Взаимосвязь температуры и силы резания с износом и вибрациями инструмента при токарной обработке металлов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Процессы, протекающие в станке при резании металлов, взаимосвязаны друг с другом. В процессе резания сложная динамика обработки включает в себя как быстроизменяющиеся факторы, так и факторы, носящие более эволюционный (медленный) характер. Под такими факторами подразумеваем: изменения стационарных составляющих сил резания, температуры в зоне обработки и износ инструмента. На сегодня единой и непротиворечивой математической модели, описывающей такую взаимосвязь, не существует. Поэтому в статье предложен подход, основанный на обработке экспериментальных данных, полученных в серии экспериментов, позволяющий выявить структуру обратных связей, формируемых при резании и связывающих между собой подсистемы, описывающие силовую, тепловую и вибрационную реакцию со стороны процесса резания на формообразующие движения инструмента. Цель работы. За счет формирования непротиворечивой модели связи между подсистемами, описывающими силовую, тепловую и вибрационную реакцию со стороны процесса резания на формообразующие движения инструмента, получить описание механизма самоорганизации процесса резания в процессе эволюционных изменений инструмента. Такой механизм нужен для поиска некоторого режима функционирования системы резания, при котором может стабилизироваться дальнейший износ режущего клина, сила резания, температура в зоне резания и вибрации инструмента. В работе исследован процесс обработки металлов резание на токарном станке для случая продольного точения изделия. Методы исследования. Исследования состоят из серии натурных экспериментов на реальном оборудовании с использованием современного измерительного стенда STD.201-1, позволяющего одновременно измерять силовую, температурную и вибрационную составляющие реакции со стороны процесса резания на формообразующие движения инструмента. Для обработки и анализа полученных экспериментальных данных использовался пакет математических программ Matlab, в котором была разработаны подпрограмма, позволяющая провести спектральный анализ вибрационных сигналов, а также графическую интерпретацию измеренных величин. Результаты и обсуждение. Приведены результаты обработки экспериментальных данных, в частности, спектры вибрационных сигналов, получены зависимости сил и температуры от износа инструмента, а также выявлено влияние износа на вибрационную динамику процесса резания. Проведена оценка влияния энергии вибраций инструмента на температурное поле в зоне резания. Основным выводом по работе является выдвинутое нами положение о самоорганизации системы резания через процесс эволюции инструмента, выражающийся в износе режущего клина, целью которого служит формирование некоторого квазистационарного режима резания.

Об авторах

В. П. Лапшин

Email: Lapshin1917@yandex.ru
канд. техн. наук, доцент, Донской государственный технический университет, пл. Гагарина, 1, г. Ростов-на-Дону, 344000, Россия, Lapshin1917@yandex.ru

В. В. Христофорова

Email: Nikaapp@rambler.ru
канд. техн. наук, Донской государственный технический университет, пл. Гагарина, 1, г. Ростов-на-Дону, 344000, Россия, Nikaapp@rambler.ru

С. В. Носачев

Email: nosachev-s@yandex.ru
канд. техн. наук, Донской государственный технический университет, пл. Гагарина, 1, г. Ростов-на-Дону, 344000, Россия, nosachev-s@yandex.ru

