Том 25 № 1 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативно-библиографических и наукометрических базах данных Web of Science и Scopus. WEB OF SCIENCE
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Рябошук С.В., Ковалев П.В. Анализ причин образования дефектов заготовок из стали 12X18H10T и разработка рекомендаций по их устранению............................................................................................... 6 Лапшин В.П., Моисеев Д.В. Определение оптимального режима обработки металлов при анализе динамики систем управления резанием........................................................................................................ 16 Гимадеев М.Р., Ли А.А., Беркун В.О., Стельмаков В.А. Экспериментальное исследование динамики процесса механообработки концевыми сфероцилиндрическими фрезами.................................................. 44 Братан С.М., Часовитина А.С. Моделирование взаимосвязей между входными факторами и выходными показателями процесса внутреннего шлифования с учетом взаимных колебаний инструмента и заготовки.......................................................................................................................................................... 57 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Подгорный Ю.И., Кириллов А.В., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Лобанов Д.В., Мартюшев Н.В. Синтез механизма привода технологической машины непрерывного действия......................................... 71 Лобанов Д.В., Рафанова О.С. Методика критериального анализа мультивариантных систем............... 85 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов А.Г., Бобылёв Э.Э., Попов Р.А. Особенности формирования диффузионных покрытий, полученных комплексной химико-термической обработкой конструкционных сталей......................... 98 Филиппов А.В., Хорошко Е.С., Шамарин Н.Н., Колубаев Е.А., Тарасов С.Ю. Исследование свойств сплавов на основе кремниевой бронзы, напечатанных с применением технологии электронно-лучевого аддитивного производства................................................................................................................................ 110 Лысых С.А., Корнопольцев В.Н., Мишигдоржийн У.Л., Хараев Ю.П., Тихонов А.Г., Иванцивский В.В., Вахрушев Н.В. Влияние продолжительности боромеднения на толщину диффузионного слоя и микротвердость углеродистых и легированных сталей..................................................................... 131 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 149 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 159 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 10.03.2023. Выход в свет 15.03.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 20,0. Уч.-изд. л. 37,2. Изд. № 46. Заказ 91. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 1 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. WEB OF SCIENCE
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 1 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Ryaboshuk S.V., Kovalev P.V. Analysis of the reasons for the formation of defects in the 12-Cr18-Ni10-Ti steel billets and development of recommendations for its elimination............................................................... 6 Lapshin V.P., Moiseev D.V. Determination of the optimal metal processing mode when analyzing the dynamics of cutting control systems................................................................................................................... 16 Gimadeev M.R., Li A.A., Berkun V.O., Stelmakov V.A. Experimental study of the dynamics of the machining process by ball-end mills.................................................................................................................. 44 Bratan S.M., Chasovitina A.S. Simulation of the relationship between input factors and output indicators of the internal grinding process, considering the mutual vibrations of the tool and the workpiece................... 57 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Podgornyj Yu.I., KirillovA.V., Skeeba V.Yu., Martynova T.G., Lobanov D.V., Martyushev N.V. Synthesis of the drive mechanism of the continuous production machine......................................................................... 