geometric topology of the part in longitudinal turning // Journal of Manufacturing Processes. – 2024. – Vol. 112. – P. 202–213. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2024.01.037.

28. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Влияние вибраций на траектории формообразующих движений инструмента при точении // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 3. – С. 42–58. –DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.3-42-58.

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

30. 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: 10.17212/1994­6309­2019­21.4­31­46.

31. Dornfeld D., Pan S. Determination of chip formation states using the method of linear discriminant functions with acoustic. Blowout // Proceedings of the 13th North American Manufacturing Research Conference. – Berkeley, California, USA, 1985. – P. 299–303.

32. Application of machine vision for tool condition monitoring and tool performance optimization – a review / T. Banda, A.A. Farid, C. Li, V.L. Jauw, C.S. Lim // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2022. – Vol. 121 (11–12). – P. 7057–7086. – DOI: 10.1007/s00170-022-09696-x.

33. Munaro R., Attanasio A., Del Prete A. Tool wear monitoring with artificial intelligence methods // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2023. – Vol. 7 (4). – P. 129. – DOI: 10.3390/jmmp7040129.

34. Zhu K., Yu X. The monitoring of micro milling tool wear condition by wear area estimation // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2017. – Vol. 93. – P. 80–91. – DOI: 10.1016/j.ymssp.2017.02.004.

35. Козочкин М.П., Сабиров Ф.С., Молодцов В.В. Диагностика состояния станков по вибрационным характеристикам // Materials. Technologies. Design. – 2020. – Т. 2, № 1 (2). – С. 69–77.

36. Zakovorotny V.L., Ladnik I.V., Dhande S.G. A method for characterization of machine-tools dynamic parameters for diagnostic purposes // Journal of Materials Processing Technology. – 1995. – Vol. 53 (3–4). – P. 588–600.

37. Рыжкин А.А. Синергетика изнашивания инструментальных материалов при лезвийной обработке. – Ростов н/Д.: Донской гос. техн. ун-т, 2019. – 289 с. – ISBN 978-5-7890-1669-5.

38. Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов. – М.: Машиностроение, 2009. – 640 с.

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

40. Кожевников Д.В., Кирсанов С.В. Резание материалов: учебник. – М.: Инновационное машиностроение, 2022. – 304 с.

41. Тавстюк А.А., Лютов А.Г., Коуров Г.Н. Применение удельных энергетических параметров при оптимизации и управлении процессом резания // СТИН. – 2014. – № 2. – С. 29–34.

42. Мигранов М.Ш. Исследование изнашивания инструментальных материалов и покрытий с позиции термодинамики и самоорганизации // Известия вузов. Машиностроение. – 2006. – № 11. – С. 65–70.

43. Interrelation between tribosystem evolution and parameters of dynamic friction system / V.L. Zakovorotny, M. Marchak, I.V. Usikov, A.D. Lukyanov // Journal of Friction and Wear. – 1998. – Vol. 19 (6). – P. 54–64.

44. Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E. Evolution of the dynamic cutting system with irreversible energy transformation in the machining zone // Russian Engineering Research. – 2019. – Vol. 39 (5). – P. 423–433. – DOI: 10.3103/S1068798X19050204.

45. 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.

46. Нейронно-сетевое моделирование процесса изнашивания твердосплавного инструмента / Ю.Г. Кабалдин, А.М. Кузьмишина, Д.А. Шатагин, М.С. Аносов // Автоматизация. Современные технологии. – 2021. – Т. 75, № 9. – С. 398–402. – DOI: 10.36652/0869-4931-2021-75-9-398-402.

47. А. с. 657918 СССР. Способ определения оптимальной скорости резания: № 233161/08: заявл. 03.03.76: опубл. 28.04.79, Бюл. № 15 / А.Д. Макаров, Д.И. Рюков, В.М. Коленченко, А.П. Доброрез. – 5 с.

48. Патент № 2535839 C2 Российская Федерация, МПК8 B23B 1/00 (20.12.2014). Способ определения оптимальной скорости резания: № 2013113474/02: заявл. 26.03.2013: опубл. 20.12.2014 / Е.В. Артамонов, Д.В. Васильев.

49. Закураев В.В., Хадеев С.И. Оценка условий оптимального режима резания по энергетическим характеристикам процесса. – Новокузнецк: Межотраслевой НТК, 2007. – 187 с.

50. Мигранов М.Ш., Шустер Л.Ш. Интенсификация процесса металлообработки на основе использования эффекта самоорганизации при трении. – М.: Машиностроение, 2005. – 202 с.

51. 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.

52. Lapshin V.P. Turning tool wear estimation based on the calculated parameter values of the thermodynamic subsystem of the cutting system // Materials. – 2021. – Vol. 14 (21). – P. 6492. – DOI: 10.3390/ ma14216492.

53. Каширская Е.Н., Орлов А.В.. Определение износа металлорежущего инструмента на основе анализа температуры резания // Ползуновский вестник. – 2012. – № 1/1. – С. 120–123.

54. Пантюхин О.В., Васин С.А. Цифровой двойник технологического процесса изготовления изделий специального назначения // Станкоинструмент. – 2021. – № 1 (22). – С. 56–59.

55. Sandvik Coromant. – URL: https://www.sandvik.coromant.com (дата обращения: 01.06.2021).

56. Хакен Г. Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии. – Ижевск: Ин-т компьютер. исслед., 2003. – 320 с.

57. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. – М.: Мир, 1979. – 512 с.

58. Колесников А.А. Синергетические методы управления сложными системами: теория системного синтеза. – М.: Либроком, 2019. – 240 с. – ISBN 978-5-397-03010-6.

59. Колмогоров А.Н., Фомин С.В. Элементы теории функций и функционального анализа. – М.: Наука, 1976. – 543 c.

60. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Основы системно-синергетического анализа и синтеза управления процессом обработки на металлорежущих станках: монография. – СПб.: Лань, 2025. – 436 с. – ISBN 978-5-507-53020-5.

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

62. Андронов А.А., Понтрягин Л.С. Грубые системы // Доклады Академии наук СССР. – 1937. – Т. 14, № 5. – С. 247–250.