astАрхитектура, строительство, транспортArchitecture, Construction, Transport2782-232X2713-0770Industrial University of Tyumen10.31660/2782-232X-2024-2-105-113ast-163Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGРазработка математической модели колебательных процессов при токарной обработке материалов с обратным распределением твердостиDevelopment of mathematical model of oscillatory processes at turning of materials with reverse hardness distributionhttps://orcid.org/0000-0002-8775-0781ОвсянниковВ. Е.OvsyannikovV. E.

Овсянников Виктор Евгеньевич, д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры технологии машиностроения

Тюмень

Viktor E. Ovsyannikov, D. Sc. in Engineering, Associate Professor, Professor at the Department of Mechanical Engineering Technology

Tyumen

ovsjannikovve@tyuiu.ruhttps://orcid.org/0009-0002-0057-8550КузнецоваЕ. М.KuznetsovaE. M.

Кузнецова Елена Михайловна, старший преподаватель кафедры автоматизации производственных процессов

Курган

Elena M. Kuznetsova, Senior Lecturer at the Department of Automation of Production Processes

Kurgan

imk@kgsu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7594-6114НекрасовР. Ю.NekrasovR. Yu.

Некрасов Роман Юрьевич, канд. техн. наук, заведующий кафедрой технологии машиностроения

Тюмень

Roman Yu. Nekrasov, Cand. Sc. in Engineering, Head of the Department of Mechanical Engineering Technology

Tyumen

syncler@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0007-4048-0802ТицкаяС. Ю.TitskajaS. Yu.

Тицкая Снежана Юрьевна, ассистент-стажер кафедры технологии машиностроения

Тюмень

Snezhana Yu. Titskaja, Intern-Assistant at the Department of Mechanical Engineering Technology

Tyumen

titskajasj@tyuiu.ruТюменский индустриальный университетРоссияIndustrial University of TyumenRussian FederationКурганский государственный университетРоссияKurgan State UniversityRussian Federation20242806202402105113Copyright © Овсянников В.Е., Кузнецова Е.М., Некрасов Р.Ю., Тицкая С.Ю., 20242024Овсянников В.Е., Кузнецова Е.М., Некрасов Р.Ю., Тицкая С.Ю.Ovsyannikov V.E., Kuznetsova E.M., Nekrasov R.Y., Titskaja S.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ast.tyuiu.ru/jour/article/view/163

Технологическое обеспечение требуемых показателей качества поверхностного слоя деталей тел вращения из металлических материалов при чистовой и финишной механической обработке требует правильного назначения технологических режимов. При чистовой токарной обработке на формирование шероховатости поверхности существенное (а часто и решающее) воздействие оказывают колебательные процессы. Необходимо выбирать такие значения технологических режимов, которые обеспечивают приемлемый уровень вибраций (предварительно данную задачу целесообразно решать на основе моделирования). Разработка математической модели выполнялась на основании определения деформаций токарного резца под воздействием сил резания. Для определения амплитуд колебаний резца использовался интеграл Мора, определение амплитудно-частотных характеристик производилось с использованием интеграла Дюамеля. Определение сил резания осуществлялось с учетом формы и характера стружкообразования, величины технологических режимов и условий обработки. В качестве обрабатываемого материала рассматривался чугун с упроченным посредством диффузионного легирования слоем. Определение исходных данных для построения модели проводилось непосредственно при обработке на токарном станке и с помощью дальнейших измерений параметров стружки. В качестве режущих инструментов использовались стандартные резцы с механическим креплением пластин. Оценка результатов моделирования показала высокую сходимость с результатами экспериментальных исследований: погрешность по амплитуде 8.5 %, по частоте колебаний – 12.3 %; в целом погрешность не превысила 15 %. Таким образом, разработанная модель может быть использована для предварительной оценки вибраций на стадии проектирования технологических операций токарной обработки.