71 Lobanov D.V., Rafanova O.S. Methodology for criteria analysis of multivariant system................................ 85 MATERIAL SCIENCE Sokolov A.G., Bobylyov E.E., Popov R.A. Diffusion coatings formation features, obtained by complex chemical-thermal treatment on the structural steels............................................................................................ 98 Filippov A.V., Khoroshko E.S., Shamarin N.N., Kolubaev E.A., Tarasov S.Yu. Study of the properties of silicon bronze-based alloys printed using electron beam additive manufacturing technology................... 110 Lysykh S.A., Kornopoltsev V.N., Mishigdorzhiyn U.L., Kharaev Yu.P., Tikhonov A.G., Ivancivsky V.V., Vakhrushev N.V. The effect of borocoppering duration on the composition, microstructure and microhardness of the surface of carbon and alloy steels............................................................................................................. 131 EDITORIALMATERIALS 149 FOUNDERS MATERIALS 159 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 44 ТЕХНОЛОГИЯ Экспериментальное исследование динамики процесса механообработки концевыми сфероцилиндрическими фрезами Михаил Гимадеев a,*, Андрей Ли b, Вера Беркун c, Вадим Стельмаков d Тихоокеанский государственный университет, ул. Тихоокеанская , 136, г. Хабаровск, 680035, Россия a https://orcid.org/0000-0001-6685-519X, 009063@pnu.edu.ru, b https://orcid.org/0000-0002-9907-4936, 011864@pnu.edu.ru, c https://orcid.org/0000-0002-5249-2612, 2015103121@pnu.edu.ru, d https://orcid.org/0000-0003-2763-1956, 009062@pnu.edu.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 1 с. 44–56 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.1-44-56 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.914:517.443:53.082.4 История статьи: Поступила: 07 ноября 2022 Рецензирование: 14 января 2023 Принята к печати: 21 января 2023 Доступно онлайн: 15 марта 2023 Ключевые слова: Сфероцилиндрическая фреза Шероховатость поверхности Вибрация Корреляционный анализ Регрессионный анализ Онлайн–мониторинг Наклон инструмента Финансирование: Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Хабаровского края в рамках краевого конкурса на предоставление грантов в форме субсидий из краевого бюджета на реализацию проектов в области фундаментальных, технических, гуманитарных и общественных наук. Грант № 93С/2022 на тему «Повышение эффективности работы технологического оборудования при механообработке за счет онлайн-мониторинга акустического сигнала». Благодарности: Авторы выражают благодарность А.В. Никитенко, кандидату технических наук, доценту кафедры технологическая информатика и информационные системы (ФГБОУ ВО ТОГУ, г. Хабаровск) за помощь в организации и проведении экспериментальных исследований в учебно-производственном центре CAD/CAM технологий. Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Ввиду значительного количества факторов, влияющих на изменение свойств динамической системы для обеспечения высокого качества получаемого продукта, выбираются чрезмерно консервативные условия обработки. Это ограничивает эффективность процесса и приводит к повышению себестоимости продукции. Соответственно необходимы современные подходы, которые позволят диагностировать текущее состояние обработки и вовремя принимать решение о замене инструмента, коррекции или изменении управляющей программы. Значение проводимого исследования состоит в предложении подхода к контролю механообработки, основанного на методе мониторинга процесса фрезерования в реальном времени, для определения возникающих погрешностей обработки, прогнозирования потенциальных проблем и увеличения продолжительности безотказной работы. Предмет. В статье рассматриваются особенности работы системы мониторинга в реальном времени с учетом фильтрации звуковой волны, минимизации шероховатости поверхности при механообработке одно- и двухлезвийным инструментом. Цель работы – определить влияние ориентации наклона сфероцилиндрического инструмента на величину шероховатости поверхности с использованием мониторинга в реальном времени в процессе фрезерования на технологическом оборудовании с ЧПУ. Методика исследований. В исследовании