Вплив вібрацій різального інструмента на якість поверхні обрізаних листових матеріалів та методи їх мінімізації
DOI:
https://doi.org/10.30837/2522-9818.2025.2.188Ключові слова:
вібрації; різальний інструмент; якість поверхні; листові матеріали; знос; мінімізація коливань.Анотація
Предметом дослідження є вплив вібрацій різального інструмента на якість поверхні обрізаних листових матеріалів у процесі механічного оброблення, а також аналіз механізмів виникнення коливань і розроблення методів їх мінімізації для підвищення ефективності технологічних операцій у машинобудуванні. Мета роботи – обґрунтувати наукові підходи до прогнозування ресурсу різального інструмента й оптимізації режимів різання способом зменшення вібраційних навантажень, що дасть змогу підвищити якість обробки поверхні листових матеріалів, знизити виробничі витрати та запобігти дефектам обробки. Завдання: оцінити вібраційні властивості інструмента залежно від режимів різання та ступеня зносу; проаналізувати вплив коливань на шорсткість і дефекти поверхні (хвилястість, мікротріщини); розробити та протестувати методи мінімізації вібрацій, зокрема демпфувальні системи й ультразвукові коливання; визначити оптимальні умови оброблення для різних матеріалів. Методи: експериментальний аналіз із застосуванням акселерометрів для тривісного моніторингу вібрацій; профілометрія та мікроскопія з метою оцінювання якості поверхні; стохастичне моделювання зносу інструмента на основі статистичних показників; тестування демпфувальних систем (пружні муфти, демпфери) та ультразвукових коливань (20–30 кГц); порівняльний аналіз ефективності змащувально-охолоджувальних рідин. Результати дослідження: встановлено, що вібрації по осі мають найбільший вплив на формування дефектів поверхні, особливо внаслідок збільшення глибини різання та зносу інструмента; ультразвукові коливання (22 кГц, амплітуда 10 мкм) знижують тертя та стабілізують процес різання, покращуючи якість оброблених поверхонь; демпфувальні системи ефективно зменшують амплітуду коливань у критичних частотах (до 1,5 кГц); використання води як ЗОР виявилося ефективнішим за мастило для міді, оскільки знижує нерівності поверхні; розроблена вдосконалена модель торцевої фрези з демпфувальними елементами зменшує вібраційні навантаження та дефекти під час оброблення тонколистових матеріалів. Висновки: з досліджень випливає, що моніторинг вібрацій є ефективним інструментом для діагностики стану різального інструмента й оптимізації процесу різання; інтеграція демпфувальних систем і ультразвукових коливань дає змогу значно знизити вібраційні впливи, підвищити якість поверхні листових матеріалів і подовжити ресурс інструмента, що сприяє економічній ефективності виробництва та мінімізації дефектів обробки.
Посилання
Список літератури
Бойко Ю. І., Литвиненко О. А., Яновський В. А. Оцінка впливу режимів різання на вібрацію розточувального різця і точність оброблюваних отворів на верстатах з ЧПК. Технічна інженерія. 2020. № 2(86). С. 34–40. DOI: https://doi.org/10.26642/ten-2020-2(86)-34-40
Tsiakoumis V. I. An investigation into vibration assisted machining: Application to surface grinding processes. Doctoral thesis. Liverpool John Moores University. 2011. URL: https://researchonline.ljmu.ac.uk/id/eprint/6113/1/555817.pdf
Rauf A., Khan M. A., Jaffery S. H. I., Butt S. I. Effects of machining parameters, ultrasonic vibrations and cooling conditions on cutting forces and tool wear in meso scale ultrasonic vibrations assisted end-milling (UVAEM) of Ti-6Al-4V under dry, flooded, MQL and cryogenic environments. A statistical analysis. Journal of Materials Research and Technology. 2024. P. 8287–8303. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.05.202
Томашевський О. О., Балицька Н. О. Процес мікрофрезерування металів і сплавів: аналітичний огляд. Технічна інженерія. 2023. № 2(92). С. 74–88. DOI: https://doi.org/10.26642/ten-2023-2(92)-74-88
Chamble P., Bharath M. R., Lokesha K., Ezhil Singh S. C. Machine tool vibration on dimensional accuracy and surface roughness during milling operation of Al6082 with indexable carbide inserts. Journal of Applied Research and Technology. 2020. 18(2). P. 69–76. DOI: https://doi.org/10.22201/icat.24486736e.2020.18.2.999
Zhang C., Cheung C., Bulla B., Zhao C. An investigation of the high-frequency ultrasonic vibration-assisted cutting of steel optical moulds. Micromachines. 2021. 12(4). 460 р. DOI: https://doi.org/10.3390/mi12040460
Химич Г. М., Кущевський М. О. Вібрація як джерело динамічних навантажень. Вісник Хмельницького національного університету. 2014. № 1 (209). С. 36–40.
