Том 26 № 2 2024 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, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, 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, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, 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 реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 2 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Гайквад В., Чинчаникар С. Исследования соединений AA7075, сваренных трением с перемешиванием и ультразвуковым воздействием: механические свойства и анализ разрушения.......................................................... 6 Сирота В.В., Зайцев С.В., Лимаренко М.В., Прохоренков Д.С., Лебедев М.С., Чуриков А.С., Даньшин А.Л. Получение покрытий с высокой инфракрасной излучательной способностью............................................................ 23 Бабаев А.С., Козлов В.Н., Семёнов А.Р., Шевчук А.С., Овчаренко В.А., Сударев Е.А. Исследование сил резания и обрабатываемости при фрезеровании порошковой коррозионно-стойкой стали, полученной по технологии прямого лазерного выращивания (LMD).......................................................................................................................... 38 Долгова С.В., Маликов А.Г., Голышев А.А., Никулина А.А. Влияние режимов лазерной наплавки на геометрические размеры стального трека......................................................................................................................... 57 Карлина Ю.И., Кононенко Р.В., Попов М.А., Дерюгин Ф.Ф., Бянкин В.Е. Оценка сварочно-технологических свойств электродных покрытий основного типа различных производителей электродов для сварки трубных деталей и сборочных единиц поверхностей теплообмена котлоагрегатов.................................................................... 71 Янпольский В.В., Иванова М.В., Насонова А.А., Янюшкин А.С. Определение скорости электрохимического растворения стали У10А в условиях ЭХРО с неподвижным катодом-инструментом................................................. 95 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е. Изучение отображения вибрационных возмущений в геометрии формируемой резанием поверхности при точении................................................................................................................ 107 Гасанов Б.Г., Конько Н.А., Баев С.С. Исследование кинетики формообразования деталей сферического подшипника скольжения из коррозионно-стойких сталей, полученных объемной штамповкой пористых заготовок............................................................................................................................................................................... 127 Гвинджилия В.Е., Фоминов Е.В., Моисеев Д.В., Гамалеева Е.И. Влияние динамических характеристик процесса резания на шероховатость поверхности детали при токарной обработке..................................................... 143 Лобанов Д.В., Скиба В.Ю., Голюшов И.С., Смирнов В.М., Зверев Е.А. Моделирование конструкций сборного абразивного инструмента................................................................................................................................................... 158 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Ерошенко А.Ю., Легостаева Е.В., Глухов И.А., Уваркин П.В., Толмачев А.И., Шаркеев Ю.П. Термическая стабильность микроструктуры сплава Mg-Y-Nd в экструдированном состоянии................................................... 174 Базалеева К.О., Сафарова Д.Э., Понкратова Ю.Ю., Луговой М.Е., Цветкова Е.В., Алексеев А.В., Железный М.В., Логачев И.А., Басков Ф.А. Влияние технологических параметров процесса прямого лазерного выращивания на качество формируемого объекта из титанового сплава ВТ23............................................................ 186 Ефимович И.А., Золотухин И.С. Температуры окисления инструментальных вольфрамокобальтовых твердых сплавов.................................................................................................................................................................................. 199 Прибытков Г.А., Барановский А.В., Фирсина И.А., Акимов К.О., Кривопалов В.П. Исследование железоматричных композитов с карбидным упрочнением, полученных спеканием механоактивированных смесей титанидов железа с углеродом........................................................................................................................................... 