ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 621.941.01
DOI: 10.18503/1995-2732-2024-22-1-61-75
Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы). Токарная обработка является одним из основных методов обработки тел вращения. Вибрации во время точения могут серьёзно нарушить целостность поверхности, а вместе с тем наравне с такими параметрами процесса, как состояние режущей кромки обрабатывающего инструмента, скорость процесса обработки, подача, глубина резания, формируют морфологию поверхности и, главным образом, шероховатость и волнистость поверхности. Для определения и прогнозирования параметра волнистости необходимо знать такой параметр вибраций, как амплитуда автоколебаний. Амплитуда автоколебаний является составляющим параметром уравнения стойкости режущего инструмента и может быть получена путём решения дифференциального уравнения. Однако для решения этого уравнения необходимы значительные вычислительные ресурсы. В этой связи эффективным является разработка и использование аналитических подходов для решения дифференциального уравнения. Цель работы. Разработать аналитический подход для определения величины автоколебаний на основе уравнения коэффициента изменения стойкости резца при чистовом точении. Используемые методы. Получены некоторые уравнения для амплитуды колебаний в зависимости от скорости резания, частоты колебаний и показателя относительной стойкости резца, а также определены и описаны их решения относительно амплитуды в виде корней полиномов. Новизна. В работе предложен подход для определения волнистости поверхности путём аналитической оценки амплитуды автоколебаний в зависимости от режимов резания. Экспериментальная проверка предложенного подхода производилась на шкивах бесступенчатой трансмиссии. Результат. Предложена математическая зависимость технологического обеспечения качества поверхностного слоя деталей клиноремённой трансмиссии, формируемого в процессе токарной обработки, которая позволяет прогнозировать высотные параметры волнистости в зависимости от изменения частоты вращения шпинделя, подачи и скорости резания. Практическая значимость. Исследование направлено на повышение качества обработки и создание на поверхности детали микропрофиля с регулярной волнистостью, что позволит уменьшить время обработки путем снижения количества технологических операций.
Ключевые слова
коэффициент стойкости, амплитуда, автоколебания, точение, волнистость поверхности, шкив
Для цитирования
Генералова А.А., Никулин А.А., Бычков Д.С. Аналитическое исследование характеристик стойкости инструмента и автоколебаний при токарной обработке шкивов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2024. Т. 22. №1. С. 61-75. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2024-22-1-61-75
1. Дроздов Н.А. К вопросу о вибрациях станка при токарной обработке // Станки и инструмент. 1937. №22. С. 21-25.
2. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. М.; Л.: Изд-во Акад. наук СССР, 1944. 132 с.
3. Соколовский А.П. Жесткость в технологии машиностроения. М.; Л.: Изд. и 1-я тип. Машгиза в Лгр., 1946. 207 с.
4. Gugulothu S., Pasam V.K. Optimizing Multi-Response Parameters in Turning of AISI1040 Steel Using Desirability Approach // International Journal of Mathematical, Engineering and Management Sciences. 2019, vol. 4, no. 4, pp. 905-921. DOI: https://dx.doi.org/10.33889/IJMEMS.2019.4.4-072
5. Generalova A., Zverovshchikov A., Nikulin A. Surface undulation parameters of continuously variable transmission friction during turning // Journal of King Saud University – Engineering Sciences. 2022. https://doi.org/10.1016/j.jksues.2022.06.001.
6. Генералова А.А., Зверовщиков А.Е., Никулин А.А. Влияние автоколебаний в процессе токарной обработки на формирование волнистости шкивов автомобильных вариаторов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2022. №4. С. 108-121. DOI: 10.21685/2072-3059-2022-4-9
7. Лоповок Т.С. Волнистость поверхности и ее измерение. М.: Изд-во стандартов, 1973. 184 с.
8. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. 179 с.
9. Кедров С.С. Колебания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1978. 199 с.
10. Martinova L.I., Grigoryev A.S., Sokolov S.V. Diagnostics and Forecasting of Cutting Tool Wear at CNC Machines // Autom. RemoteControl. 2012, vol. 73, no. 4, pp. 742-749.
11. A Tool Condition Monitoring System Based on Low-Cost Sensors and an IoT Platform for Rapid Deployment / Johanna M.F. et al. // Processes. 2023, vol. 11, no. 3, p. 668. DOI: https://doi.org/10.3390/ pr11030668
12. Displacements Analysis of Self-Excited Vibrations inTurning / Bisu C.D. et al. // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2009, vol. 44, no. 1-2, pp. 1-16.
13. Prediction of Cutting Material Durability by T = f(vc) Dependence for Turning Processes / Jozef Zajac et al. // Processes. 2020, vol. 8, p. 789. DOI: 10.3390/ pr8070789
14. Dynamic characterization of machining systems / Zapciu M. et al. // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2011, no. 57, pp. 73-83. DOI: 10.1007/s00170-011-3277-7
15. Molchanov A., Zaytzev A.N., Alexandrova Yu. P. Identification of the self-oscillating mode in metal-cutting machines in the production of agricultural machinery // VIII International Conference on Advanced Agritechnologies, Environmental Engineering and Sustainable Development. Krasnoyarsk, 2023, vol. 390. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202339006009
16. Altintas Y. Manufacturing Automation: Metal cutting mechanics,machine tool vibrations and CNC design. New York, 2000. 286 p.