Степчин Я. А., Отаманський В. В. Аналіз та вдосконалення алгоритмів модульного принципу створення металорізальних верстатів з ЧПК. Технічна інженерія. 2020. № 1(85). С. 23–29. DOI: https://doi.org/10.26642/ten-2020-1(85)-23-29
Сліпчук А. М. Симуляція процесу power skiving для нарізання внутрішнього зубчастого колеса з моделюванням недеформованої стружки. Інформаційні системи, механіка та керування. 2023. № 57. С. 46–58. DOI: https://doi.org/10.23939/istcipa2023.57.046
Makedon V., Myachin V., Plakhotnik O., Fisunenko N., Mykhailenko O. Construction of a model for evaluating the efficiency of technology transfer process based on a fuzzy logic approach. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2024. No 2(13(128)). P. 47–57. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.300796
Пуховський Є. С. Вплив вібрацій на стійкість багатолезового інструменту. Технічна інженерія. 2022. № 2 (90). С. 44–51. DOI: 10.26642/ten-2022-2(90)-44-51
Kolomy S., Maly M., Sedlak J., Zouhar J., Slany M., Hrabec P., Kouril K. Machinability of extruded H13 tool steel: Effect of cutting parameters on cutting forces, surface roughness, microstructure, and residual stresses. Ain Shams Engineering Journal. 2024. P. 394–407. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aej.2024.05.018
Han G., Ye Z., Xu J., Ma Y. Investigation on cutting forces and tool wear in high-speed milling of Ti-6Al-4V assisted by longitudinal torsional ultrasonic vibrations. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2023. 129(1–2). P. 1–17. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-023-12306-z
Rigas K., Willers B., Eckert S., Glaser B. Investigations on vibrational interpretations of bubbles in metal-making processes. Metallurgical and Materials Transactions. 2023. № 54. P. 2105–2120. DOI: https://doi.org/10.1007/s11663-023-02820-6
Македон В. В., Холод О. Г., Ярмоленко Л. І. Модель оцінки конкурентоспроможності високотехнологічних підприємств на засадах формування ключових компетенцій. Академічний огляд. 2023. № 2 (59). C. 75–89. DOI: 10.32342/2074-5354-2023-2-59-5
Wang S.M., Tsou W.S., Huang J.W., Chen S.E., Wu C.C. Development of a method and a smart system for tool critical life real-time monitoring. Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2024. 8(5). 194 р. https://doi.org/10.3390/jmmp8050194
References
Boiko, Yu. I., Lytvynenko, O. A., Yanovskyi, V. A. (2020), "Evaluation of the influence of cutting regimes on the vibration of the boring tool and the accuracy of machined holes on CNC machines" ["Otsinka vplyvu rezhymiv rizannia na vibratsiiu roztokhuvalnoho rizzia i tochnist obrobliuvanykh otvoriv na verstatakh z ChPK"], Technical Engineering, No. 2(86), P. 34–40. DOI: https://doi.org/10.26642/ten-2020-2(86)-34-40
Tsiakoumis, V. I. (2011), "An investigation into vibration assisted machining: Application to surface grinding processes", Doctoral thesis, Liverpool John Moores University. available at:https://researchonline.ljmu.ac.uk/id/eprint/6113/1/555817.pdf.