For technological guarantee of the required quality indicators of the surface layer of metallic rotation body parts at finishing machining needs the correct assignment of technological modes. During finishing turning, vibrational processes have a significant (and often decisive) effect on the formation of surface roughness. It is necessary to choose such values of technological modes, which provide an acceptable level of vibration (previously it is advisable to solve this problem by modelling). Mathematical model was carried out based on the determination of the turning tool deformations under the influence of cutting forces. To determine the amplitudes of the cutter oscillations, the Mohr integral was used, and the amplitude-frequency characteristics were determined using the Duhamel integral. Cutting forces were determined taking into account the shape and nature of chip formation, the value of technological modes and processing conditions. As the material to be machined, the authors considered the cast iron with a layer hardened by diffusion alloying. Determination of input data for model was carried out directly during machining on the lathe and with the help of measurements of chip parameters. As cutting tools, we used standard cutters with mechanically fastened plates. The evaluation of the modelling results showed high convergence with the experimental results: the error in amplitude was 8.5 percent, in oscillation frequency - 12.3 percent; in general, the error did not exceed 15 percent. Thus, the developed model can be used for preliminary vibration assessment at the design stage of turning operations.

обработкаточениекачество поверхностивибрациимоделированиеmachiningturningsurface qualityvibrationmodellingReferencesСуслов, А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин / А. Г. Суслов. – Москва : Научно-техническое издательство «Машиностроение», 2000. – 320 с. – ISBN 5-217-02976-5. – Текст : непосредственный.Suslov, A. G. (2000). Kachestvo poverkhnostnogo sloya detaley mashin. Moscow, Mashinostroenie Publ., 320 p. (In Russian). ISBN 5-217-02976-5.Безъязычный, В. Ф. Метод подобия в технологии машиностроения : монография / В. Ф. Безъязычный. – Москва : Инфра-инженерия, 2021. – 356 с. – ISBN 978-5-9729-0766-3.Bez"yazychnyy, V. F. (2021). Metod podobiya v tekhnologii mashinostroeniya: monografiya. Moscow, Infrainzheneriya Publ., 356 p. (In Russian). ISBN 978-5-9729-0766-3.Синергетический системный синтез управления динамикой металлорежущих станков с учетом эволюции связей / В. Л. Заковоротный, А. Д. Лукьянов, Д. А. Нгуен, Д. Т. Фам. – Ростов-на-Дону : Донской государственный технический университет, 2008. – 324 с. – ISBN 5-7890-0278-1. – Текст : непосредственный.Zakovorotnyy, V. L., Luk'yanov, A. D., Nguen, D. A., & Fam, D. T. (2008). Sinergeticheskiy sistemnyy sintez upravleniya dinamikoy metallorezhushchikh stankov s uchetom evolyutsii svyazey. Rostov-na-Donu, Don State Technical University Publ., 324 p. (In Russian). ISBN 5-7890-0278-1.Altintas, Yu. Identification of dynamic cutting force coefficients and chatter stability with process damping / Yu. Altintas, M. Eynian, H. Onozuka. – DOI 10.1016/j.cirp.2008.03.048. – Текст : непосредственный // CIRP Annals. – 2008. – Vol. 57, No. 1. – Р. 371–374.Altintas, Yu., Eynian, M., & Onozuka, H. (2008). Identification of dynamic cutting force coefficients and chatter stability with process damping. CIRP Annals, 57(1), pp. 371-374. (In English). DOI 10.1016/j.cirp.2008.03.048.Özel, T. Finite element modeling the influence of edge roundness on the stress and temperature fields induced by high-speed machining / T. Özel, E. Zeren. – DOI 10.1007/s00170-006-0720-2. – Текст : непосредственный // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2007. – Vol. 35, No. 3. – P. 255–267.