212 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 224 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 235 Корректор Е.Е. Татарникова 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 03.06.2024. Выход в свет 14.06.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 29,5. Уч.-изд. л. 54,87. Изд. № 73. Заказ 135. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 2 2024 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.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 2 2024 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 Aff airs, 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. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; 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, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 2 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Gaikwad V., Chinchanikar S. Investigations on ultrasonic vibration-assisted friction stir welded AA7075 joints: Mechanical properties and fracture analysis........................................................................................................................ 6 Sirota V.V., Zaitsev S.V., Limarenko M.V., Prokhorenkov D.S., Lebedev M.S., Churikov A.S., Dan'shin A.L. Preparation of coatings with high infrared emissivity.......................................................................................................... 23 Babaev A.S., Kozlov V.N., Semenov A.R., Shevchuk A.S., Ovcharenko V.A., Sudarev E.A. Investigation of cutting forces and machinability during milling of corrosion-resistant powder steel produced by laser metal deposition............. 38 Dolgova S.V., Malikov A.G., Golyshev A.A., Nikulina A.A. The eff ect of laser surfacing modes on the geometrical characteristics of the single laser tracks............................................................................................................................... 57 Karlina Y.I., Kononenko R.V., Popov M.A., Deryugin F.F., Byankin V.E. Assessment of welding engineering properties of basic type electrode coatings of diff erent electrode manufacturers for welding of pipe parts and assemblies of heat exchange surfaces of boiler units............................................................................................................................. 71 Yanpolskiy V.V., Ivanova M.V., Nasonova A.A., Yanyushkin A.S. Determination of the rate of electrochemical dissolution of U10A steel under ECM conditions with a stationary cathode-tool............................................................... 95 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E. The study of vibration disturbance mapping in the geometry of the surface formed by turning............................................................................................................................................................................. 107 Gasanov B.G., Konko N.A., Baev S.S. Study of the kinetics of forming of spherical sliding bearing parts made of corrosion-resistant steels by die forging of porous blanks............................................................................................... 127 Gvindjiliya V.E., Fominov E.V., Moiseev D.V., Gamaleeva E.I. Infl uence of dynamic characteristics of the turning process on the workpiece surface roughness........................................................................................................................ 143 Lobanov D.V., Skeeba V.Yu., Golyushov I.S., Smirnov V.M., Zverev E.A. Design simulation of modular abrasive tool........................................................................................................................................................................................ 158 MATERIAL SCIENCE EroshenkoA.Yu., Legostaeva E.V., Glukhov I.A., Uvarkin P.V., TolmachevA.I., Sharkeev Yu.P. Thermal stability of extruded Mg-Y-Nd alloy structure.................................................................................................................................. 174 Bazaleeva K.O., Safarova D.E., Ponkratova Yu.Yu., Lugovoi M.E., Tsvetkova E.V., Alekseev A.V., Zhelezni M.V., Logachev I.A., Baskov F.A. The infl uence of technological parameters of the laser engineered net shaping process on the quality of the formed object from titanium alloy VT23......................................................... 186 Efi movich I.A., Zolotukhin I.S. Oxidation temperatures of WC-Co cemented tungsten carbides....................................... 