«Вдосконалення процесу отримання точних отворів у деталях з алюмінієвих сплавів на верстатах з ЧПК»

Липовецька, Вікторія Володимирівна

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9311

Title:	«Вдосконалення процесу отримання точних отворів у деталях з алюмінієвих сплавів на верстатах з ЧПК»
Authors:	Коваленко, Олександр Олексійович Липовецька, Вікторія Володимирівна
Keywords:	Отримання точних отворів у деталях з алюмінієвих сплавів
Issue Date:	2023
Abstract:	Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Вдосконалення процесу отримання точних отворів у деталях з алюмінієвих сплавів на верстатах з ЧПК» Виконавець: здобувачка групи мТМ-82 Липовецька Вікторія Володимирівна. Керівник: к.т.н., доцент Коваленко Олександр Олексійович. Кваліфікаційна робата містить 134 сторінок формату А4, 78 рисунків, 19 таблиць, 77 літературних джерела Актуальність теми обумовлена тим, що Сучасні темпи зростання світової економіки вимагають від машинобудівного виробництва випуск конкурентно здатної продукції з мінімальними часовими витратами та високими експлуатаційними показниками. Аналогічні вимоги пред'являють і до деталей, що входять до складу готової продукції. Геометрична характеристика поверхні та фізичний стан поверхневого шару деталей машин, у свою чергу, формують вимогу до операцій обробки різанням. Особлива увага в даних умовах приділяється підвищенню продуктивності операцій механообробки, що визначають експлуатаційні показники готової продукції. Продуктивність обробки безпосередньо впливає технологічну собівартість деталі. Підвищуючи продуктивність процесу, знижують собівартість і тим самим підвищують конкурентоспроможність продукції. Поряд із такими операціями механообробки як фрезерування та точіння велике значення має операція свердління отворів. Перший розділ присвячено: Літературному огляді, постановці мети та завдань дослідження; Конструктивні особливості деталей, що виготовляються з алюмінієвих сплавів; Розглянуто вплив технологічних факторів на якість обробленої поверхні та форму отвору Другий розділ присвячено: математичному моделюванню вібраційної стійкості операції свердління отворів; Дослідження та аналітичний розрахунок вібраційних параметрів інструментального налагодження на базі спірального свердла Третій розділ присвячено: Проаналізовано типи і конструкції затискних патронів для закріплення різального інструменту; Дослідження впливу режимів різання на якість поверхні та точність циліндричних отворів Четвертий розділ присвячено Охороні праці та безпеці в надзвичайних ситуаціях.; Розглянути способи та технології переробки алюмінієвої стружки.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9311
Appears in Collections:	131 Прикладна механіка (Технології машинобудування)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Липовецька.pdf Restricted Access		4.12 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв

До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2023р.

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра

на тему: «Вдосконалення процесу отримання точних отворів у деталях з
алюмінієвих сплавів на верстатах з ЧПК»

Виконала: здобувачка 2 курсу, групи мТМ-82
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Технології машинобудування»
Липовецька Вікторія Володимирівна
Керівник: к.т.н., доцент Коваленко Олександр
Олексійович
Рецензент: інженер-технолог ПП «Фотоніка плюс»
м.Черкаси
Голуб Микола Васильович

Черкаси 2023 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Технології машинобудування»

ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
Георгій КАНАШЕВИЧ
« » ____________2023р.

ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра

_Липовецькій Вікторії Володимирівні_
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи «Вдосконалення процесу отримання точних отворів у деталях з
алюмінієвих сплавів на верстатах з ЧПК».
Керівник роботи к.т.н., доцент Коваленко Олександр Олексійович
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«10» жовтня 2023р. №271/04
2. Термін подання здобувачем роботи 05. 12. 2023 р.
3. Вихідні дані до роботи: Технологія обробки матеріалів на верстатах з
числовим програмним керуванням; Завдання до розділу Охорона праці
4. Зміст пояснювальної записки: Літературний огляд, постановка мети та
завдань дослідження; Методи призначення режимів різання та шляхи їх
оптимізації; Математичне моделювання вібраційної стійкості операції
свердління отворів; Результати математичного моделювання вібраційної
стійкості операції свердління; Дослідження затискних патронів для
закріплення різального інструменту ; Охорона праці та безпека в надзвичайних
ситуаціях; Обладнання для переробки алюмінієвої стружки.
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо) Тема, мета КРМ; Типові деталі;
Технологічні методи отримання точних отворів; Оброблена поверхня дна
отвору; Графіки залежності сил різання від подачі інструменту; Форми
коливань свердла; Дослідження радіального биття; Дослідження дисбалансу;
Результати вимірювання шорсткості; Вимірювання биття; Графіки
залежності шорсткості; Раціональні режими різання; ОП та ЦЗ; Висновки
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
Розділ 1 Коваленко Олександр Олексійович
Розділ 2 Коваленко Олександр Олексійович
Розділ 3 Коваленко Олександр Олексійович
Розділ 4 Цікановський Володимир Леонідович

