Динамическая стабильность процесса точения никелевых суперсплавов при применении резцедержателя, полученного методом послойного лазерного спекания
Представлены результаты сравнения стабильности работы инструментов со стандартным и экспериментальным резцедержателями при точении никелевого суперсплава Инконель 718 инструментом из оксидной керамики, армированной усами карбида кремния. Показано, что применение экспериментального резцедержателя с я...
Збережено в:
| Дата: | 2013 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2013
|
| Назва видання: | Сверхтвердые материалы |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/126075 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Динамическая стабильность процесса точения никелевых суперсплавов при применении резцедержателя, полученного методом послойного лазерного спекания / О.А. Гутниченко, В.М. Бушля, Дж.М. Жу, П. Авдович, У. Симмонс, Я.-Э. Штоль // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 6. — С. 80-90. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-126075 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1260752017-11-13T03:03:03Z Динамическая стабильность процесса точения никелевых суперсплавов при применении резцедержателя, полученного методом послойного лазерного спекания Гутниченко, О.А. Бушля, В.М. Жу, Дж.М. Авдович, П. Симмонс, У. Штоль, Я.-Э. Исследование процессов обработки Представлены результаты сравнения стабильности работы инструментов со стандартным и экспериментальным резцедержателями при точении никелевого суперсплава Инконель 718 инструментом из оксидной керамики, армированной усами карбида кремния. Показано, что применение экспериментального резцедержателя с ячеистой пространственной структурой приводит к значительному подавлению вибрации в процессе обработки, а также стабилизации процесса резания в диапазоне скоростей 200–500 м/мин. Установлено, что преимущества инструмента со спеченным держателем связаны с демпфирующими свойствами разработанного резцедержателя. Представлено результати порівняння стабільності роботи інструментів зі стандартним та експериментальним різцетримачами при точінні нікелевого суперсплаву інструментом із оксидної кераміки, армованої вусами карбіду кремнію. Показано, що використання експериментального різцетримача із чарунковою просторовою структурою приводить до суттєвого зменшення вібрацій у процесі обробки, а також стабілізації процесу різання у діапазоні швидкостей 200–500 м/хв. Встановлено що вказані переваги інструменту зі спеченим тримачем обумовлені демпферними властивостями розробленого різцетримача. The paper presents the results of a comparative analysis of dynamic stability of SiC whisker reinforced alumina tools used in a conventional and prototype toolholders when turning a nickel-based superalloy Inconel 718. The use of the prototype toolholder with a cellular spatial structure is shown to significantly suppress vibrations during the machining operation and stabilize the cutting process within the cutting speed range between 200 and 500 m/min. Considering the identical nature of tool wear rate and the analytical ellaborations regarding the process dynamics, the above-mentioned benefits are related to damping properties of the proposed toolholder. 2013 Article Динамическая стабильность процесса точения никелевых суперсплавов при применении резцедержателя, полученного методом послойного лазерного спекания / О.А. Гутниченко, В.М. Бушля, Дж.М. Жу, П. Авдович, У. Симмонс, Я.-Э. Штоль // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 6. — С. 80-90. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 0203-3119 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/126075 621.941:534.141 ru Сверхтвердые материалы Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Исследование процессов обработки Исследование процессов обработки |
| spellingShingle |
Исследование процессов обработки Исследование процессов обработки Гутниченко, О.А. Бушля, В.М. Жу, Дж.М. Авдович, П. Симмонс, У. Штоль, Я.-Э. Динамическая стабильность процесса точения никелевых суперсплавов при применении резцедержателя, полученного методом послойного лазерного спекания Сверхтвердые материалы |
| description |
Представлены результаты сравнения стабильности работы инструментов со стандартным и экспериментальным резцедержателями при точении никелевого суперсплава Инконель 718 инструментом из оксидной керамики, армированной усами карбида кремния. Показано, что применение экспериментального резцедержателя с ячеистой пространственной структурой приводит к значительному подавлению вибрации в процессе обработки, а также стабилизации процесса резания в диапазоне скоростей 200–500 м/мин. Установлено, что преимущества инструмента со спеченным держателем связаны с демпфирующими свойствами разработанного резцедержателя. |