199 Pribytkov G.A., Baranovskiy A.V., Firsina I.A., Akimov K.O., Krivopalov V.P. Study of Fe-matrix composites with carbide strengthening, formed by sintering of iron titanides and carbon mechanically activated mixtures................ 212 EDITORIALMATERIALS 224 FOUNDERS MATERIALS 235 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 2 2024 143 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Влияние динамических характеристик процесса резания на шероховатость поверхности детали при токарной обработке Валерия Гвинджилия a, *, Евгений Фоминов b, Денис Моисеев с, Екатерина Гамалеева d Донской государственный технический университет, пл. Гагарина, 1, г. Ростов-на-Дону, 344000, Россия a https://orcid.org/0000-0003-1066-4604, vvgvindjiliya@donstu.ru; b https://orcid.org/0000-0002-0165-7536, fominoff 83@mail.ru; с https://orcid.org/0000-0002-7186-7758, denisey2003@mail.ru; d https://orcid.org/0000-0001-5829-4695, belan_kate80@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 2 с. 143–157 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-143-157 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.9.06 История статьи: Поступила: 18 декабря 2023 Рецензирование: 22 февраля 2024 Принята к печати: 15 апреля 2024 Доступно онлайн: 15 июня 2024 Ключевые слова: Динамика процесса резания Вибрации Имитационная модель Шероховатость поверхности Финансирование Исследование выполнено при поддержке гранта в рамках конкурса «Наука-2030». АННОТАЦИЯ Введение. В основе формирования поверхности детали при ее обработке на металлорежущем станке лежат правильно подобранные режимы резания. Комплексные методики обеспечения заданного качества поверхности детали также учитывают геометрию инструмента, его состояние и включают в себя поправки на отклонение инструмента от траектории, заданной системой ЧПУ, под влиянием кинематических возмущений и биений шпинделя. Предмет. В статье анализируется связь между режимами резания, динамическими характеристиками процесса точения и их отображением в шероховатость поверхности. Цель работы: оценить влияние технологических режимов резания с учетом вибрационной активности инструмента на шероховатость обработанной поверхности с помощью имитационного моделирования. Метод и методология. Приводится математическое моделирование динамики процесса резания, на основе которого строится цифровая имитационная модель. Предлагается методика использования имитационной модели для определения оптимальных режимов резания и предсказания шероховатости поверхности с учетом вибраций инструмента. С помощью экспериментов и анализа частотных характеристик вибраций инструмента проводится валидация созданной модели, уточняются параметры подсистемы модели сил резания и динамической подсистемы инструмента, а также строятся геометрические топологии поверхности детали. Вычисленные силы резания сравниваются с экспериментальными силами, при этом наблюдаются схожие закономерности и уровни характеристик. Предлагается оценка оптимальности подобранных режимов резания на основе анализа спектра колебаний инструмента относительно заготовки и результатов симуляции цифровой модели. Результаты и обсуждение. Приводится сравнение результатов цифрового моделирования геометрической поверхности детали и реальной поверхности, полученной в ходе натурного эксперимента. Показано, что шероховатость реальной поверхности, полученной при обработке с постоянными режимами резания, варьируется относительно шероховатости поверхности имитационной модели в пределах не более 0,066 мкм. Для цитирования: Влияние динамических характеристик процесса резания на шероховатость поверхности детали при токарной обработке / В.Е. Гвинджилия, Е.В. Фоминов, Д.В. Моисеев, Е.И. Гамалеева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 2. – С. 143–157. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-143-157. ______ *Адрес для переписки Гвинджилия Валерия Енвериевна, к.т.н., старший преподаватель Донской государственный технический университет, пл. Гагарина, 1, 344000, г. Ростов-на-Дону, Россия Тел.: +7 918 583-23-33, e-mail: vvgvindjiliya@donstu.ru Введение Вопросы формирования требуемого геометрического профиля поверхности детали в совокупности ее микрорельефа, отклонений от линейных размеров и волнистости особенно актуальны для машиностроительной и авиакосмической отраслей. В основе решений указанной проблемы лежит прямая обработка экспериментальных данных, следствием которых являются эмпирические зависимости [1]. Они определили три основных фактора, влияющих на формирование поверхности детали при механической обработке: начальное состояние поверхности, геометрию режущего инструмента, возмущения в виде биений шпиндельной группы и кинематических возмущений со стороны приводной группы [1–4]. Следующим шагом в совершенствовании методов анализа и прогнозирования геометрического профиля поверхности детали стало технологическое обеспечение параметров состояния ее поверхностного слоя [5–10]. Однако траектории движения инструмента определяются не только технологическими режимами
