Динамометрический расточной резец

Цель – разработка, изготовление и испытание несложного по конструкции динамометра для исследования динамики процесса резания при растачивании и точении. Объектом исследований был выбран сборный правый расточной резец S20R-SSSCR09. Для регистрации силы резания и виброперемещений вершины резца в тангенциальном и радиальном направлениях на него были наклеены по полумостовой схеме четыре тензорезистора КФ5П1-10-400-А-12. Измерение изгибной жесткости резца в двух направлениях выполнили с помощью образцового динамометра сжатия ДОУ-3-01 и индикатора часового типа DDP-10A. Собственную частоту резца определили по виброграмме затухающих изгибных колебаний. Испытание динамометрического резца в работе проводили при точении на станке DMG NEF 400 заготовки из стали 20Х диаметром 79 мм с вылетом 200 мм при частоте вращения шпинделя 600 об/мин, глубине резания 0,8 мм и продольной подаче 0,103 мм/об. На основании проведенного аналитического обзора современных конструкций токарных динамометров установлено, что при растачивании наиболее простым и компактным техническим решением является тензометрирование инструмента. Изгибная жесткость резца в тангенциальном и радиальном направлениях составила, соответственно, 0,6 и 1,058 Н/мкм. Коэффициенты преобразования для перемещений в этих же направлениях имеют следующие значения: 3,5 и 4,2 мкм/В. Установлено, что взаимное влияние регистрации радиальных смещений вершины резца на тангенциальные составляет 7,7%, а тангенциальных на радиальные – 2,8%. Виброграммы показали, что процесс точения с принятыми условиями обработки сопровождается отчетливыми автоколебаниями резца с частотой 561 Гц. Таким образом, тензометрирование инструмента позволяет в одном сигнале получать информацию в виде виброграмм о двух важнейших параметрах динамики процесса резания: силе и виброперемещениях. Основными достоинствами динамометрического резца являются простота конструкции, возможность изготовления в лабораторных условиях, невысокая стоимость и нечувствительность к изменению температуры и осевой силы подачи.

1. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.

2. Полетика М.Ф. Приборы для измерения сил резания. М.: Машгиз, 1962. 108 с.

3. Altintas Y., Weck M. Chatter stability of metal cutting and grinding // CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2004. Vol. 53. Iss. 2. P. 619–642. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)60032-8.

4. Гусейнов Р.В. Динамометрическая аппаратура для измерения составляющих сил резания при обработке осевым инструментом // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2018. Т. 45. № 1. С. 22–29. https://doi.org/10.21822/2073-6185-2018-45-1-22-29.

5. Шуляк Я.И. Модернизация установки измерения сил резания на базе динамометра УДМ-600 // Машины и установки: проектирование, разработка и эксплуатация. 2016. № 1. С. 1-12.

6. Павлов И.О., Ушаков М.В., Воробьёв И.А. Система для измерения сил резания. Компоновка, тарирование и оценка погрешности // Известия ТулГУ. Серия: Технические науки. 2013. № 10. С. 159–168.

7. Самойлов В.Б. Модернизация системы для измерения сил резания на базе динамометров серии УДМ // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2019. № 5. С. 91–103. https://doi.org/10.18698/0236-39412019-5-91-103

8. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. Л.: Машиностроение, 1986. 184 с.

9. Марков А.М., Леонов С.Л., Черданцев П.О., Черданцев А.О., Гайст С.В., Лапенков Е.Ю. Особенности обработки сигналов, получаемых от пьезоэлектрических датчиков динамометра для измерения сил резания // Актуальные проблемы в машиностроении. 2017. Т. 4. № 4. С. 89–93.

10. Безъязычный В.Ф., Кордюков А.В., Тимофеев М.В., Фоменко Р.Н. Разработка динамометрической системы для измерения силы резания при точении // Известия МГТУ «МАМИ». 2014. Т. 2. № 1-2. С.171–176. https://doi.org/10.17816/2074-0530-67842.

11. Panzera T.H., Souza P.R., Rubio J.C.C., Abrão A.M., Mansur T.R. Development of a three-component dynamometer to measure turning force // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2012. Vol. 62. P. 913 –922. https://doi.org/10.1007/s00170-011-3866-5.

12. Yaldız S., Ünsaçar F. Design, development and testing of a turning dynamometer for cutting force measurement // Materials and Design. 2006. Vol. 27. Iss. 10. P. 839–846. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2005.04.001.

13. Zhang Yuntao, Wu Wenge, Han Yanwen, Wen Haijun, Cheng Yunping, Liu Lijuan. Design and analysis of a turning dynamometer embedded in thin-film sensor // Micromachines. 2019. Vol. 10. Iss. 3. P. 210. https://doi.org/10.3390/mi10030210.

14. Rizal M., Ghani J.A., Mubarak A.Z. Design and development of a tri-axial turning dynamometer utilizing cross-beam type force transducer for fine-turning cutting force measurement // Sensors. 2022. Vol. 22. Iss. 22. P. 8751. https://doi.org/10.3390/s22228751.

15. You Zhao, Yulong Zhao, Songbo Liang, Guanwu Zhou. A high performance sensor for triaxial cutting force measurement in turning // Sensors. 2015. Vol.15. Iss. 4. P. 7969–7984. https://doi.org/10.3390/s150407969.

16. Zhao You, Zhao Yulong, Gong Taobo. Application of a strain gauge cutting force sensor in machining proc ess monitoring // 14th IEEE International Conference on Electronic Measurement & Instruments (Changsha, 1 –3 November 2019). Changsha: IEEE, 2019. P. 891–897.

17. Totis G., Sortino M. Development of a modular dynamometer for triaxial cutting force measurement in turning // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2011. Vol. 51. Iss. 1. P. 34–42. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2010.10.001.

18. Horváth R., Pálinkás T., Mátyási G., Drégelyi-Kiss A.G. The design, calibration and adaption of a dynamometer for fine turning // International Journal of Machining and Machinability of Materials. 2017. Vol. 19. Iss. 1. P. 1 –16. https://doi.org/10.1504/IJMMM.2017.081183.

19. Wang Chao, Rakowski Ricard, Cheng Kai. Design and analysis of a piezoelectric film embedded smart cutting tool // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2013. Vol. 227. Iss. 2. P. 254–260. https://doi.org/10.1177/0954405412462785.

20. Елисеев Н. Перспективные ПАВ-датчики Transense/HoneyWell // Электроника: наука, технология, бизнес. 2008. № 1. С. 40–45.

21. Stoney R., Donnell G.E., Geraghty D. Dynamic wireless passive strain measurement in CNC turning using surface acoustic wave sensors // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2013. Vol. 69. P. 1421 – 1430. https://doi.org/10.1007/s00170-013-5116-5.

22. Scheffer C., Heyns P.S. An industrial tool wear monitoring system for interrupted turning // Mechanical Syste ms and Signal Processing. 2004. Vol. 18. Iss. 5. P. 1219–1242. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2003.09.001.

23. Li Chen-Jung, Ulsoy A.G. High-precision measurement of tool-tip displacement using strain gauges in precision flexible line boring // Mechanical Systems and Signal Processing. 1999. Vol. 13. Iss. 4. P. 531–546. https://doi.org/10.1006/mssp.1999.1223.

24. Liu Qiang, Gao Dayong, Jia Ruhong, Zhou Qiang, Bai Zhengyan. Investigating the cutting force monitoring system in the boring process // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022. Vol. 119. P. 3703–3715. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08451-y.

25. Немец И. Практическое применение тензорезисторов / пер. с чешск. М.: «Энергия», 1970. Вып. 392. 144 с.