7. Дата видачі завдання 04.09.2023 р.
Календарний план
№ Назва етапів дипломного Строк
Примітка
з/п роботи виконання етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ 04.09-01.10.2023
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2023
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2023
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2023
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2023
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 30.11.2023
7 Оформлення графічної документації 30.11 – 04.12.2023
8 Захист роботи ___.12.2023р.

Здобувачка ___________ Вікторія ЛИПОВЕЦЬКА
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

Керівник ___________ _Олександр КОВАЛЕНКО_
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

4
АНОТАЦІЯ
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Вдосконалення процесу отримання
точних отворів у деталях з алюмінієвих сплавів на верстатах з ЧПК»
Виконавець: здобувачка групи мТМ-82 Липовецька Вікторія Володимирівна.
Керівник: к.т.н., доцент Коваленко Олександр Олексійович.
Кваліфікаційна робата містить 134 сторінок формату А4, 78 рисунків, 19
таблиць, 77 літературних джерела
Актуальність теми обумовлена тим, що Сучасні темпи зростання світової
економіки вимагають від машинобудівного виробництва випуск конкурентно
здатної продукції з мінімальними часовими витратами та високими
експлуатаційними показниками. Аналогічні вимоги пред'являють і до деталей, що
входять до складу готової продукції. Геометрична характеристика поверхні та
фізичний стан поверхневого шару деталей машин, у свою чергу, формують вимогу
до операцій обробки різанням. Особлива увага в даних умовах приділяється
підвищенню продуктивності операцій механообробки, що визначають
експлуатаційні показники готової продукції. Продуктивність обробки
безпосередньо впливає технологічну собівартість деталі. Підвищуючи
продуктивність процесу, знижують собівартість і тим самим підвищують
конкурентоспроможність продукції. Поряд із такими операціями механообробки як
фрезерування та точіння велике значення має операція свердління отворів.
Перший розділ присвячено: Літературному огляді, постановці мети та
завдань дослідження; Конструктивні особливості деталей, що виготовляються з
алюмінієвих сплавів; Розглянуто вплив технологічних факторів на якість
обробленої поверхні та форму отвору
Другий розділ присвячено: математичному моделюванню вібраційної
стійкості операції свердління отворів; Дослідження та аналітичний розрахунок
вібраційних параметрів інструментального налагодження на базі спірального
свердла
Третій розділ присвячено: Проаналізовано типи і конструкції затискних
патронів для закріплення різального інструменту; Дослідження впливу режимів
різання на якість поверхні та точність циліндричних отворів
Четвертий розділ присвячено Охороні праці та безпеці в надзвичайних
ситуаціях.; Розглянути способи та технології переробки алюмінієвої стружки