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 2 2024 144 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ резания, но и деформационными смещениями инструмента относительно заготовки, а также вибрациями, источником которых являются, например, колебания, вызванные регенеративным эффектом [11–15]. Комплексные методики решения проблемы обеспечения заданного качества поверхности детали и его прогнозирования рассмотрены во многих эмпирических и аналитических исследованиях. Предпринимаются попытки анализа и прогнозирования шероховатости поверхности на основе регрессионных моделей и методологии поверхностного отклика (RSM) [16–18]. Большое количество современных исследований направлено на прогнозирование шероховатости поверхности с помощью искусственных интеллектуальных систем и имитационных моделей [19–23]. В работах [21–23] Y. Altintas и др. рассматривают создание имитационных моделей динамики процесса резания, в основе которых лежит аналитическое представление взаимовлияния параметров резания на динамику обработки и экспериментальная идентификация коэффициентов динамических сил резания в выведенных закономерностях. В отечественных исследованиях рассматривается нейросетевая модель кинематики режущего инструмента, позволяющая рассчитывать оптимальную скорость резания по критерию минимизации интенсивности изнашивания инструмента [24]. Комплексное моделирование процесса фрезерования с оценкой траектории формообразующих движений инструмента представлено в работе [25]. Показывается аналитическая зависимость шероховатости поверхности от упругих деформационных смещений инструмента относительно заготовки [26]. В работе [27] предлагается методика построения геометрической топологии поверхности детали для оценки влияния деформационных смещений инструмента на геометрический профиль детали на основе стробоскопического отображения Пуанкаре. Учет зависимости параметров динамической связи от вибраций в математическом описании динамики процесса резания является необходимым условием для моделирования и прогнозирования выходных характеристик обработки детали [28–31], так как вследствие вибраций будет наблюдаться реальное изменение траектории формообразующих движений инструмента относительно заготовки. Анализ исследований показал актуальность создания различных методов оценки и прогнозирования шероховатости поверхности детали при механообработке, а также внимание российских и зарубежных ученых к этим вопросам. В настоящей статье предлагается рассмотреть аналитическую зависимость сил резания от технологических режимов с учетом возмущающих воздействий и деформационных смещений инструмента. Геометрическая топология поверхности детали рассматривается как точечное отображение вершины инструмента в пространстве относительно заготовки с учетом вибраций и деформационных смещений. Цель работы: оценить влияние свойств динамических характеристик процесса резания на геометрию поверхности детали с помощью имитационного моделирования динамики процесса резания. Методика исследований Определение формообразующей траектории движения инструмента Рассмотрим динамическую систему продольного точения недеформируемой заготовки. Модель системы представляется в виде пространственной конечномерной модели движения вершины инструмента, взаимодействующего с заготовкой. Взаимодействие описывается силами резания, являющимися функциями деформационных смещений инструмента (3) 1 2 3 { , , } T X X X = ∈ ℜ X , а также технологических режимов резания (рис. 1, а). Таким образом, с учетом ( ) Õ Ó F в модели системы формируется обратная связь между динамикой процесса резания и подсистемой инструмента, которая может как оказывать эффект стабилизации процесса резания, так и приводить к потере устойчивости: + + = 2 2 d X dX m h cX dt dt ( ) (0) (0) (0) , , , , P P P X t S V = FΣ (1) где m ( / ) êãñ ìì , h ( / ) êãñ ìì и c ( / ) êã ìì – симметричные, диагональные, положительно определенные матрицы инерционности, диссипации и жесткости размерностью [3×3];