приводятся методы корреляционного и регрессионного анализа. Расчетные данные получены за счет виброакустической диагностики и измерены в диапазоне значений переменного угла наклона поверхности для одно- и двухлезвийного инструмента на основе положений теории колебаний и виброакустической диагностики, теории резания, цифровой обработки и цифровой фильтрации сигналов. Результаты и обсуждения. Экспериментальные данные, полученные при механообработке, позволили определить, что увеличение угла наклона однозубой фрезы практически не влияет на изменение амплитудных параметров шероховатости. Значения виброакустической диагностики и шероховатости при использовании двухзубового сфероцилиндрического инструмента показывают согласованную картину с эффектами, создаваемыми углами наклона и опережения. Полученные решения задач мониторинга и анализа параметров шероховатости позволяют существенно сократить объем экспериментальных исследований и уточнить представление о практической реализации способа акустического мониторинга процесса резания. Для цитирования: Экспериментальное исследование динамики процесса механообработки концевыми сфероцилиндрическими фрезами / М.Р. Гимадеев, А.А. Ли, В.О. Беркун, В.А. Стельмаков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 1. – С. 44–56. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.1-44-56. ______ *Адрес для переписки Гимадеев Михаил Радикович, к.т.н., доцент Тихоокеанский государственный университет, ул. Тихоокеанская, 136, 680035, г. Хабаровск, Россия Тел.: 8 (924) 216-31-39, e-mail: 009063@pnu.edu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 45 TECHNOLOGY Введение Одним из основных направлений развития машиностроительного производства является повышение надежности механообработки пространственно-сложных поверхностей (ПСП) путем использования системы мониторинга в режиме реального времени, предназначенной для получения достоверной информации состояния процесса фрезерования и принятия необходимых управляющих решений [1–6]. Для решения задач контроля процесса фрезерования многими авторами исследуется изменение активной зоны контакта концевого фрезерного инструмента и обрабатываемой детали. Pimenov D. и др. [7] представили практические рекомендации по назначению ориентации инструмента к обрабатываемой детали с учетом динамики фрезерования для обеспечения шероховатости поверхности. Tan L. и др. [8] изучали влияние траекторий движения на износ сфероцилиндрического инструмента и шероховатость поверхности в процессе фрезерования. Результаты показали, что использование траектории движения снизу вверх позволяет обеспечить минимальные амплитудные параметры шероховатости, а превалирующим видом износа инструмента является адгезионный. Вопросы, связанные с мониторингом состояния технологического оборудования на промышленных предприятиях, рассмотрены в работах ученых Козочкина М.П., Сабирова Ф.С. [9]. В работе Shaffer D. и др. акустические сигналы были исследованы как способ контроля работы технологического оборудования [10]. Экспериментальным путем с различными режимами резания были статистически определены математические модели, показывающие изменение акустического сигнала для концевого фрезерования с одной режущей кромкой. Козлов А.А. и Аль–Джонид Халид в своем исследовании определили основные требования для построения диагностики и прогнозирования износа режущего инструмента в реальном времени [11]. Chen и др. предложили систему мониторинга в реальном времени для повышения точности при производстве деталей [6] пространственносложной формы с компенсацией погрешностей [12]. Авторы Cheng DJ. и др. [13] исследовали влияние параметров резания на шероховатость обрабатываемой поверхности. Clayton Cooper [14], Anayet U Patwari и др. [15] на основе акустического сигнала провели анализ корреляции параметров шероховатости поверхности с уровнем звука. Авторы Sahinoglu A. и Rafi ghi M. [16] исследовали влияние параметров резания на шероховатость поверхности, вибрацию, интенсивность звука технологического оборудования при механической обработке. Многими авторами предложены способы обеспечения выходных характеристик обработки за счет управления упругими деформациями инструмента относительно заготовки с учетом состояния динамической