5
ABSTRACT
The topic of the master's qualification work: "Improving the process of obtaining
precise holes in aluminum alloy parts on CNC machines"
Performer: Viktoriya Lypovetska, procurement group mTM-82.
Leader: candidate of technical sciences, associate professor Oleksandr Kovalenko.
The qualification paper contains 134 pages of A4 format, 78 figures, 19 tables, 77
literary sources
The topicality of the topic is due to the fact that the current growth rates of the
world economy require the production of competitive products with minimal time costs
and high performance indicators from the machine-building industry. Similar
requirements apply to the details included in the finished product. The geometric
characteristics of the surface and the physical state of the surface layer of the machine
parts, in turn, form a requirement for cutting operations. In these conditions, special
attention is paid to increasing the productivity of machining operations, which determine
the performance indicators of finished products. Processing productivity directly affects
the technological cost of the part. By increasing the productivity of the process, they
reduce the cost price and thereby increase the competitiveness of products. Along with
such machining operations as milling and turning, the operation of drilling holes is of
great importance.
The first chapter is devoted to: Literature review, setting the goal and objectives of
the research; Design features of parts made of aluminum alloys; The influence of
technological factors on the quality of the treated surface and the shape of the hole is
considered
The second section is devoted to: mathematical modeling of vibration resistance of
the hole drilling operation; Research and analytical calculation of vibration parameters of
instrumental tuning based on a spiral drill
The third section is devoted to: Analyzed the types and designs of clamping chucks
for securing the cutting tool; Study of the effect of cutting modes on surface quality and
accuracy of cylindrical holes.
The fourth chapter is devoted to labor protection and safety in emergency
situations; Consider the methods and technologies of processing aluminum shavings
6
Зміст
Вступ ................................................................................................................................. 8
Розділ 1. Літературний огляд, постановка мети та завдань дослідження ........... 12
1.1 Конструктивні особливості деталей, що виготовляються з алюмінієвих
сплавів ............................................................................................................................ 12
1.2 Технологічні методи отримання точних отворів у деталях машинобудівного
профілю .......................................................................................................................... 15
1.3 Точність та якість круглих отворів ................................................................. 21
1.3.1 Геометричні дефекти круглих отворів ........................................................ 21
1.3.2 Вплив технологічних факторів на якість обробленої поверхні та форму
отвору 23
1.4 Методи призначення режимів різання та шляхи їх оптимізації .................. 26
Висновок до розділу 1............................................................................................... 36
Розділ 2. Математичне моделювання вібраційної стійкості операції свердління
отворів ............................................................................................................................ 38
2.1 Аналітичний розрахунок даних для побудови діаграми вібраційної стійкості
операції свердління ....................................................................................................... 38
2.2 Дослідження сил різання при свердлінні ....................................................... 44
2.2.1 Визначення емпіричного параметра демпфування оброблюваного
матеріалу ........................................................................................................................ 44
2.2.2 Визначення емпіричних параметрів моделі сил різання процесу
свердління ...................................................................................................................... 54
2.3 Дослідження та аналітичний розрахунок вібраційних параметрів
інструментального налагодження на базі спірального свердла ............................... 61
2.3.1 Визначення вібраційних параметрів інструментального налагодження на
базі спірального свердла ............................................................................................... 66
2.4 Результати математичного моделювання вібраційної стійкості операції
свердління ...................................................................................................................... 73
Висновок до розділу 2............................................................................................... 75

7
Розділ 3. Дослідження затискних патронів для закріплення різального
інструменту .................................................................................................................... 76
3.1 Дослідження впливу затискних патронів на параметри якості отворів ........ 76
3.2 Дослідження впливу затискних патронів на параметри отворів .................... 79
3.3 Планування експерименту та опис технологічного обладнання ................... 87
3.4 Вплив товщини оброблюваного матеріалу на шорсткість поверхні різу,
матеріал сталь 30ХГСА ................................................................................................ 96
3.5 Дослідження впливу режимів різання на якість поверхні та точність
циліндричних отворів ................................................................................................... 97
3.6 Дослідження впливу параметрів обробки на відхилення отворів від
циліндричності ............................................................................................................ 102
3.7 Дослідження впливу режимів різання на вібраційну стійкість операції
свердління отворів ....................................................................................................... 103
Висновок до розділу 3............................................................................................. 105
Розділ 4. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях .......................... 107
4.1 Технології переробки алюмінієвой стружки ............................................... 107
4.2 Обладнання для переробки алюмінієвої стружки ....................................... 123
Загальні висновки .................................................................................................... 126
Список використаної літератури ............................................................................... 128