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 2 2024 145 EQUIPMENT. INSTRUMENTS (3) 1 2 3 { , , } T X X X = ∈ ℜ X – вектор упругих деформационных смещений инструмента относительно несущей системы станка в пространстве (3) ℜ , координаты состояния системы; ( ) (0) (0) (0) , , , PÐ P F X t S V Σ – суммарные силы резания, действующие в пространстве на режущий инструмент (0) 1 2 3 { , , } T F = χ χ χ Ó F , где i χ – коэффициенты ориентации сил резания в пространстве, удовлетворяющие условиям нормировки; (0) (0) (0) , , P P P t S V – номинальные технологические режимы резания, заданные системой управления станка с ЧПУ (глубина резания, подача и скорость резания соответственно). Следуя работам [27, 30], пространственные формообразующие движения инструмента { } 1 2 3 ( ) = , , T t Φ Φ Φ Φ определяются как совокупность движений, заданных системой управления станка U(t), т. е. технологическими режимами (0) (0) (0) , , P P P t S V , и движениями R(t), обусловленными упруго-деформационными свойствами подсистемы инструмента, а также возмущающими воздействиями, т. е. отклонениями от заданной управлением траектории резца: ( ) = ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) t t t t t t Φ + = − + Δ X x U R U , (2) а б Рис. 1. Ориентация осей деформаций и сил резания: а – схема осей деформаций в плоскости X1–X2; б – схема осей сил и отклонений движения инструмента в плоскости X1–X3 Fig. 1. Orientation of the deformation axes and cutting forces: a – diagram of deformation axes in the plane X1–X2; б – diagram of force axes and deviations of tool movement in the plane X1–X3 где 1 2 3 ( ) { , , } t x x x Δ = Δ Δ Δ x , i 1 ( ) sin ( ) n k k k t t = Δ = Α ω ∑ x – колебания инструмента в зоне резания; , k k Α ω – параметры частотных составляющих в сигнале вибраций инструмента, рассматриваемые в виде гармонических функций с неизменной ориентацией вдоль осей 1 2 3 , , X X X с набором частотных составляющих k ω , Гц, и соответствующих им амплитуд k A , 1, 2, 3... k = С учетом R(t) уравнение (1) преобразуется в вид ( , , , ) P P P X t S V Σ + + = 2 2 d X dX m h cX F dt dt , (3) где (0) 1 1 ( ) ( ) sin ( ) n p p i i i t t t X t t = = − + Α ω ∑ , мм; 1 ( ) cos ( ) n p i i i i S t t t = = Α ω ω + ∑ ( ) (0) 2 2 / t t T V dX dt dt − + − ∫ , мм/об; 1 T − = Ω – время оборота детали, с; (0) 3 3 1 ( ) / cos ( ) n ð i i i i V t V dX dt t t = = − + Α ω ⋅ ω ∑ , м/с.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 2 2024 146 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ В уравнении (3) представлена модель возмущенной динамической системы. Технологические режимы зависят от деформационных смещений инструмента и вынужденных колебаний. Силы резания, формирующие связь между подсистемами инструмента и заготовки, представляются в виде (0) (0) (0) / T dF dt F + = ( ) 1 exp ( ) ( ) ( ), ð P p V t t t S t = ρ +μ ⎡−ς ⎤ ⎣ ⎦ (4) где ρ – давление стружки на переднюю грань инструмента, 2 êã/ìì ; μ– безразмерный параметр; ς – коэффициент крутизны нелинейного изменения сил от ( ) ð V t , c − ⋅ 1 ì ; (0) T – постоянная времени стружкообразования, учитывающая переходные процессы в зоне резания, с. Система уравнений (3), (4) аналитически задает связь между силами, деформациями, вибрационным возмущением и параметрами управления динамической системы резания. Рассмотрим идеальный случай продольного точения детали, т. е. при отсутствии деформационных смещений инструмента и возмущающих колебаний R(t) = 0. Тогда траектория формообразующих движений инструмента Ф(t) в каждый момент времени i τ определяется лишь значениями параметров технологических режимов резания и образует совокупность отрезков пути инструмента относительно детали за каждый ее оборот ( ) 1 i n U i L V iT = Σ = = ∑ , где ( ) U L – это путь инструмента относительно детали при постоянных значениях скорости резания, глубины и подачи. В этом случае следы от вершины инструмента на поверхности детали будут образовывать эталонную геометрическую топологию ее поверхности ( ) (0) U L ⊂ ℜ (рис. 1, а). Однако с учетом вибраций и деформаций путь инструмента будет отличаться от заданного программой управления станка, и геометрическая топология поверхности детали будет определяться характеристиками и свойствами процесса резания ( ) ( ) D L ⊂ ℜ Ô (рис. 2). Согласно уравнению (2) ( ) LÔ является точечным отображением траектории движения инструмента относительно детали в каждом направлении его