Özel, T., & Zeren, E. (2007). Finite element modeling the influence of edge roundness on the stress and temperature fields induced by high-speed machining. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 35(3), pp. 255-267. (In English). DOI 10.1007/s00170-006-0720-2.Kalpakjian, S. Manufacturing Engineering and Technology / S. Kalpakjian, S. Schmid. –Pearson Education, 2009. – 1197 p. – Текст : непосредственный.Kalpakjian, S., & Schmid, S. (2009). Manufacturing Engineering and Technology. Publ. Pearson Education, 1197 p. (In English).Суслов, А. Г. Выбор, назначение и технологическое обеспечение параметров шероховатости поверхностей деталей машин по ГОСТу 2789-73 : учебное пособие / А. Г. Суслов. – Брянск : Брянский государственный технический университет, 1983. – 83 с. – Текст : непосредственный.Suslov, A. G. (1983). Vybor, naznachenie i tekhnologicheskoe obespechenie parametrov sherokhovatosti poverkhnostey detaley mashin po GOSTu 2789-73. Bryansk, Bryansk State Technical University Publ., 83 p. (In Russian).Анализ используемых методик для назначения режимных условий процесса резания / В. Ф. Безъязычный, М. В. Тимофеев, Р. Н. Фоменко, Э. В. Киселев. – Текст : непосредственный // Технология металлов. – 2017. – № 12. – С. 2–10.Bezyazychnyy, V. F., Timofeyev, M. V., Fomenko, R. N., & Kiselyov, E. V. (2017). Analysis of used procedures for purpose of regime conditions of cutting process. Tehnologia Metallov, (12), pp. 2-10. (In Russian).Черных, Л. Г. Расчет систематической составляющей первичного профиля при участии вершины резца с радиусом, главной и вспомогательной режущих кромок и подачи / Л. Г. Черных, С. Н. Степанов, М. М. Радкевич. – Текст : непосредственный // Инновационные технологии в машиностроении : Сборник материалов международной научно-технической конференции, посвященной 55-летию Полоцкого государственного университета имени Евфросинии Полоцкой, Новополоцк, 18–19 апреля 2023 года. – Новополоцк : Полоцкий государственный университет имени Евфросинии Полоцкой, 2023. – С. 38–41.Chernykh, L. G., Stepanov, S. N., & Radkevich, M. M. (2023). Raschet sistematicheskoy sostavlyayushchey pervichnogo profilya pri uchastii vershiny reztsa s radiusom, glavnoy i vspomogatel'noy rezhushchikh kromok i podachi. Innovatsionnye tekhnologii v mashinostroenii: Sbornik materialov mezhdunarodnoy nauchnotekhnicheskoy konferentsii, posvyashchennoy 55-letiyu Polotskogo gosudarstvennogo universiteta imeni Evfrosinii Polotskoy, Novopolotsk, April, 18-19, 2023. Novopolotsk, Euphrosyne Polotskaya State University of Polotsk Publ., pp. 38-41. (In Russian).Saindane, G. Experimental investigation of vibration damping in boring operation using passive damper / G. Saindane, A. Jakikore, A. Umbarkar. – Текст : непосредственный // International Journal of Research in Engineering & Advanced Technology. – 2014. – Vol. 2, Issue 3. – ISSN: 2320–8791. – URL: http://www.ijreat.org/Papers%202014/Issue9/IJREATV2I3022.pdf (дата обращения: 13.03.2024).Saindane, G., Jakikore, A., & Umbarkar, A. (2014). Experimental investigation of vibration damping in boring operation using passive damper. International Journal of Research in Engineering & Advanced Technology, 2(3). (In English). ISSN: 2320–8791. Available at: http://www.ijreat.org/Papers%202014/Issue9/IJREATV2I3022.pdf (accessed 13.03.2024).Sortino, M. Development of a practical model for selection of stable tooling system configurations in internal turning / M. Sortino, G. Totis, F. Prosperi. – DOI 10.1016/j.ijmachtools.2012.05.010. – Текст : непосредственный // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2012. – Vol. 61. – Р. 58–70.Sortino, M., Totis, G., & Prosperi, F. (2012). Development of a practical model for selection of stable tooling system configurations in internal turning. