Использование сигналов виброакустики для оптимизации режимов точения на станках с числовым программным управлением

Цель – обоснование возможности использования сигнала акустики для решения задачи коррекции режимов резания при токарной обработке. Объектом исследования является технологическое обеспечение шероховатости поверхности при обработке деталей типа тела вращения. В работе использовались планирование и организация эксперимента, спектральный и корреляционный анализы, методы оптимизации. Эксперименты проводились на токарном станке с числовым программным управлением. В качестве обрабатываемого материала использовались конструкционные стали марок Ст3 и сталь 45. Оценка состояния режущей пластины производилась с помощью электронного устройства измерения режущих инструментов. Запись вибраций производилась с помощью датчика акселерометра, обработка сигналов выполнялась с использованием разработанного авторами программного обеспечения. При проведении спектрального анализа выявлен частотный диапазон сигнала, который имеет наибольшую корреляционную связь с качеством поверхности (6 … 12 кГЦ). Проведенные исследования позволили получить зависимости для оценки шероховатости поверхности, которая формируется при чистовой обработке деталей типа вал из Ст3 и сталь 45. Установлено, что использование сигналов виброакустики позволяет производить коррекцию режимов резания на основе мониторинга износа режущей пластины. Так, величина мощности вибросигнала в диапазоне от 0,001 до 0,015 Дб соответствует зоне нормального изнашивания инструмента, в которой рекомендуется работать. Показано, что при превышении мощности значений 0,015 Дб наблюдается переход в зону катастрофического износа, что требует прекращения обработки режущим инструментом ввиду высокой вероятности получения брака. Предварительное тестирование на обработке партии деталей показало возможность повышения производительности на 15–20 % при отсутствии несоответствий по критерию шероховатости обработанной поверхности. Таким образом, использование сигналов виброакустики, записываемых в ходе обработки датчиком акселерометром, позволяет повысить эффективность изготовления деталей типа тел вращений на станках с числовым программным управлением и снизить внезапные отказы режущих пластин. 

1. Смирнова Е.Н., Крылов Е.Г. Проблема автоматизированного проектирования технологических процессов с учетом технологической наследственности // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2011. № 13. С. 100–102. EDN: ONCNMF.

2. Kotlyarov V.P., Maslakov A.P., Tolstoles A.A. Digital modelling of production engineering for metalworking machine shops // Proceedings of the Institute for System Programming of the RAS. 2019. Vol. 31. Iss.

3. P. 85–98. https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2019-31(3)-8. EDN: LSIJGC. 3. Zakovorotnyi V.L., Gvindjiliya V.E. Influence of speeds of forming movements on the properties of geometric topology of the part in longitudinal turning // Journal of Manufacturing Processes. 2024. Vol. 112. P. 202–213. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.01.037. EDN: LHVZHV.

4. Безъязычный В.Ф., Паламарь И.Н. Современные аспекты автоматизации научных исследований качества поверхности деталей машин с использованием методов машинного обучения // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2021. № 7. С. 12–19. https://doi.org/10.30987/2223-4608-2021-7-12-19. EDN: VIPEMD.

5. Кабалдин Ю.Г., Иванов С.В., Башков А.А. Управление устойчивостью трибосистемами при внешнем трении и резании на основе алгоритмов нелинейной динамики, теории фракталов и нейросетевого моделирования // Мехатроника, автоматика и робототехника. 2024. № 13. С. 150–156. https://doi.org/10.26160/2541-8637-2024-13-150-156. EDN: NXFIAU.

6. Stupnytskyy V., Dragašius E., Baskutis S., Xianning Sh. Modeling and simulation of machined surface layer microgeometry parameters // Ukrainian Journal of Mechanical Engineering and Materials Science. 2022. Vol. 8. Iss. 1. P. 1–11. https://doi.org/10.23939/ujmems2022.01.001. EDN: FGAHMG.

7. Ovsyannikov V., Nekrasov R., Putilova U., Il’yaschenko D., Verkhoturova E. On the issue of automatic form accuracy during processing on CNC machines // Revista Facultad de Ingenieria. 2022. Iss. 103. P. 88–95. https://doi.org/10.17533/udea.redin.20201111. EDN: HCVDFL.