системы (ДС) [17–20]. Анализ научных работ позволил сформулировать направление данного исследования: обобщить и получить новые знания, а также уточнить факт применимости акустического комплекса, регистрирующего сигнал через воздушную среду для контроля процесса резания, с фильтрацией помех и шума в реальном времени. Цель работы – определить влияние ориентации сфероцилиндрического инструмента на величину шероховатости поверхности с использованием мониторинга в реальном времени процесса фрезерования на технологическом оборудовании с ЧПУ. Вместе с этим на основании эмпирических данных необходимо разработать модель зависимости шероховатости обработанной поверхности от величины подачи, диаметра и ориентации инструмента с корреляцией полученных значений и виброакустической диагностики. Методика экспериментального исследования Механообработка проводилась в попутном направлении c применением смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), а также на заготовках, имеющих свойства АМг6, твердосплавными сфероцилиндрическими концевыми фрезами с покрытием TiN диаметром D = 8 мм и числом зубьев z = 1, z = 2. Подача на зуб (fz) принята равной 0,2 мм/зуб. Соотношение вылета инструмента принято l / D = 4, глубина резания ap = 0,4 мм, боковой шаг ae = 0,2 мм. Частота вращения шпинделя (n) фрезерного обрабатывающего центра DMG DMU 50 Ecoline для двузубой фрезы составляла 1500 мин–1, для однозубой 3000 мин–1. Применение СОЖ является важным фактором интенсификации процесса резания, так как
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 46 ТЕХНОЛОГИЯ твердый сплав имеет низкое сопротивление растягивающим напряжениям [21]. При использовании СОЖ на поверхностях контакта инструмента и материала заготовки образуются пленки, которые способствуют снижению адгезионного износа. Контроль размерного износа режущего инструмента проводился при помощи контактного измерительного щупа ТТ140 фирмы Heidenhain. Точность прямолинейности при измерении параметров шероховатости прибором Surfcom 1800D составляла Δ = ± (0,05 + 1,5L / 1000). Виброакустическая диагностика (рис. 1) осуществлялась посредством использования анализатора спектра «ZetLab 017-U2», вибродатчиков пьезоэлектрических «BC 110», микрофона «Zet BC 501» с диапазоном воспринимаемых частот 20 Hz...13 kHz и Samson Meteor Mic кардиоидной направленности с диапазоном 20 Hz...20 kHz. В качестве выходной оценки эффективности обработки использовалась шероховатость по параметру Rz (μm), виброперемещение S (μm) и амплитудно-частотная характеристика акустического сигнала А (dB), ω (Hz). Использование конденсаторного микрофона имеет ряд преимуществ – малую неравноРис. 1. Система мониторинга процесса механической обработки в реальном времени: 1 – датчик вибрации и микрофон с кардиоидной направленностью; 2 – Анализатор спектра «ZetLab 017-U2»; 3 – ПК с программным обеспечением ZETLAB (составлено авторами) Fig. 1. Real–time monitoring in milling: 1 – Vibration sensor and microphone with cardioid orientation; 2 – Spectrum Analyzer «ZetLab 017-U2»; 3 – PC with ZETLAB software (formulated by the authors) мерность частотной характеристики, низкий уровень нелинейных и переходных искажений, высокую чувствительность и низкий уровень собственных шумов. Особое внимание стоит уделять повышению качества диагностического сигнала, который состоит из суммы спектра «полезного» сигнала и большого числа неодинаковых по уровню шумов, исходящих от разнообразных объектов. Для шумоподавления в реальном времени использовалось спектральное вычитание (рис. 2). Рис. 2. Схема алгоритма спектрального вычитания шума: x(t) – исходный сигнал; STFT – оконное преобразование Фурье; W(f) – функция весового окна; y(t) – преобразованный сигнал (составлено авторами) Fig. 2. The proposed spectral subtraction algorithm scheme: x(t) – original signal; STFT – Short Time Fourier Transform; W(f) – is the function of the weighting window; y(t) – transformed signal (formulated by the authors) Разложение сигнала при спектральном вычитании проводилось с использованием специальной весовой функции [22] – окна Блэкмана. Результаты и их обсуждение В процессе механической обработки наблюдается изменение свойств ДС, определяющееся различными факторами. Раскрытие особенностей потери устойчивости траектории движения при фрезеровании (рис. 3) позволит определить пути повышения надежности работы технологического оборудования (ТО). В данном исследовании выходным параметром являлась шероховатость, а для обеспечения требуемой шероховатости поверхности наряду с установлением режимов обработки выполнена оценка динамики пространственных колебаний передней опоры шпинделя (см. рис. 3, б). Вместе с этим амплитудные параметры шероховатости после обработки наклонёнными сфероцилиндрическими инструментами с различным