| format |
Article |
| author |
Гутниченко, О.А. Бушля, В.М. Жу, Дж.М. Авдович, П. Симмонс, У. Штоль, Я.-Э. |
| author_facet |
Гутниченко, О.А. Бушля, В.М. Жу, Дж.М. Авдович, П. Симмонс, У. Штоль, Я.-Э. |
| author_sort |
Гутниченко, О.А. |
| title |
Динамическая стабильность процесса точения никелевых суперсплавов при применении резцедержателя, полученного методом послойного лазерного спекания |
| title_short |
Динамическая стабильность процесса точения никелевых суперсплавов при применении резцедержателя, полученного методом послойного лазерного спекания |
| title_full |
Динамическая стабильность процесса точения никелевых суперсплавов при применении резцедержателя, полученного методом послойного лазерного спекания |
| title_fullStr |
Динамическая стабильность процесса точения никелевых суперсплавов при применении резцедержателя, полученного методом послойного лазерного спекания |
| title_full_unstemmed |
Динамическая стабильность процесса точения никелевых суперсплавов при применении резцедержателя, полученного методом послойного лазерного спекания |
| title_sort |
динамическая стабильность процесса точения никелевых суперсплавов при применении резцедержателя, полученного методом послойного лазерного спекания |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| publishDate |
2013 |
| topic_facet |
Исследование процессов обработки |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/126075 |
| citation_txt |
Динамическая стабильность процесса точения никелевых суперсплавов при применении резцедержателя, полученного методом послойного лазерного спекания / О.А. Гутниченко, В.М. Бушля, Дж.М. Жу, П. Авдович, У. Симмонс, Я.-Э. Штоль // Сверхтвердые материалы. — 2013. — № 6. — С. 80-90. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
| series |
Сверхтвердые материалы |
| work_keys_str_mv |
AT gutničenkooa dinamičeskaâstabilʹnostʹprocessatočeniânikelevyhsupersplavovpriprimeneniirezcederžatelâpolučennogometodomposlojnogolazernogospekaniâ AT bušlâvm dinamičeskaâstabilʹnostʹprocessatočeniânikelevyhsupersplavovpriprimeneniirezcederžatelâpolučennogometodomposlojnogolazernogospekaniâ AT žudžm dinamičeskaâstabilʹnostʹprocessatočeniânikelevyhsupersplavovpriprimeneniirezcederžatelâpolučennogometodomposlojnogolazernogospekaniâ AT avdovičp dinamičeskaâstabilʹnostʹprocessatočeniânikelevyhsupersplavovpriprimeneniirezcederžatelâpolučennogometodomposlojnogolazernogospekaniâ AT simmonsu dinamičeskaâstabilʹnostʹprocessatočeniânikelevyhsupersplavovpriprimeneniirezcederžatelâpolučennogometodomposlojnogolazernogospekaniâ AT štolʹâé dinamičeskaâstabilʹnostʹprocessatočeniânikelevyhsupersplavovpriprimeneniirezcederžatelâpolučennogometodomposlojnogolazernogospekaniâ |
| first_indexed |
2025-07-09T04:19:11Z |
| last_indexed |
2025-07-09T04:19:11Z |
| _version_ |
1837141593683918848 |
| fulltext |
www.ism.kiev.ua/stm 80
УДК 621.941:534.141
О. А. Гутниченко*, В. М. Бушля,
Дж. М. Жу, (г. Лунд, Швеция)
П. Авдович, У. Симмонс (г. Финспонг, Швеция)
Я.-Э. Штоль (г. Лунд, Швеция)
*oleksandr.gutnichenko@iprod.lth.se
Динамическая стабильность процесса
точения никелевых суперсплавов
при применении резцедержателя,
полученного методом послойного
лазерного спекания
Представлены результаты сравнения стабильности работы
инструментов со стандартным и экспериментальным резцедержателями при
точении никелевого суперсплава Инконель 718 инструментом из оксидной кера-
мики, армированной усами карбида кремния. Показано, что применение экспери-
ментального резцедержателя с ячеистой пространственной структурой при-
водит к значительному подавлению вибрации в процессе обработки, а также
стабилизации процесса резания в диапазоне скоростей 200–500 м/мин. Установ-
лено, что преимущества инструмента со спеченным держателем связаны с
демпфирующими свойствами разработанного резцедержателя.
Ключевые слова: динамическая устойчивость, точение, сплав
Инконель 718, износ инструмента, вейвлет-анализ, “0-1” тест.
ВВЕДЕНИЕ
Суперсплавы на основе никеля широко используются в авиа-
строении и других отраслях промышленности для производства реактивных
двигателей, газовых турбин и пр. Интерес к данному классу жаропрочных
материалов связан с их способностью сохранять высокие механические свой-
ства в экстремальных условиях эксплуатации. Наиболее известный предста-
витель таких сплавов – Инконель 718 – обладает высокой прочностью и кор-
розионной стойкостью до температуры 650 °С. Высокая жаропрочность в
сочетании с коррозионной стойкостью определяет широкий спектр областей
применения данного материала и характеризуют его как труднообрабатывае-
мый материал [1].