17. Synthetic Minority Oversampling Enhanced FEM for Tool Wear Condition Monitoring / Yuqing Zhou et al. // Processes. 2023, vol. 11, no. 6, pp. 1785. DOI: 10.3390/pr11061785
18. Tool Wear Condition Monitoring Based on a Two-layer Angle Kernel Extreme LearningMachine using Sound Sensor for Milling Process / Zhou Y.Q. et al. // Journal of Intelligent Manufacturing. 2022, vol. 33, pp. 247-258.
19. Korendysev G. An approach to modeling self-oscillations during metal machining based on a finite-element model with small amount of computing resources // Vibroengineering PROCEDIA. 2020, vol. 32, pp. 6-12. DOI: 10.21595/vp.2020.21437
20. Prospects for the use of vibration during cutting material / Omelyanov O. // Vibrations in Engineering and Technology. 2021, vol. 1, pp. 10. DOI: 10.37128/ 2306-8744-2021-1-10
21. Yilmaz B., Karabulut Ş., Cüllü A. A review of the chip breaking methods for continuous chips in turning // Journal of Manufacturing Processes. 2020, vol. 49, pp. 50-69. DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.10.026
22. Леонов С.Л., Зиновьев А.Т. Основы создания имитационных технологий прецизионного формообразования. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2006. 198 с.
23. Sokolova I.D., Beckel L.S., Pilipushko A.Y. Mathematical model of changing the combined cutting tool durability // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021, vol. 1047, Iss. 1. DOI: 10.1088/1757-899X/1047/1/012013
24. Vasilkov D., Tarikov I.Y., Nikitin A.V. The Dynamics of Contact Interaction during the Cutting Process // International Journal of Mathematical, Engineering and Management Sciences. 2019, vol. 4, no. 5, pp. 1218-1227. DOI: 10.33889/IJMEMS.2019. 4.5-096
25. Influence of cutting modes on wear resistance of cutters and accuracy of fine boring of steels / Orgiyan A. et al. // Proceedings of Odessa Polytechnic University. 2021, vol. 2, no. 64, pp. 13-21.
26. Taylor F. On the Art of Cutting Metals. Kindle Edition, 2017. 564 p.
27. Резание материалов. Режущий инструмент: учебник для среднего профессионального образования. В 2-х ч. Ч. 2 / С.Н. Григорьев [и др.]; под общ. ред. Н.А. Чемборисова. М.: Издательство Юрайт, 2023. 246 с.
28. Аршинов В.А., Алексеев Г.А. Резание металлов и режущий инструмент: учебник для машиностроит. техникумов. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.
29. Evaluation of tool life and workpiece surface roughness in turning of AISI D6 hardened steel using PCBN tools and minimum quantity of lubricant (MQL) applied at different directions / Bonfá M.C. et al. // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019, vol. 103, pp. 971-984. DOI: 10.1007/s00170-019-03619-z
30. Rashed R. The Development of Arabic Mathematics: Between Arithmetic and Algebra. Boston: Springer Science & Business Media, 1994. 600 p.
31. Riley K.F., Hobson M.P., Bence S.J. Mathematical methods for physics and engineering. New York: Cambridge University Press, 2006. 1363 p.
32. Davis P.J. Leonhard Euler's Integral: A Historical Profile of the Gamma Function // American Mathematical Monthly. 1959, vol. 66, no. 10, pp. 849-869. DOI: 10.2307/2309786
33. Pearson K. Historical note on the origin of the normal curve of errors // Biometrika. 1924, vol. 16, no. 3, pp. 402-404.
34. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 1 / под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 656 с.
35. Fraleigh J.B. A First Course in Abstract Algebra, 7th ed. MA: Addison-Wesley, 2002. 544 p.
36. Mishina A.P. Higher Algebra: Linear Algebra, Polynomials, General Algebra. Oxford: Pergamon Press, 1965. 274 p.
37. Gorroochurn P. Some Laws and Problems of Classical Probability and How Cardano Anticipated Them // Chance. 2012, vol. 25, no. 4, pp. 13-20. DOI: 0.1080/09332480.2012.752279
38. Generalova A.A., Nikulin A.A. Increasing the Vehicle’s Dynamic Performance by Developing a Continuously Variable Transmission // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2019, vol. 14, pp. 6866-6875. DOI: 10.3923/jeasci.2019.6866.6875
39. Zverovshchikov A.E., Generalova A.A., Nikulin A.A. Ensuring the performance characteristics of a friction V-belt variator // Journal of Physics: Conference Series. 2020, vol. 1679. DOI: 10.1088/1742-6596/1679/4/042079
40. Генералова А.А., Зверовщиков А.Е., Никулин А.А. Исследование влияния микропрофиля фрикционных элементов вариатора на коэффициент трения в зоне контакта и коэффициент полезного действия передачи // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2023. №3. С. 154-172. DOI: 10.21685/2072-3059-2023-3-12