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 61, pp. 58-70. (In English). DOI 10.1016/j.ijmachtools.2012.05.010.Овсянников, В. Е. Исследование геометрических особенностей рельефа шероховатости, волнистости и профиля деталей в поперечном сечении / В. Е. Овсянников, Р. Ю. Некрасов. – Текст : непосредственный // Материалы Международной научно-практической конференции им. Д.И. Менделеева, посвященной 15-летию Института промышленных технологий и инжиниринга : Сборник статей конференции. В 3-х томах, Тюмень, 16–18 ноября 2023 года. – Тюмень : Тюменский индустриальный университет, 2024. – С. 144–147.Ovsyannikov, V. E., & Nekrasov, R. Yu. (2024). Issledovanie geometricheskikh osobennostey rel'efa sherokhovatosti, volnistosti i profilya detaley v poperechnom sechenii. Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii im. D.I. Mendeleeva, posvyashchennoy 15-letiyu Instituta promyshlennykh tekhnologiy i inzhiniringa: Sbornik statey konferentsii. V 3-kh tomakh, Tyumen, November, 16–18 2023. Tyumen, Industrial University of Tyumen Publ., pp. 144-147. (In Russian).Рогов, Е. Ю. Автоматическое обеспечение точности формы при обработке на станках с ЧПУ / Е. Ю. Рогов, А. К. Остапчук, В. Е. Овсянников. – Курган : Курганский государственный университет, Уральский государственный университет путей сообщения, 2023. – 174 с. – ISBN 978-5-4217-0652-6. – Текст : непосредственный.Rogov, E. Yu., Ostapchuk, A. K., & Ovsyannikov, V. E. (2023). Avtomaticheskoe obespechenie tochnosti formy pri obrabotke na stankakh s ChPU. Kurgan, Kurgan State University, & Ural State University of Railway Transport Publ., 174 p. (In Russian). ISBN 978-5-4217-0652-6.Дунин-Барковский, И. В. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности / И. В. Дунин-Барковский, А. Н. Карташова. – Москва : Машиностроение, 1978. – 232 с.Dunin-Barkovskiy, I. V., & Kartashova, A. N. (1978). Izmereniya i analiz sherokhovatosti, volnistosti i nekruglosti poverkhnosti. Moscow, Mashinostroenie Publ., 232 p. (In Russian).Исследование текстуры поверхности детали «коленчатый вал», обработанной шлифованием и выглаживанием / И. Н. Бобровский, П. Ф. Зибров, Н. М. Бобровский, Ф. В. Гречников. – Текст : непосредственный // СТИН. – 2020. – № 6. – С. 7–10.Bobrovskiy, I. N., Zibrov, P. F., Bobrovskiy, N. M., & Grechnikov, F. V. (2020). Issledovanie tekstury poverkhnosti detali "kolenchatyy val", obrabotannoy shlifovaniem i vyglazhivaniem. STIN, (6), pp. 7-10. (In Russian).Чернов, Ю. Т. К расчету систем виброизоляции с демпферами вязкого трения / Ю. Т. Чернов, М. Зебилила. – Текст : непосредственный // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2018. – № 2. – С. 34–38.Chernov, Yu. T., & Zebilila, M. D. H. (2018). To the calculation of vibration isolation systems with fluid viscous dampers. Earthquake Engineering. Constructions Safety, (2), pp. 34-38. (In Russian).Бункин, Н. Ф. Стохастические системы в физике и технике / Н. Ф. Бункин, А. Н. Морозов. – Москва : Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, 2011. – 368 с. – ISBN 978-5-7038-3368-1. – Текст : непосредственный.Bunkin, N. F., & Morozov, A. N. (2011). Stokhasticheskie sistemy v fizike i tekhnike. Moscow, Bauman Moscow State Technical University Publ., 368 p. (In Russian). ISBN: 978-5-7038-3368-1.Розенберг, Ю. А. Резание материалов : учебник / Ю. А. Розенберг ; Минестерство образования и науки Российской Федерации, Федеральное агентство по образованию, Курганский гос. ун-т, Тюменский гос. нефтегазовый ун-т. – Курган : Курганский гос. ун-т : Тюменский гос. нефтегазовый ун-т, 2007. – 294 с.Rozenberg, Yu. A. (2007). Rezanie materialov. Kurgan, Kurgan State University, & Tyumen State Oil and Gas University Publ., 294 p. (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.