Наиболее используемые инструментальные материалы для обработки Ин-
конель 718 – это твердые сплавы с покрытиями, керамика и материалы на
основе кубического нитрида бора (КНБ). В случае высокоскоростной обра-
ботки керамические и КНБ-инструменты более перспективны и имеют ряд
преимуществ с точки зрения увеличения производительности [2]. Согласно
исследованиям [3, 4], точение Инконель 718 инструментом из оксидной ке-
рамики, армированной усами карбида кремния (WRA), в широком диапазоне
скоростей резания характеризуется сложной зависимостью состояния обра-
ботанной поверхности и поверхностного слоя от износа инструмента. При
фактически линейном увеличении износа качество поверхности и поверхно-
© О. А. ГУТНИЧЕНКО, В. М. БУШЛЯ, ДЖ. М. ЖУ, П. АВДОВИЧ, У. СИММОНС, Я.-Э. ШТОЛЬ, 2013
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 6 81
стного слоя значительно ухудшается в процессе обработки. Основными при-
чинами возникновения поверхностных дефектов, согласно [3], являются раз-
рушение карбидов TiC/NbC в процессе резания и особенности формирования
поверхности – пластическое течение материала в направлении вспомогатель-
ной режущей кромки. Основные механизмы износа режущей части инстру-
мента – диффузионный и абразивный, причем последний является домини-
рующим. При увеличении скорости резания к указанным механизмам под-
ключается механическое разрушение кромки вследствие относительно низ-
кой трещиностойкости керамики, которая, согласно [5, 6], составляет 5,2–
8,8 МПа⋅м1/2.
Проблемы абразивного износа и механических поломок инструмента тра-
диционно решаются использованием более совершенных материалов на ос-
нове поликристаллического КНБ [7]. Другой распространенный подход –
уменьшение степени ударного воздействия на инструмент путем использова-
ния активных демпферов или пассивных демпфирующих гибридных струк-
тур [8].
Компания “Siemens Industrial Turbomachinery AB” (Швеция), которая спе-
циализируется на изготовлении газовых и паровых турбин, предложила соб-
ственный способ решения данной проблемы. Компанией разработан дизайн
резцедержателя с ячеистой пространственной внутренней структурой, кото-
рая должна обеспечивать дополнительные демпфирующие свойства динами-
ческой системы. Прототип резцедержателя был изготовлен с помощью про-
грессивной технологии – послойного лазерного спекания порошков.
В настоящей работе выполнен сравнительный анализ устойчивости дина-
мической системы при точении сплава Инконель 718 инструментом из WRA
с использованием стандартного (СР) и полученного лазерным спеканием
(ЛСР) резцедержателей в широком (vр = 100–500 м/мин) диапазоне скоростей
резания. Анализ динамики процесса проводили на основании результатов
обработки спектров сил резания и ускорений инструмента по рассчитанным
характеристикам сигнала во временной и частотной областях. Стабильность
процесса оценивали с помощью анализа траекторий движения вершины ин-
струмента.
МАТЕРИАЛЫ, УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
И ОБОРУДОВАНИЕ
Динамику работы СР- и ЛСР-инструментов сравнивали в процессе точе-
ния прутка из сплава Инконель 718 в состоянии старения (46 HRC). Началь-
ные размеры заготовки – ∅70×210 мм.
В качестве инструментального материала использовали керамические
WRA пластины геометрии RNGN 120700T01020 (∅12,7×7,94 мм). Радиус
скругления режущей кромки пластин составлял 25–28 мкм, фаска – 0,1×20°.
Геометрия сравниваемых резцедержателей (СР типа CRDNN 3225P12-ID
(ISO) и экспериментального ЛСР) была одинаковой (рис. 1); поперечный
передний угол равен –6°.
Продольное точение выполняли на станке с ЧПУ SMT500 с использовани-
ем СОТС – 8 %-ной полусинтетической эмульсии Sitala D201-03 (Shell).
Применяли следующие режимы резания: скорость резания vр = 100, 200, 300,
400 и 500 м/мин; подача f = 0,1 и 0,2 м/мин; глубина резания не изменялась и
составляла ар = 0,3 мм.
При изучении динамики процесса резания для последующего его анализа
рассматривали спектры сил и ускорений, шероховатость обработанной по-
www.ism.kiev.ua/stm 82
верхности и характеристики износа инструмента. Схема системы сбора дан-
ных с датчиков представлена на рис. 2.
а
б
Рис. 1. Общий вид и схема внутренней структуры стандартного (а) и полученного методом
послойного лазерного спекания порошков (б) резцедержателей.
Акселерометры Усилитель 1
Усилитель 2Динамометр
Система сбора
данных 1
Система сбора
данных 2
Компьютер
Компьютер
Bruel&Kjær 8309 Kistler 5509 NI 9222
Kistler 5509Kistler 9129AA DAQCard�Al�16E�4
Рис. 2. Схема системы сбора данных сил резания и ускорений в процессе обработки.
Для измерения сил резания использовали трехосевой пьезоэлектрический
динамометр Kistler 9129АА. Вибрации регистрировали с помощью акселеро-
метров Bruel&Kjær 8309, расположенных взаимоперпендикулярно в трех
направлениях. Запись спектров сил резания и ускорений проводили одновре-
менно с частотами дискретизации 1 и 120 кГц соответственно. Обработку
спектров проводили с помощью программных пакетов LabView и Matlab как
стандартными, так и прогрессивными методами обработки сигналов. Дина-
мическую стабильность процесса анализировали с помощью вейвлет-анализа
и “0-1” теста.
