Оптимізація значень першої власної частоти шпиндельної системи за допомогою методології поверхні відгуку та аналізу дисперсії

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.320497

Ключові слова:

оптимізація шпинделя, зменшення тріскотіння, стабільність обробки, контроль вібрації, шпиндель токарного верстата

Анотація

Об’єктом цього дослідження є динамічні характеристики шпиндельних систем горизонтального токарного верстата, які стикаються з проблемами, пов’язаними з вібрацією та структурною цілісністю під час високоточної обробки. Зокрема, дослідження спрямоване на покращення динамічних характеристик системи шляхом підвищення її першої власної частоти, щоб мінімізувати тріскотіння і підвищити її здатність витримувати робочі навантаження. Процес оптимізації здійснювався за допомогою методології поверхні відгуку в поєднанні з дисперсійним аналізом, двох методологій, які визнані своєю ефективністю в статистичному аналізі та плануванні експерименту. У конструкцію шпинделя було внесено зміни в два етапи: спочатку було оптимізовано розташування заднього підшипника (розташоване на кінці шпинделя навпроти патрона), а потім налаштовано геометрію валу для покращення власної частоти та стійкості до напруги при збереженні загальної маси системи однаковою. Оптимізована конструкція досягла збільшення першої власної частоти (з 529,47 Гц до 852,52 Гц) і зменшення напруги (з 250 МПа до 48,98 МПа), як підтверджено моделюванням ANSYS V19. Завдяки зсуву значення першої власної частоти зменшується ймовірність виникнення тріскотіння. Це забезпечує більш стабільну продуктивність і кращу точність обробки при більших робочих навантаженнях.

Ці висновки важливі для застосування в прецизійній обробці, де контроль вібрації та цілісність конструкції є критично важливими для продуктивності. Стаття завершується детальним порівнянням між оптимізованою та неоптимізованою моделями, а також оцінкою впливу жорсткості опори на динаміку системи. Чисельні вдосконалення підкреслюють ефективність як методології поверхні відгуку, так і дисперсійного аналізу в оптимізації продуктивності механічної системи

Біографії авторів

Mohammad Alzghoul, University of Miskolc

PhD Student

Department of Machine and Product Design

Sarka Ferenc, University of Miskolc

PhD

Institute of Machine and Product Design

Szabó János Ferenc, University of Miskolc

PhD

Institute of Machine and Product Design

Посилання

  1. Zhu, L., Liu, C. (2020). Recent progress of chatter prediction, detection and suppression in milling. Mechanical Systems and Signal Processing, 143, 106840. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.106840
  2. Qin, X.-B., Wan, M., Zhang, W.-H., Yang, Y. (2023). Chatter suppression with productivity improvement by scheduling a C3 continuous feedrate to match spindle speed variation. Mechanical Systems and Signal Processing, 188. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2022.110021
  3. Yadav, A., Talaviya, D., Bansal, A., Law, M. (2020). Design of Chatter-Resistant Damped Boring Bars Using a Receptance Coupling Approach. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 4 (2), 53. https://doi.org/10.3390/jmmp4020053
  4. de Aguiar, H. C. G., Hassui, A., Suyama, D. I., Magri, A. (2019). Reduction of internal turning surface roughness by using particle damping aided by airflow. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 106 (1-2), 125–131. https://doi.org/10.1007/s00170-019-04566-5
  5. Jauhari, K. (2018). Vibration reduction of spindle-bearing system by design optimization. Wseas Transactions on Applied and Theoretical Mechanics, 13, 85–91. Available at: https://wseas.com/journals/mechanics/2018/a185911-335.pdf
  6. Lv, Y., Li, C., Tang, Y., Chen, X., Zhao, X. (2020). Towards Lightweight Spindle of CNC Lathe Using Structural Optimization Design for Energy Saving. 2020 IEEE 16th International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), 220–225. https://doi.org/10.1109/case48305.2020.9216976
  7. Lin, C.-W. (2014). Optimization of Bearing Locations for Maximizing First Mode Natural Frequency of Motorized Spindle-Bearing Systems Using a Genetic Algorithm. Applied Mathematics, 05 (14), 2137–2152. https://doi.org/10.4236/am.2014.514208
  8. Tong, V.-C., Hwang, J., Shim, J., Oh, J.-S., Hong, S.-W. (2020). Multi-objective Optimization of Machine Tool Spindle-Bearing System. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 21 (10), 1885–1902. https://doi.org/10.1007/s12541-020-00389-7
  9. Guo, M., Jiang, X., Ding, Z., Wu, Z. (2018). A frequency domain dynamic response approach to optimize the dynamic performance of grinding machine spindles. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 98 (9-12), 2737–2745. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2444-5
  10. Wang, C.-C., Zhuo, X.-X., Zhu, Y.-Q. (2020). Optimization Analysis of Vibration for Grinder Spindle. Sensors and Materials, 32 (1), 407. https://doi.org/10.18494/sam.2020.2603
  11. Krol, O., Porkuian, O., Sokolov, V., Tsankov, P. (2019). Vibration Stability of Spindle Nodes in the Zone of Tool Equipment Optimal Parameters. “Prof. Marin Drinov” Publishing House of Bulgarian Academy of Sciences. https://doi.org/10.7546/crabs.2019.11.12
  12. Árpád, Z. (1999). Gépelemek I. Budapest: Nemzeti Tankönyvkiadó.
  13. ST-35L. Available at: https://www.haas.co.uk/lathes/st-35l/
  14. Stone, B. (2014). Chatter and Machine Tools. Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-319-05236-6
  15. Ehrich, F. F. (1992). Handbook of Rotordynamics. McGraw-Hill, 452.
  16. Harris, T. A., Kotzalas, M. N. (2006). Essential Concepts of Bearing Technology. CRC Press. https://doi.org/10.1201/9781420006599
Оптимізація значень першої власної частоти шпиндельної системи за допомогою методології поверхні відгуку та аналізу дисперсії

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-02-05

Як цитувати

Alzghoul, M., Ferenc, S., & Ferenc, S. J. (2025). Оптимізація значень першої власної частоти шпиндельної системи за допомогою методології поверхні відгуку та аналізу дисперсії. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(1 (133), 17–25. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.320497

Номер

Том 1 № 1 (133) (2025): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Виробничо-технологічні системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Mohammad Alzghoul, Sarka Ferenc, Szabó János Ferenc

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.