подвижности и представима в виде { } ( ) ( ) ( ) ) ( ) 1 2 3 , , T D L L L = ∈ ℜ ( L Ô Ô Ô Ô . Функция учитывает высотные ( ) 1 L Ô и шаговые ( ) 2 , L Ô ( ) 3 L Ô неровности, оставляемые инструментом в процессе резания, т. е. отклонения геометрической поверхности инструмента от ее эталонного вида ( ) (0) LU ⊂ ℜ . Тогда уравнения (2–4) являются базовой математической моделью для имитационного моделирования динамики процесса резания, оценки неровностей и волнистости полученной поверхности. Благодаря полученным моделям становится возможным всестороннее исследование динамики процесса резания с учетом различных вынужденных колебаний инструмента относительно заготовки и предсказания выходных характеристик процесса резания при изменении технологических режимов. Базовая модель будет справедлива в случае малых отклонений траектории движения исполнительных элементов станка от точки равноРис. 2. Пример формирования формообразующей траектории движения инструмента L(Φ) с учетом вибраций инструмента и соответствующей ей геометрической топологии поверхности детали (D) Fig. 2. Example of the tool trajectories of the forming motions L(Φ) taking into account tool vibrations and the corresponding geometrical topology of the workpiece surface (D)
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 2 2024 147 EQUIPMENT. INSTRUMENTS весия в системе. Для практиков адекватность имитационного моделирования соответствует обработке заготовки в период нормального износа инструмента или квазипостоянной скорости размерного износа. Имитационное моделирование динамики процесса резания осуществляется в несколько этапов. На первом этапе необходимо выяснить параметры вибрационных характеристик станка со стороны шпинделя и приводной подсистемы инструмента, так как они оказывают влияние на след, оставленный инструментом на поверхности заготовки. Наиболее информативными будут данные вибрационных характеристик, снятых в процессе резания, так как распределение потерь энергии вибраций зависит от материалов пары «резец – заготовка». Снятие вибрационных данных возможно при первой технологической операции в процессе обработки детали, в результате которой устраняются вариации геометрической формы заготовки и физико-механические свойства поверхностного слоя материала, возникающие в процессе заготовительных операций. Обработка данных основывается на методах спектрального анализа. В модель вибрационных возмущений также необходимо добавить источник случайной шумовой составляющей, всегда существующей в реальных технических системах, – например, генерируемой процессами стружкообразования. На втором этапе проводится цифровое моделирование динамики процесса резания с реальными данными о вибрационных характеристиках процесса для пары материалов при различных режимах резания. В результате моделирования на основе анализа силовых характеристик выбираются режимы, обеспечивающие наиболее высокую производительность точения из условия минимизации составляющих сил резания (0) (0) (0) 2 3 1 , , F F F . На третьем этапе происходит построение геометрической топологии поверхности детали на основе вычисленного сигнала деформационных смещений инструмента, а также вычисляются оценки качества поверхности – например, по параметру шероховатости a R . Итоговым результатом имитационного моделирования становятся режимы резания, обеспечивающие наиболее высокую производительность точения и требуемое качество обработанной поверхности. Моделирование динамики процесса резания и ее отображение в геометрической топологии поверхности детали В качестве примера для симуляции будет рассмотрено продольное точение детали диаметром 114 D = ìì из нержавеющей стали 10ГН2МФА твёрдосплавными пластинами Т15К6 с покрытием. На первом этапе для уточнения частотных составляющих вибраций инструмента экспериментально снимались вибрационные последовательности в направлениях 1 2 3 , , X X X с помощью виброакслерометров, установленных на инструменте, и затем строились их спектральные характеристики (рис. 3). а б в Рис. 3. Спектры мощностей последовательностей виброускорений в относительных единицах к дисперсии по направлениям: а – X1; б – X2; в – X3 для режимов / (0) 0,15 p S = ìì îá, 0, 5 (0) p t = ìì, / (0) 3 190 V = ì ìèí Fig. 3. Power spectra of vibration acceleration sequences in relative units to dispersion along the directions: а – X1; б – X2; в – X3 for modes mm / rev (0) 0.15 p S = , mm (0) 0.5 p t = , m / min (0) 3 190 V =
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1