Износ инструмента оценивали с помощью стереомикроскопа Leica MZ16
по площадке износа по задней поверхности (VB). Морфологию износа инст-
рументов изучали с помощью сканирующей электронной микроскопии (LEO
SEM 1560).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Динамика резца в процессе точения определяется характеристиками сис-
темы станка – массой, жесткостью и демпфирующей способностью, которые
рассматриваются в данном случае как постоянные величины. Переменными
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 6 83
величинами являются свойства используемых держателей. Кроме того, на
работу инструмента влияют характеристики самого процесса – относительная
скорость и координата вершины инструмента относительно заготовки, кото-
рые варьируются в процессе резания вследствие износа или поломки инстру-
мента, изменения жесткости заготовки и зависят от особенностей развития и
механизма износа инструмента, позиции инструмента вдоль заготовки и
взаимодействия инструмента с заготовкой.
В общем виде поведение динамической системы резца с приведенными
характеристиками может быть описано системой уравнений в матричном
виде:
),,(),()()( др qqFqFqqkqqcm &&&&& +=++ tq (1)
где m, c( q& ), k(q) – векторы массы, коэффициентов демпфирования и жестко-
сти рассматриваемой системы соответственно; ),(р tqF – вектор главной воз-
мущающей силы, как правило, периодической, определяется режимами реза-
ния; ),(д qqF & – вектор диссипативной силы, возникающей и изменяющейся в
процессе резания, определяется условиями процесса; q, q& , q&& – векторы
обобщенной координаты, скорости и ускорения соответственно.
Согласно [9], силу в направлении скорости резания можно определить как
( )( )11ξ 2
о1р +−γ= zhF
z
& , (2)
где ( )10о ,μ,ξ hzf &= ; h1 – теоретическая толщина срезаемого слоя; μ0 – стати-
ческий коэффициент трения; γ – константа; zvz && −= ро – относительная ско-
рость инструмента; vр – скорость резания.
Диссипативная составляющая в направлении скорости резания )( од zF
z
&
после разложения в ряд и использования линейных членов принимает вид
)()()( ррод vFzvFzF
z
′−= && . (3)
Таким образом, наличие спадающих участков на кривой )( рzF приводит
к снижению демпфирующих свойств динамической системы в целом.
Результирующая диссипативной силы в основной плоскости в большей
степени зависит от величины площадки износа инструмента VB. Согласно
[10], она может быть определена как
xypxym qcq
v
tVBKVF
xy
&& =≈=
р
2
д
)( , (4)
где xyq& – результирующая скорость. Увеличение данной результирующей
силы приводит к увеличению силы трения на задней поверхности инструмен-
та и, соответственно, к росту силы резания. Дальнейшие рассуждения осно-
вываются на указанных зависимостях.
Анализ сил резания и вибраций инструмента
Силы резания, возникающие при обработке Инконель 718 СР- и ЛСР-
инструментом в новом и изношенном (путь резания L = 210 м) состояниях,
представлены в таблице.
www.ism.kiev.ua/stm 84
Силы резания и средние значения ускорений
Силы резания FСР/FЛСР, Н
инструмента в состоянии
новом изношенном
Средние значения
амплитуд ускорений
aСР/aЛСР, отн. ед.
vр,
м/мин
f,
мм/об
z y x z y x z y x
100 210/200 270/250 100/90 400/380 800/734 300/370 0,5/0,2 0,3/0,3 0,2/0,1
200 232/240 280/300 120/120 440/425 1140/1070 440/400 1,5/0,7 0,8/0,3 0,5/0,2
300 166/170 190/220 80/90 370/425 1315/1370 440/480 2,2/0,9 1,0/0,5 0,6/0,3
400 180/200 225/255 90/110 350/400 1090/1150 360/440 2,2/0,7 1,0/0,4 1,1/0,3
500
0,1
175/160 205/260 90/110 345/350 1000/1130 360/410 3,4/0,6 1,5/0,4 0,8/0,3
100 380/340 380/350 150/130 515/500 715/610 285/240 0,6/0,5 0,7/0,2 0,4/0,6
200 350/285 324/270 130/100 485/435 880/750 340/290 2,3/1,5 1,5/0,5 0,8/0,4
300 360/348 380/410 125/130 485/505 770/780 300/315 4,4/1,3 1,8/0,7 1,4/0,3
400 278/300 240/250 100/100 410/420 780/800 280/300 6,0/1,3 2,5/0,5 2,0/0,7
500
0,2
332/270 270/310 235/220 445/400 1110/1020 370/340 8,5/1,6 5,2/0,8 2,6/0,7
Примечание. FСР, aСР и FЛСР, aЛСР – силы и средние значения амплитуд ускорений при
точении СР- и ЛСР-инструментом соответсвенно.
