Способ повышения жесткости и виброустойчивости нежестких концевых фрез при обработке щелевых пазов

   В статье рассмотрена актуальная проблема обработки глубоких щелевых пазов, полостей малой ширины ≤ 3 мм в деталях аэрокосмического и энергетического машиностроения.

   Основное внимание уделено недостаточной жесткости и склонности к вибрациям удлиненных цельных твердосплавных фрез с соотношением длины к диаметру L/D ˃ 5.

   Вибрации приводят к ухудшению качества поверхности, повышенному износу режущих кромок, образованию биений и к поломке инструмента. Для решения этой проблемы проанализированы существующие подходы. Предложен новый способ увеличения жёсткости, заключающийся в использовании поддерживающего люнета. Люнет служит дополнительной опорой для фрезы, значительно повышая её жесткость и демпфируя колебания. Приводятся результаты математического моделирования статической жесткости инструментальной системы. Одним из ключевых преимуществ нового подхода является его технологическая простота и возможность интеграции в существующие станки с числовым программным управлением без кардинальной модернизации оборудования. В отличие от активных систем указанный метод не требует сложной электроники или программного обеспечения. Метод позволяет вести обработку глубоких и узких пазов даже при неблагоприятном соотношении их ширины к глубине, что прежде считалось труднореализуемой задачей. Возросшая жесткость системы, в свою очередь, положительно сказывается на износостойкости инструмента и дает возможность увеличить режимы резания, тем самым наращивая общую производительность. Наибольший потенциал метод раскрывает при работе с жаропрочными сплавами, где классическое фрезерование наталкивается на жесткие технологические ограничения.

1. Altintas Y. Manufacturing Automation: Metal Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations, and CNC Design. 2^nd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2012. doi: 10.1017/CBO9780511843723.

2. Denkena B., Bergmann B., Teige C. Frictionally damped tool holder for long projection cutting tools. Production Engineering. 2018;6(12):715–722. doi: 10.1007/s11740-018-0847-7. EDN: DQWRMX.

3. Постнов В. В., Малахов Е. Н., Старовойтов С. В. [и др.]. Расчетно-экспериментальный метод компенсации погрешности механообработки лопаток газотурбинных двигателей на мехатронном станочном оборудовании // Вестник УГАТУ. 2012. Т. 16, № 7 (52). С. 145–153. EDN: PWZUHP.

4. Трусов В. Н., Скуратов Д. Л., Законов О. И. [и др.]. Влияние режимов резания на температуру при фрезеровании заготовок из труднообрабатываемых материалов // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2011. Т. 15, № 3 (43). С. 85–91. EDN: OWXVSV.

5. Кочина Т. Б. Износ керамических инструментальных материалов при высокоскоростном резании жаропрочных никелевых сплавов // Металлообработка. 2013. № 2. С. 7–13. EDN: REKXIR.

6. Smith S., Tlusty J. Current trends in high-speed machining. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 1997;119(4B):664–666. doi: 10.1115/1.2836806.

7. Munoa J., Beudaert X., Dombovari Z. [et al.]. Chatter suppression techniques in metal cutting. CIRP Annals — Manufacturing Technology. 2016;65(2):785–808. doi: 10.1016/j.cirp.2016.06.004. EDN: VJNJHW.

8. Schmidt J., Tritschler H. Micro Milling of Hardened Steel. Microsystem Technologies. 2004;10(3):167–174. doi: 10.1007/s00542-003-0346-3. EDN: FMEKUB.

9. Bari P., Kilic Z. M., Law M. Rapid stability analysis of variable pitch and helix end mills using a non-iterative multi-frequency solution. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2023;13(237): 2109–2118. doi: 10.1177/09544054221126967. EDN: ONUWRR.

10. Pleta A., Nithyanand G., Akhavan Niaki F. [et al.]. Identification of optimal machining parameters in trochoidal milling of Inconel 718 for minimal force and tool wear and investigation of corresponding effects on machining affected zone depth. Manufacturing Letters. 2019;21:28–33. doi: 10.1016/j.mfglet.2019.05.003.

11. Ярославцев В. М. Особенности процессов стружкообразования и формирования поверхностного слоя детали при обработке газотермических покрытий // Наука и образование : научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2016. № 6. С. 18–29. doi: 10.7463/0616.0842354. EDN: WISNIF.

12. Cook R. D., Malkus D. S., Plesha M. E., Witt R. J. Concepts and Applications of Finite Element Analysis. 4^th ed. John Wiley & Sons, 2001. 736 p. ISBN 978-0-471-35605-9.

13. Kıvanç E. B., Budak E. Structural modeling of end mills for form error and stability analysis. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2004;11(44):1151–1161.

14. Wang Le., Yue C., Liu X. [et al.]. Conventional and micro scale finite element modeling for metal cutting process : A review. Chinese Journal of Aeronautics. 2024;2(37):199–232. doi: 10.1016/j.cja.2023.03.004. EDN: PZBCKM.

15. Пономарев Б. Б., Нгуен Хьен Ши. Исследования динамики процесса пятикоординатного концевого фрезерования // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. 2019. Т. 4, № 7. С. 108–120. doi: 10.34031/article_5d35d0b677dc74.96046396.