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 47 TECHNOLOGY а б Рис. 3. Схема прохождения режущих кромок фрезы через зону обработки: а – траектория движения i-го зуба соответствующая эффективному диаметру инструмента; б – траектория отклонения передней опоры шпинделя (составлено авторами) Fig. 3. Pattern of the passage of the cutting edges of the cutter through the processing zone: a – the trajectory of the ith tooth corresponding to the effective diameter of the tool; б – deviation trajectory of the front spindle support (formulated by the authors) количеством зубьев при попутном фрезеровании представлены в табл. 1. При обработке однозубой фрезой изменение угла наклона практически не влияет на изменение амплитудных параметров шероховатости, т.е. для рассматриваемого случая диапазон запаса устойчивости ДС максимален. Применение двухзубового инструмента приводит к значительным изменениям выходных параметров, представленные расхождения часто вызваны отклонением и износом инструмента, следствием чего является изменение активной зоны резания и повышение уровня вибраций [6] (рис. 4). А нализ табл. 1, а также рис. 4 позволяет сделать следующие заключения. Во-первых, чем больше амплитуда виброперемещений, соответствующая частоте резания, тем выше значение амплитудных параметров шероховатости. Во-вторых, амплитуда виброперемещений изменяется при увеличении угла наклона нелинейно, а снижение качества обработанной поверхности происходит ввиду упругих деформаций режущего инструмента, что объясняется распределением составляющих сил резания вдоль режущей кромки [20, 23]. Для практической реализации принципов акустической диагностики требуется, чтобы полученная информация текущего состояния процесса обработки была понятной и достоверной. Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Параметры шероховатости после механической обработки сфероцилиндрическим инструментом Roughness parameters after machining with a ball–end tool Количество зубьев фрезы / Number of teeth Угол наклона, ° / Angle of inclination, ° Параметры шероховатости, мкм / Roughness parameters, μm Ra Rq Rz Rt Rp 1 10 0,436 0,543 2,143 4,094 1,490 25 0,498 0,531 2,532 4,810 1,355 40 0,401 0,502 2,512 4,800 1,271 2 10 0,661 0,824 3,048 4,536 2,001 25 0,620 0,793 5,104 7,599 3,079 40 0,373 0,465 2,391 3,559 1,383
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 48 ТЕХНОЛОГИЯ Рис. 4. Амплитуда виброперемещений для различных углов наклона инструмента с двумя зубьями при механической обработке (составлено авторами) Fig. 4. Comparison of the frequency spectrum after milling with different angles of inclination, z = 2 (formulated by the authors) На рис. 5 представлен акустический сигнал, полученный в ходе проведения эксперимента. Частотные спектры, представленные на рис. 5, при подробном анализе с огласуются с сигналами вибродиагностики, тем не менее целесообразным является анализ акустического сигнала в пределах частотного диапазона резания. Для выделения узкой полосы звуковой волны (рис. 6) применялся FFT-фильтр, который использовал быстрое преобразование Фурье (БПФ), размер БПФ при этом соответствовал значению 4096. Частота ω1 соответствует частоте резания (см. рис. 6), а по гармоническому закону резонансные частоты находятся как произведение ω1 и целого числа (ω1 = 50 Гц, 2ω1 = 100 Гц и т. д.). Частоты вычисляют до 4-го порядка, так как с повышением порядка интенсивность частоты моды заметно снижается и на более высоких порядках практически не оказывает влияния на общую звуковую картину. Из записей видно (рис. 7), что акустический сигнал модулируется оборотами инструмента, и при резании двухзубой фрезой амплитуда сигнала а б в Рис. 5. Частотный спектр звука: а – разгон шпинделя до n = 8000 мин–1 и остановка; б – обработка при z = 1, n = 3000 мин–1; в – обработка при z = 2, n = 1500 мин–1 (составлено авторами) Fig. 5. Frequency spectrum of the acoustic signal: а – spindle acceleration to 8000 min–1 and stop; б – machining process, z = 1, n = 3000 min–1; в – machining process, z = 2, n = 1500 min–1 (formulated by the authors)