8. Некрасов Р.Ю. Повышение эффективности производства рабочих частей цилиндровых втулок буровых насосов // Тракторы и сельхозмашины. 2025. Т. 92. № 6. С. 645–651. https://doi.org/10.17816/0321-4443-688855. EDN: VZUSCQ.

9. Черных Л.Г. Расчет систематической составляющей первичного профиля текстуры обработанной поверхности // Металлообработка. 2023. № 2. С. 19–23. https://doi.org/10.25960/mo.2023.2.19. EDN: ZHZLRX.

10. Ovsyannikov V., Nekrasov R., Putilova U., Gubenko A. Structural features of the roughness profile of hardened steel parts after finishing turning // EPJ Web of Conferences. 2025. Vol. 318. P. 03011. https://doi.org/10.1051/epjconf/202531803011. EDN: FXACLR.

11. Некрасов Р.Ю., Овсянников В.Е., Губенко А.С. Повышение качества втулок цилиндров буровых насосов на основе использования серого чугуна с упрочненным слоем // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2025. Т. 23. № 2. С. 128–133. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2025-23-2-128-133. EDN: NWIYML.

12. Кабалдин Ю.Г., Саблин П.А., Щетинин В.С. Управление динамической устойчивостью металлорежущих систем в процессе резания по фрактальности шероховатости обработанной поверхности // Frontier Materials and Technologies. 2023. № 3. С. 43–51. https://doi.org/10.18323/2782-4039-2023-3-65-4.

13. Zakovorotny V., Gvindjiliya V. The features of the evolution of the dynamic cutting system due to the regenerative effect // Dynamics of technical systems: AIP Conference Proceedings of the 7 International Scientific-Technical Conference (Rostov-on-Don, 9–11 September 2023). Rostov-on-Don: American Institute of Physics Inc., 2023. Vol. 2507. Iss. 1. Р. 030002. https://doi.org/10.1063/5.0109559. EDN: FLSYFX.

14. Ovsyannikov V., Nekrasov R., Putilova U., Il’yaschenko D., Verkhoturova E. On the issue of automatic form accuracy during processing on CNC machines // Revista Facultad de Ingenieria. 2022. Iss. 103. P. 88–95. https://doi.org/10.17533/udea.redin.20201111. EDN: HCVDFL.

15. Proskuryakov N.A., Nekrasov R.Y., Starikov A.I., Solov’ev I.V., Barbyshev B.V., Tempel’ Y.A. Fuzzy controllers in the adaptive control system of a CNC lathe // Russian Engineering Research. 2018. Vol. 38. Iss. 3. P. 220–222. https://doi.org/10.3103/S1068798X18030188. EDN: XXMQTZ.

16. Tugengol’d A.K., Voloshin R.N., Dimitrov V.P., Borisova L.V., Yusupov A.R. Monitoring the condition of CNC machine tools // Russian Engineering Research. 2020. Vol. 40. Iss. 9. P. 763–767. https://doi.org/10.3103/S1068798X2009021X. EDN: UEKPVL.

17. Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Манцеров С.А., Желонкин М.В. Исследование процессов деформирования и разрушения конструкционных сплавов, полученных аддитивной электродуговой наплавкой с акустико-эмиссионным контролем // Вестник машиностроения. 2025. Т. 104. № 1. С. 53–58. https://doi.org/10.36652/0042-4633-2025-104-1-53-58. EDN: VOCTQF.

18. Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства виброакустической эмиссии в системах диагностики износа режущего инструмента // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2025. Т. 27. № 3. С. 50–70. https://doi.org/10.17212/1994-6309-2025-27.3-50-70. EDN: CIFNCY.

19. Остапчук А.К., Овсянников В.Е. Научные основы обеспечения шероховатости поверхности на базе анализа случайных процессов: монография. Курган: Курганский государственный университет, 2012. 196 с. EDN: YMOJVR.

20. Симонов А.М., Остапчук А.К., Овсянников В.Е. Основы обеспечения качества поверхности деталей машин с использованием динамического мониторинга: монография. Курган: Курганский государственный университет, 2010. 118 с. EDN: QNCVIJ.

21. Рогов Е.Ю., Остапчук А.К., Овсянников В.Е. Автоматическое обеспечение точности формы при обработке на станках с ЧПУ: монография. Курган: Курганский государственный университет, Уральский государственный университет путей сообщения, 2023. 174 с. EDN: PGCNOK.