Список литературы

  1. Tool wear detection and fault diagnosis based on cutting force monitoring / S.N. Huang, K.K. Tan, Y.S. Wong, C.W. De Silva, H.L. Goh, W.W. Tan // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2007. – Vol. 47, iss. 3–4. – P. 444–451. – doi: 10.1016/j.ijmachtools.2006.06.011.
  2. Tool condition monitoring in turning using statistical parameters of vibration signal / H. Arslan, A.O. Er, S. Orhan, E. Aslan // International journal of acoustics and vibration. – 2016. – Vol. 21, N 4. – P. 371–378. – doi: 10.20855/ijav.2016.21.4432.
  3. Alonso F.J., Salgado D.R. Application of singular spectrum analysis to tool wear detection using sound signals // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. – 2005. – Vol. 219, iss. 9. – P. 703–710. – doi: 10.1243/095440505X32634.
  4. Dimla Sr D.E., Lister P.M. On-line metal cutting tool condition monitoring. I: Force and vibration analyses // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2000. – Vol. 40, iss. 5. – P. 739–768. – doi: 10.1016/S0890-6955(99)00084-X.
  5. Tool wear evaluation by vibration analysis during end milling of AISI D3 cold work tool steel with 35 HRC hardness / S. Orhan, A.O. Er, N. Camuscu, E. Aslan // NDT & E International. – 2007. – Vol. 40, iss. 2. – P. 121–126. – doi: 10.1016/j.ndteint.2006.09.006.
  6. Tobias S.A. Vibraciones en máquinas-herramientas. – Bilboa: Ediciones Urmo, 1961.
  7. Namachchivaya S., Beddini. Spindle speed variation for the suppression of regenerative chatter // Journal of Nonlinear Science. – 2003. – Vol. 13. – P. 265–288. – doi: 10.1007/s00332-003-0518-4.
  8. Wahi P., Chatterjee A. Regenerative tool chatter near a codimension 2 Hopf point using multiple scales // Nonlinear Dynamics. – 2005. – Vol. 40, iss. 4. – P. 323–338.
  9. Stépán G., Insperger T., Szalai R. Delay, parametric excitation, and the nonlinear dynamics of cutting processes // International Journal of Bifurcation and Chaos. – 2005. – Vol. 15, N 09. – P. 2783–2798. – doi: 10.1142/S0218127405013642.
  10. Nonlinear behaviour of the regenerative chatter in turning process with a worn tool: forced oscillation and stability analysis / H. Moradi, F. Bakhtiari-Nejad, M.R. Movahhedy, M.T. Ahmadian // Mechanism and Machine Theory. – 2010. – Vol. 45, iss. 8. – P. 1050–1066. – doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2010.03.014.
  11. Nonlinear dynamics of a machining system with two interdependent delays / A.M. Gouskov, S.A. Voronov, H. Paris, S.A. Batzer // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. – 2002. – Vol. 7, N 4. – P. 207–221. – doi: 10.1016/S1007-5704(02)00014-X.
  12. Hahn R.S. On the theory of regenerative chatter in precision grinding operation // Transactions of American Society of Mechanical Engineers. – 1954. – Vol. 76. – P. 356–260.
  13. Tobias S.A., Fishwick W. Theory of regenerative machine tool chatter // The Engineer. – 1958. – Vol. 205, N 7. – P. 199–203.
  14. Merritt H.E. Theory of self-excited machine-tool chatter: contribution to machine-tool chatter research – 1 // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 1965. – Vol. 87, iss. 4. – P. 447–454. – doi: 10.1115/1.3670861.
  15. Grabec I. Chaos generated by the cutting process // Physics Letter A. – 1986. – Vol. 117, iss. 8. – P. 384–386. – doi: 10.1016/0375-9601(86)90003-4.
  16. Balachandran B. Nonlinear dynamics of milling process // Philosophical Transactions of The Royal Society A: Mathematical Physical and Engineering Sciences. – 2001. – Vol. 359 (1781). – P. 793–819. – doi: 10.1098/rsta.2000.0755.
  17. Stepan G. Modelling nonlinear regenerative e?ects in metal cutting // Philosophical Transactions of The Royal Society A: Mathematical Physical and Engineering Sciences. – 2001. – Vol. 359 (1781). – P. 739–757. – doi: 10.1098/rsta.2000.0753.
  18. Litak G. Chaotic vibrations in a regenerative cutting process // Chaos Solitons & Fractals. – 2002. – Vol. 13, iss. 7. – P. 1531–1535. – doi: 10.1016/S0960-0779(01)00176-X.
  19. Гуськов А.М., Воронов С.А., Квашнин А.С. Влияние крутильных колебаний на процесс вибросверления // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. – 2007. – № 1 (66). – C. 3–19.
  20. Васин С.А., Васин Л.А. Синергетический подход к описанию природы возникновения и развития автоколебаний при точении // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2012. – № 1. – С. 11–16.
  21. Воронин А.А. Влияние ультразвуковых колебаний на процесс резания жаропрочных сплавов // Станки и инструмент. – 1960. – № 11. – С. 15–18.
  22. Zakovorotny V.L., Lapshin V.P., Babenko T.S. Assessing the regenerative effect impact on the dynamics of deformation movements of the tool during turning // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 206. – P. 68–73. – doi: 10.1016/j.proeng.2017.10.439.
  23. Bifurcation of stationary manifolds formed in the neighborhood of the equilibrium in a dynamic system of cutting / V.L. Zakovorotny, A.D. Lukyanov, A.A. Gubanova, V.V. Khristoforova // Journal of Sound and Vibration. – 2016. – Vol. 368. – P. 174–190. – DOI: 10.1016/j. jsv.2016.01.020.
  24. Zakovorotny V., Lapshin V., Gvindjiliya V. Tool wear due to deformation displacements during metal turning // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2188, N 1. – P. 030002. – doi: 10.1063/1.5138395.
  25. Zakovorotny V.L., Lapshin V.P., Babenko T.S. Modeling of tool wear: irreversible energy transformations // Russian Engineering Research. – 2018. – Vol. 38, N 9. – P. 707–708. – doi: 10.3103/S1068798X18090290.
  26. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. – Л.: Машиностроение, 1986. – 184 с.
  27. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. – М.: Машиностроение, 1968. – 367 с.
  28. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. – М.: Машиностроение, 1976. – 278 с.
  29. Заковоротный В.Л., Флек М.Б. Динамика процесса резания. Синергетический подход. – Ростов н/Д.: Терра, 2006. – 880 c. – ISBN 5-98254-055-2.
  30. Рыжкин А.А. Синергетика изнашивания инструментальных режущих материалов (трибоэлектрический аспект). – Ростов н/Д.: Изд. центр ДГТУ, 2004. – 323 с. – ISBN 5-7890-0307-9.
  31. Influence of the temperature in the tool-workpiece contact zone on the deformational dynamics in turning / V.P. Lapshin, I.A. Turkin, V.V. Khristoforova, T.S. Babenko // Russian Engineering Research. – 2020. – Vol. 40, iss. 3. – P. 259–265. – doi: 10.3103/S1068798X20030156.
  32. Lapshin V.P., Babenko T.S., Moiseev D.V. Experimental evaluation of influence of tool wear on quality of turning // Proceedings of the 4th International Conference on Industrial Engineering ICIE 2018. – Cham: Springer, 2018. – P. 853–859. – doi: 10.1007/978-3-319-95630-5_89.
  33.  
  34. Lapshin V., Moiseev D., Minakov V. Diagnosing cutting tool wear after change of cutting forces during turning // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2188, iss. 1. – P. 030001. – doi: 10.1063/1.5138394.
  35. Лапшин В.П. Модифицированный оператор Вольтерра как способ моделирования температуры при металлообработке // Тепловые процессы в технике. – 2019. – Т. 11, № 11. – С. 505–513.
  36. Бордачев Е.В., Лапшин В.П. Математическое моделирование температуры в зоне контакта инструмента и изделия при токарной обработке металлов // Вестник Донского государственного технического университета. – 2019. – Т. 19, № 2. – С. 130–137. – doi: 10.23047/1992-5980-2019-19-2-130-137.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».