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 49 TECHNOLOGY Рис. 6. АЧХ гармонических звуковых волн, полученных при фрезеровании с углом наклона 40 градусов (составлено авторами) Fig. 6. Frequency response of harmonic sound waves obtained by milling with an inclination angle of 40 degrees (formulated by the authors) Рис. 7. Фильтрованный акустический сигнал (составлено авторами) Fig. 7. Filtered acoustic signal (formulated by the authors) изменяется тогда, когда изменяется угол наклона инструмента. При исследовании спектра сигналов акустической диагностики установлено равномерное чередование фаз и отсутствие хаотического режима. После удаления шума, фильтрации и нормализации амплитуды сигнала определено ограниченное число точек бифуркации при изменении угла наклона инструмента в процессе механообработки. Указанные факты позволяют заключить, что способ акустического мониторинга обладает информативными диагностическими признаками. Принимая во внимание повышающиеся требования к качеству деталей, стоит сфокусироваться на предсказуемости параметров шероховатости при механической обработке, в этом исследовании – за счет корреляции. Выявленные зависимости на основе величины коэффициента парной корреляции (табл. 2) указывают на возможность влияния на одни получаемые параметры через изменение других и на наличие
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 50 ТЕХНОЛОГИЯ Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Расчетные значения коэффициентов парной корреляции Calculated values of the pair correlation coeffi cients Сравниваемые величины / Compared values Коэффициент корреляции / Correlation coeffi cient Существование линейной зависимости / The existence of a linear relationship Характер линейной зависимости / Linear connection Ф1 (Ra) R (Rz) 0,91 Весьма вероятно / Highly probable Возрастающая / Increases Ф2 (Rq) R (Rz) 0,92 Весьма вероятно / Highly probable Возрастающая / Increases Ф3 (Rt) R (Rz) 0,98 Весьма вероятно / Highly probable Возрастающая / Increases Ф4 (Rp) R (Rz) 0,93 Весьма вероятно / Highly probable Возрастающая / Increases Ф5 (γ) R (Rz) –0,41 Маловероятно / Very improbable Убывающая / Decreases Ф6 (z) R (Rz) 0,40 Маловероятно / Very improbable Возрастающая / Increases Ф5 (γ) Ф6 (z) 0,00 Не существует / Doesn’t exist – предопределяющих микрорельеф поверхности технологических параметров. Отмеченные в табл. 2 корреляции значимы на уровне p < 0,05. Принято считать, что линейная зависимость существует, если модуль коэффициента корреляции соответствует значению от 0,5 до 1. Однако величина коэффициента, заключенная в диапазоне 0,3…0,5, может указывать на существование нелинейной корреляции [24, 25]. График регрессии параметра Rz (рис. 8) свидетельствует о подтверждении вышеуказанного положения. Для оценки степени влияния угла наклона на амплитудный параметр шероховатости Rz проведен многофакторный регрессионный анализ. Результатом проведенного анализа является математическая модель, характеризующая взаимосвязь между величиной шероховатости, подачи на зуб, диаметром и углом наклона инструмента, выраженная нормализованной моделью, графическая интерпретация которой показана на рис. 9: . 3 2, 77 0, 55 1, 08 0, 51 1 0, 22 0, 2 D fz D D fz fzD fz Rz Рис. 8. Параметр Rz в зависимости от угла обработки для двухзубой фрезы (составлено авторами) Fig. 8. Parameter Rz depending on the machining angle for a double-tooth cutter (formulated by the authors) При доверительной вероятности P = 0,95 расчетное значение критерия Фишера Fрасч меньше, чем табличное Fтабл, соответственно гипотеза об адекватном представлении модели регрессии (см. формулу) была принята. Проведенный анализ теоретических и экспериментальных данных взаимосвязи параметров шероховатости, подачи на зуб и угла наклона, показанных на рис. 9, свидетельствует о незначитель-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1