Силы в процессе резания возрастают преимущественно линейно (см. таб-
лицу) за исключением случаев выкрашивания режущей пластины, которое в
основном происходило по передней поверхности. Сравнительный анализ
полученных результатов при различных условиях обработки показал сле-
дующее.
1. Подача f = 0,1 мм/об, новый инструмент. При малых скоростях резания
vр < 200 м/мин силы резания фактически одинаковы для обоих инструментов.
При vр > 200 м/мин отношение αF = FСР/FЛСР уменьшается до значения 0,78.
2. Подача f = 0,1 мм/об, изношенный инструмент. Значение коэффициента
αF составляет ~ 1,0 во всем диапазоне скоростей резания. Значения тангенци-
альной составляющей силы резания увеличивается в 2 раза, осевой – в 3–
4 раза, радиальной – в 5 раз по сравнению с неизношенным инструментом.
3. Подача f = 0,2 мм/об, новый инструмент. Наблюдается увеличение ко-
эффициента αF(vр) при низких скоростях резания до 1,2–1,3. При увеличение
скорости обработки αF(vр) стремится к единице.
4. Подача f = 0,2 мм/об, изношенный инструмент. Поведение зависимос-
тей αF(vр) идентично предыдущему случаю, но абсолютные значения сил в
тангенциальном и осевом направлениях увеличиваются в 1,5 раза, в радиаль-
ном направлении – в 4–5 раз по сравнению с неизношенным инструментом
(см. таблицу), что является типичным при применении круглых пластин.
При сравнении различных условий обработки видно, что при увеличении
подачи нового инструмента (условия 1 и 3) значения составляющих сил реза-
ния увеличиваются в 1,5–2,0 раза, тогда как для изношенного инструмента
(условия 2 и 4) разница незначительна и уменьшается при повышении скоро-
сти обработки.
Иная ситуация со спектрами ускорений. Согласно данных таблицы
aСР/aЛСР(vр) возрастает для всех составляющих ускорения и изменяется в пре-
делах от 1 до 6 при увеличении скорости резания независимо от подачи.
Таким образом, установлено, что силы резания при точении стандартным
и экспериментальным инструментами отличаются при заданных условиях
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 6 85
проведения эксперимента на ~ 25 % (max). В то же время амплитуда вибра-
ций при обработке стандартным инструментом превышает аналогичные ве-
личины при резании инструментом c ЛСР в 5–6 раз (max). То есть наблюда-
ется значительное уменьшение уровня вибраций при точении инструментом
со спеченным держателем. О подавлении вибраций за счет “улучшенных”
демпфирующих свойств разработанного резцедержателя можно судить при
сходных величинах износа режущей кромки инструментов и механизмах его
развития в процессе обработки.
Характеристика износа инструментов
Результаты электронной микроскопии изношенных инструментов при
различных условиях резания представлены на рис. 3.
1 мм
а
1 мм
б
1 мм
в
1 мм
г
Рис. 3. Микроснимки изношенных инструментов при различных условиях резания (vр =
200 м/мин, f = 0,1 мм/об (а, в); vр = 400 м/мин; f = 0,2 мм/об (б, г)) СР- (а, б) и ЛСР-
инструментом (в, г).
Оценку работоспособности проводили по величине удельного износа,
оцениваемой как отношение величины площадки износа VBmax к пути резания
L: WR = VBmax/L. Результаты измерений представлены на рис. 4.
100 200 300 400 500
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
4
3
2
W
R
, м
км
/м
1
v
p
, м/мин
Рис. 4. Удельная величина износа при резании СР- (f = 0,1 (1) и 0,2 (3) мм/об) и ЛСР-
(f = 0,1 (2) и 0,2 (4) мм/об) инструментами.
Анализ полученных результатов позволяет сделать некоторые выводы и
замечания. Как видно из рис. 3, механизм и характер износа режущей кромки
для инструментов подобен. В обоих случаях наблюдается образование лунки
на передней поверхности пластины и равномерной площадки износа на зад-
www.ism.kiev.ua/stm 86
ней. Скорость резания существенно влияет на величину износа инструмента
и тип повреждений – интенсифицируется скругление режущей кромки в об-
ласти h1min, появляются сколы на передней поверхности пластины, что осо-
бенно характерно для использования стандартного держателя. Увеличение
скорости резания до 500 м/мин сопровождается значительными поврежде-
ниями пластины: выкрашиванием кромки, скалыванием и расслоением по
передней поверхности.
Интенсивность износа WR фактически одинакова для обоих инструментов
вплоть до скорости 400 м/мин при величине подачи 0,1 мм/об (см. рис. 4).
Увеличение подачи до 0,2 мм/об практически не влияет на интенсивность
износа при точении инструментом с СР, но наблюдали возрастание значений
WR на 10–17 % при обработке инструментом с ЛСР при данных высоких
скоростях (см. рис. 4).