Tomashevskyi, O. O., Balytska, N. O. (2023), "Micro-milling process of metals and alloys: analytical review" ["Protses mikrofrezeruvannia metaliv i splaviv: analitychnyi ohliad"], Technical Engineering [Tekhnichna Inzheneriia], No. 2(92), P. 74–88. DOI: https://doi.org/10.26642/ten-2023-2(92)-74-88
Rauf, A., Khan, M. A., Jaffery, S. H. I., Butt, S. I. (2024), "Effects of machining parameters, ultrasonic vibrations and cooling conditions on cutting forces and tool wear in meso scale ultrasonic vibrations assisted end-milling (UVAEM) of Ti-6Al-4V under dry, flooded, MQL and cryogenic environments – A statistical analysis", Journal of Materials Research and Technology. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.05.202
Chamble, P., Bharath, M. R., Lokesha, K., Ezhil Singh, S. C. (2020), "Machine tool vibration on dimensional accuracy and surface roughness during milling operation of Al6082 with indexable carbide inserts", Journal of Applied Research and Technology, Vol. 18, No. 2, P. 69–76. DOI: https://doi.org/10.22201/icat.24486736e.2020.18.2.999
Zhang, C., Cheung, C., Bulla, B., Zhao, C. (2021), "An investigation of the high-frequency ultrasonic vibration-assisted cutting of steel optical moulds", Micromachines, Vol. 12, No. 4, 460 р. DOI:https://doi.org/10.3390/mi12040460
Khimych, H. M., Kushchevskyi, M. O. (2014), "Vibration as a source of dynamic loads" ["Vibratsiia yak dzherelo dynamichnykh navantazhen"], Visnyk Khmelnytskoho natsionalnoho universytetu. [Herald of Khmelnytskyi National University], No. 1(209), P. 36–40.
Stepchyn, Ya. A., Otamanskyi, V. V. (2020), "Analysis and improvement of algorithms of the modular principle for creating CNC machine tools" ["Analiz ta vdoskonalennia alghorytmiv modulnoho pryntsypu stvorennia metalozrizalnykh verstativ z ChPK"], Technical Engineering [Tekhnichna Inzheneriia], No. 1(85), P. 23–29. DOI: https://doi.org/10.26642/ten-2020-1(85)-23-29
Slipchuk, A. M. (2023), "Simulation of the power skiving process for cutting an internal gear with undeformed chip modeling" ["Symuliatsiia protsesu power skiving dlia narizannia vnutrishnoho zubchastoho kolesa z modeliuvanniam nedeformovanoi struzhky"], Information Systems, Mechanics and Control [Informatsiini systemy, mekhanika ta keruvannia], No. 57, P. 46–58. DOI: https://doi.org/10.23939/istcipa2023.57.046
Makedon, V. V., Kholod, O. H., Yarmolenko, L. I. (2023), "Model for assessing the competitiveness of high-tech enterprises based on the formation of key competencies" ["Model otsinky konkurentospromozhnosti vysokotekhnolohichnykh pidpryiemstv na zasadakh formuvannia kliuchovykh kompetentsii"], Academic Review [Akademichnyi ohliad], No. 2(59), P. 75–89. DOI: 10.32342/2074-5354-2023-2-59-5
Pukhovskyi, Ye. S. (2022), "Influence of vibrations on the durability of multi-blade tool" ["Vplyv vibratsii na stiikist bahatolezovoho instrumentu"], Technical Engineering [Tekhnichna Inzheneriia], No. 2(90), P. 44–51. DOI: 10.26642/ten-2022-2(90)-44-51
Kolomy, S., Maly, M., Sedlak, J., Zouhar, J., Slany, M., Hrabec, P., Kouril, K. (2024), "Machinability of extruded H13 tool steel: Effect of cutting parameters on cutting forces, surface roughness, microstructure, and residual stresses", Ain Shams Engineering Journal. P. 394–407. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aej.2024.05.018
Han, G., Ye, Z., Xu, J., Ma, Y. (2023), "Investigation on cutting forces and tool wear in high-speed milling of Ti-6Al-4V assisted by longitudinal torsional ultrasonic vibrations", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 129, No. 1–2, P. 1–17. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-023-12306-z
Rigas, K., Willers, B., Eckert, S., Glaser, B. (2023), "Investigations on vibrational interpretations of bubbles in metal-making processes", Metallurgical and Materials Transactions. Vol. 54, P. 2105–2120. DOI: https://doi.org/10.1007/s11663-023-02820-6
Makedon, V., Myachin, V., Plakhotnik, O., Fisunenko, N., Mykhailenko, O. (2024), "Construction of a model for evaluating the efficiency of technology transfer process based on a fuzzy logic approach", Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, No 2(13(128)), P. 47–57. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.300796
Wang, S.-M., Tsou, W.S., Huang, J.W., Chen, S.-E., & Wu, C.-C. (2024), "Development of a method and a smart system for tool critical life real-time monitoring", Journal of Manufacturing and Materials Processing, Vol. 8, No. 5, 194 р. https://doi.org/10.3390/jmmp8050194
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
Наше видання використовує положення про авторські права Creative Commons для журналів відкритого доступу.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License (CC BY-NC-SA 4.0), котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо не комерційного та не ексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису опублікованої роботи, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