Таким образом, в диапазоне скоростей 100–400 м/мин при подаче
f = 0,1 мм/об износ можно считать одинаковым для обоих инструментов, взя-
тых для сравнения. Отсюда следует, что подавление вибраций (см. таблицу)
вызвано не демпфированием за счет износа, а именно свойствами ячеистой
структуры, которая реализована в инструменте с ЛСР.
Для уточнения данного утверждения проведен детальный анализ особен-
ностей вибрации инструментов. Согласно представлениям о процессе, выра-
жения (1)–(4), увеличение демпфирующей способности системы приводит к
повышению устойчивости колебаний системы. Также известно, что неста-
бильная работа инструмента, т. е. возникновение в процессе резания неус-
тойчивых автоколебательных процессов, шумов, сингулярностей и т. д., мо-
жет быть причиной поломок режущей кромки и снижения качества обрабо-
танной поверхности. Ниже представлен сравнительный анализ стабильности
работы инструментов, основанный на результатах вейвлет-анализа спектров
ускорений и “0-1” теста устойчивости траектории движения инструмента.
Вейвлет-анализ спектров ускорений
Для анализа спектров ускорений использовали непрерывное вейвлет-
преобразование (ВП), которое позволяет получить двумерный массив ампли-
туд (коэффициентов ВП С(a, b)) в пространстве (a, b) = (частота, время). Для
аппроксимации сигнала использовали вейвлет Добеши ‘db1’ с центральной
частотой ω0 = 0,9961 Гц, анализ проводили в диапазоне частот 6–100 Гц. Для
выявления сингулярностей в спектрах ускорений и уровня шума использова-
ли зависимости максимальных коэффициентов ВП С(a, b) от времени. Ре-
зультаты обработки экспериментальных данных представлены на рис. 5.
Полученные результаты позволяют сделать следующие замечания.
1. vр = 100 м/мин. Точение инструментом с ЛСР характеризуется наличием
устойчивой гармоники с частотой соответствующей вращению шпинделя.
Поведение инструмента фактически не зависит от величины подачи. На
вейвлет-спектрограммах стандартного инструмента наблюдается множество
субгармоник и шум во всей рассматриваемой области частот (см. рис. 5, а, б).
2. vр = 300–500 м/мин, подача f = 0,1 мм/об. При использовании инстру-
мента с ЛСР с повышением скорости резания кроме основной гармоники
появляются субгармоники и наблюдается незначительное увеличения уровня
шума в области низких частот. При скорости резания выше 400 м/мин на-
блюдается возникновение сингулярностей в окрестности частоты, что соот-
ветствует вращению шпинделя. Точение стандартным инструментом сопро-
вождается значительным шумом и возникновением сингулярностей во всем
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 6 87
диапазоне частот. Средние значения Cmax при скорости 400 м/мин – 15 и 6 и
при 500 м/мин – 17 и 5,5 для СР- и ЛСР-инструментов соответственно (см.
рис. 5, в, г).
3. vр = 300–500 м/мин, подача f = 0,2 мм/об. Увеличение подачи приводит
к значительному увеличению шума, особенно в случае стандартного инстру-
мента. Средние значения Cmax при 400 м/мин составляют 50 и 12 для СР- и
ЛСР-инструментов соответственно (см. рис. 5, д, е).
0 40 80 120 160 200
2
4
6
8
2
3
C
(a
,
b)
m
ax
t, сек
1
а
0 40 80 120 160 200
2
4
6
8
2
1
3 C
(a
,
b)
m
ax
t, сек
б
0 10 20 30 40 50
25
50 3
2
1 C
(a
,
b)
m
ax
t, сек
в
0 10 20 30 40 50
25
50
3
2
1
C
(a
, b
) m
ax
t, сек
г
0 5 10 15 20 25
30
60
90
2
3
1
C
(a
,
b)
m
ax
t, сек
д
0 5 10 15 20 25
30
60
90
2
3
1 C
(a
,
b)
m
ax
t, сек
е
Рис. 5. Вейвлет-спектры и временные зависимости C(a, b)max в направлениях резания (1),
радиальном (2) и подачи (3) при различных условиях резания (vр = 100 м/мин, f = 0,1 мм/об
(а, б); vр = 500 м/мин, f = 0,1 мм/об (в, г); vр = 400 м/мин, f = 0,2 мм/об (д, е)) СР- (а, в, д) и
ЛСР- (б, г, е) инструментом.
Оценка стабильности с помощью “0-1” теста
Для оценки стабильности работы рассматриваемых инструментов в про-
цессе точения использовали “0-1” тест. Под стабильностью, в данном случае,
подразумевается некоторое регулярное движение системы, переход к хаоти-
ческому поведению обозначает потерю стабильности. В отличие от опреде-
ления показателя Ляпунова, авторы [11] предлагают рассматривать отобра-
жение временного ряда на некоторую плоскость. Особенностью отображения
есть то, что в случае нехаотической динамики процесса оно имеет периоди-
ческий или квазипериодический характер. В свою очередь, показатель Ляпу-
www.ism.kiev.ua/stm 88
нова характеризует скорость разбегания траекторий в фазовом пространстве,
т. е. отклонение динамической системы от устойчивого движения по экспо-
ненциальной зависимости. Таким образом, можно проследить общую идею
между методами, но “0-1” тест намного проще для численной реализации.
Результаты сравнения представлены на рис. 6 и 7. Значение “1” соответствует
устойчивому движению, “0” – хаотическому.
0 50 100 150 0,6
0,8
1,0
t, сек 200
а
0,6
0,8
1,0
0 20 40 60 80 100 , сек
б
0,6
0,8
1,0
0 15 30 45 , сек
в
0,6
0,8
1,0
0 15 30 45 , сек
г
0,6
0,8
1,0
0 20 40 60 80 100 , сек
д
0,6
0,8
1,0
0 5 10 15 20 25 , сек
е
Рис. 6. Результаты “0-1” теста при точении стандартным инструментом: vр = 100 м/мин,
f = 0,1 мм/об (а); vр = 200 м/мин, f = 0,1 мм/об (б); vр = 400 м/мин, f = 0,1 мм/об (в);
vр = 500 м/мин, f = 0,1 мм/об (г); vр = 100 м/мин, f = 0,2 мм/об (д); vр = 400 м/мин,
f = 0,2 мм/об (е).
0 50 100 150 0,6
0,8
1,0
t, сек 200
а
0,6
0,8
1,0
0 20 40 60 80 100 , сек
б
0,6
0,8
1,0
0 15 30 45 , сек
в
0,6
0,8
1,0
0 15 30 45 , сек
г
0,6
0,8
1,0
0 20 40 60 80 100 , сек
д
0,6
0,8
1,0
0 5 10 15 20 25 , сек
е
Рис. 7. Результаты “0-1” теста при точении ЛСР инструментом: vр = 100 м/мин,
f = 0,1 мм/об (а); vр = 200 м/мин, f = 0,1 мм/об (б); vр = 400 м/мин, f = 0,1 мм/об (в);
vр = 500 м/мин, f = 0,1 мм/об (г); vр = 100 м/мин, f = 0,2 мм/об (д); vр = 400 м/мин,
f = 0,2 мм/об (е).
Сравнительный анализ показал, что с увеличением скорости резания при
подаче f = 0,1 мм/об работа обоих инструментов в целом стабилизируется. Но
следует отметить некоторые особенности:
– обработка ЛСР-инструментом характеризуется как неустойчивая при
скорости резания vр < 200 м/мин независимо от используемой подачи (см.
рис. 7, а, д);
– стандартный инструмент устойчив при скоростях vр < 200 м/мин незави-
симо от подачи и теряет устойчивость в диапазоне скоростей 200–300 м/мин
(см. рис. 6);
– при подаче f = 0,2 мм/об и скоростях 200–300 м/мин инструменты рабо-
тают неустойчиво (см. рис. 6, е и 7, е). При дальнейшем увеличении скорости
резания (vр > 300 м/мин) работа ЛСР-инструмента стабилизируется.
В целом, инструмент с ЛСР работает стабильнее стандартного при подаче
f = 0,1 мм/об в диапазоне скоростей vр = 200–500 м/мин. Увеличение подачи
до величины f = 0,2 мм/об приводит к потери устойчивости при точении ост-
рым инструментом. По мере увеличения износа работа инструментов стаби-
лизируется.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2013, № 6 89
CР-инструмент устойчивее при низкой скорости резания vр = 100 м/мин
независимо от величины подачи. Увеличение скорости резания сопровожда-
ется увеличением амплитуды вибраций, появлением шума и сингулярностей
на спектрах.
ВЫВОДЫ
Экспериментальное измерение спектров сил резания и вибраций при то-
чении суперсплава Инконель 718 показало, что обработка инструментом с
ЛСР сопровождается значительным подавлением вибраций, причем амплиту-
да вибраций при увеличении скорости резания до 500 м/мин в 5–7 раз ниже,
чем при использовании инструмента со стандартным держателем. Условия
проведения эксперимента и одинаковый характер износа позволяют сделать
вывод, что подавление вибраций вызвано демпфирующими свойствами ячеи-
стой пространственной структуры, реализованной в экспериментальном рез-
цедержателе.
Вейвлет-анализ показал, что движение ЛСР-инструмента характеризуется
главной гармоникой, частота которой соответствует вращению шпинделя, и
низким уровнем шума во всем диапазоне скоростей резания. При высоких
скоростях резания наблюдается появление субгармоник и незначительное
повышением уровня шума. Анализ спектров СР-инструмента, в отличие от
предыдущего случая, показал значительное (в 3–6 раз) повышение шума и
появление сингулярностей на спектрах ускорений при скоростях резания
> 200 м/мин.
Согласно “0-1” теста, стандартный инструмент устойчиво работает при
низкой (vр = 100 м/мин) скорости резания, независимо от величины подачи.
При подаче f = 0,1 мм/об увеличение скорости приводит к стабилизации про-
цесса в обоих случаях, при подаче f = 0,2 мм/об стандартный инструмент
более устойчиво работает только при низких скоростях резания, работа ЛРС-
инструмента стабилизируется при высоких скоростях обработки.
Исследования были выполнены в рамках пилотного проекта совместно с
“Siemens Industrial Turbomachinery AB” (Швеция) при поддержке проекта
Sustainable Production Initiative (SPI).
Представлено результати порівняння стабільності роботи інструме-
нтів зі стандартним та експериментальним різцетримачами при точінні нікелевого
суперсплаву інструментом із оксидної кераміки, армованої вусами карбіду кремнію. Пока-
зано, що використання експериментального різцетримача із чарунковою просторовою
структурою приводить до суттєвого зменшення вібрацій у процесі обробки, а також
стабілізації процесу різання у діапазоні швидкостей 200–500 м/хв. Встановлено що вказа-
ні переваги інструменту зі спеченим тримачем обумовлені демпферними властивостями
розробленого різцетримача.
Ключові слова: динамічна стійкість, токарна обробка, сплав Інконель
718, знос інструменту, вейвлет-аналіз, “0-1” тест.
The paper presents the results of a comparative analysis of dynamic stability
of SiC whisker reinforced alumina tools used in a conventional and prototype toolholders when
turning a nickel-based superalloy Inconel 718. The use of the prototype toolholder with a
cellular spatial structure is shown to significantly suppress vibrations during the machining
operation and stabilize the cutting process within the cutting speed range between 200 and
500 m/min. Considering the identical nature of tool wear rate and the analytical ellaborations
regarding the process dynamics, the above-mentioned benefits are related to damping
properties of the proposed toolholder.
Keywords: dynamic stability, turning, Inconel 718, tool wear, wavelet analy-
sis, 0-1 test.
www.ism.kiev.ua/stm 90
1. Arunachalam R.; Mannan M. A. Machinability of nickel-based high temperature alloys //
Machining Sci. Techn. – 2000. – 4, N 1. – P. 127–168.
2. Arunachalam R. M., Mannan M. A., Spowage A. C. Residual stress and surface roughness
when facing age hardened Inconel 718 with CBN and ceramic cutting tools // Int. J. Machine
Tools & Manuf. – 2004. – 44. – P. 879–887.
3. Zhou J. M., Bushlya V., Stahl J.-E. An investigation of surface damage in the high speed turn-
ing of Inconel 718 with use of whisker reinforced ceramic tools // J. Mater. Proc. Techn. –
2012. – 212. – P. 372–384.
4. Zhou J. M., Bushlya V., Peng R. L. et al. Effects of tool wear on subsurface deformation of
nickel-based superalloy // 1st CIRP Conf. on Surface Integrity (CSI): Procedia Engineering. –
2011. – 19. – P. 407–413.
5. Nakao W., Ono M., Lee S.-K., Takahashi K., Ando K. Critical crack-healing condition for SiC
whisker reinforced alumina under stress // J. Eur. Ceram. Soc. – 2005. – 25. – P. 3649–3655.
6. Kumar A. S., Jiang W., Brown W. D., Malshe A. P. Wear behaviour of alumina-based ceramic
cutting tools on machining steels // Tribology International. – 2006. – 39. – P. 191–197.
7. Bushlya V., Zhou J., Ståhl J. E. Effect of cutting conditions on machinability of superalloy
Inconel 718 during high speed turning with coated and uncoated PCBN tools // Manufactur-
ing Systems. 45th CIRP Conf. 2012: Procedia CIRP. – 2012. – 3. – P. 370–375.
8. Parka G., Bement M. T., Hartman D. A. et al. The use of active materials for machining proc-
esses: a review // Int. J. Mach. Tools Manufact. – 2007. – 47. – P. 2189–2206.
9. Wiercigroch M., Krivtsov A. M. Frictional chatter in orthogonal metal cutting // Philosoph.
Transact. Royal Soc. A. – 2012. – 359. – P. 713–738.
10. Clancy B. E., Shin, Y. C. A comprehensive chatter prediction model for face turning opera-
tion including tool wear effect // Int. J. Mach. Tools Manufact. – 2002. – 42. – P. 1035–1044.
11. Gotwald G. A., Melbourne I. On the implementation of the 0-1 test for chaos // SIAM J.
Appl. Dynam. Syst. – 2009. – 8. – P. 129–145.
Ун-т Лунда Поступила 19.08.13
(Lund University)
Siemens Turbomachinery AB
|