8
Вступ
Сучасні темпи зростання світової економіки вимагають від машинобудівного
виробництва випуск конкурентно здатної продукції з мінімальними часовими
витратами та високими експлуатаційними показниками. Аналогічні вимоги
пред'являють і до деталей, що входять до складу готової продукції. Геометрична
характеристика поверхні та фізичний стан поверхневого шару деталей машин, у
свою чергу, формують вимогу до операцій обробки різанням. Особлива увага в
даних умовах приділяється підвищенню продуктивності операцій механообробки,
що визначають експлуатаційні показники готової продукції. Продуктивність
обробки безпосередньо впливає технологічну собівартість деталі. Підвищуючи
продуктивність процесу, знижують собівартість і тим самим підвищують
конкурентоспроможність продукції. Поряд із такими операціями механообробки як
фрезерування та точіння велике значення має операція свердління отворів.
Свердління є досить поширеним процесом обробки та одним з важливих
процесів в аерокосмічній галузі. Наприклад, під час виготовлення
широкофюзеляжного літака обробляється близько 50 000 отворів [52]. Свердління
часто є однією з останніх операцій, що означає, що воно здійснюється, коли деталь
має високу вартість. Тому економічна вартість усунення дефектів свердління може
бути надмірно високою. Щоб підвищити якість отворів, необхідно вивчення
механізмів та умов, що викликають появу цих дефектів. Велике значення має те,
що продуктивність процесу може бути збільшена за рахунок зменшення
геометричних дефектів у деталях та витратах, пов'язаних з додатковими
операціями, що виправляють дефекти отворів [2].
Модернізація виробництва на низці вітчизняних машинобудівних
підприємств супроводжується впровадженням сучасних високопродуктивних
обробних центрів, які у свою чергу оснащуються сучасним високопродуктивним
різальним та допоміжним інструментом. Високопродуктивний різальний
інструмент, включає високоточні свердла, що дозволяють отримувати отвори з
високим квалітетом (до IT7) і продуктивністю в кілька разів перевищує
продуктивність класичних свердл. Проте ефективне використання сучасних

9
високоточних свердел супроводжується низкою проблем. До основних проблем
відносяться: відмінність вітчизняних та зарубіжних оброблюваних матеріалів та
відсутність технологічних рекомендацій, що враховують особливості конкретної
технологічної системи. Наявний вітчизняний виробничий досвід та існуючі
довідники, нормативи та рекомендації поширюються на класичний тип
виробництва та не застосовні для умов високопродуктивного виробництва [59]. У
результаті інвестиції спрямовані на модернізацію виробництва, не призводять до
запланованого результату.
Вирішення зазначених проблем і, отже, підвищення продуктивності обробки
можливе за рахунок удосконалення існуючих та створення нових методик
призначення режимів обробки деталей, які дозволять покращити якість продукції,
забезпечити високі експлуатаційні показники та знизити час обробки.
Для вирішення цього завдання необхідно знати вплив параметрів обробки на
формування якості поверхні і форми отвору. Також обов'язково повинні
враховуватися вібраційні характеристики різання. Поява вібрацій у багатьох
випадках є основною причиною, що обмежує можливість підвищення режимів
різання та продуктивності праці. Коливання інструменту відносно заготовки
викликають періодичну зміну товщини шару, що зрізається, і сил різання, зміна
величини і характеру навантажень на верстат, що зростають у кілька разів
порівняно зі стійким різанням [36, 59].
Основним напрямом роботи стали дослідження впливу вібраційних
характеристик інструментальних наладок на формування висоти мікронерівностей
поверхні отворів та точність форми, в результаті яких розроблено математичну
модель процесу свердління.
Отримані результати справедливі для технологічної системи, елементи якої
відповідають таким умовам:
1. Ріжучий інструмент – цілісні твердосплавні свердла, ріжуча частина яких
має поле допуску – m7, а циліндричний хвостовик має поле допуску не
вище за h6. Глибина отвору, як правило, становить 2-7 діаметра. Дані
свердла належать до високопродуктивного інструменту [24].

10
2. Верстат – обробний центр з ЧПУ (фрезерний або токарно-фрезерний з
фрезерним шпинделем) та безступінчастим керуванням частотою
обертання шпинделя. Радіальне биття шпинделя, виміряне у
безпосередній близькості до торця шпинделя має перевищувати 0,007 мм;
виміряне на відстань 300 мм від торця не повинно перевищувати 0,015 мм.
3. Закріплення свердла здійснюється у високоточні патрони (термоусадочні,
гідропластові, гідравлічні тощо). Радіальне биття патрона повинно бути в
межах 0,006 мм на частоті обертання понад 10000 об/хв (на вильоті три
діаметри інструменту).
Свердління отворів допускається лише відбалансованими
інструментальними налаштуваннями з допуском відповідно до ISO 1940/1.
4. Система закріплення деталі має бути жорсткою. Закріплення деталі на
столі верстата здійснюється в тисках (гідромеханічних, гідравлічних
тощо) або за допомогою прихватів. Прихвати повинні щільно прилягати
до поверхні деталі. Вібрації деталі при свердлінні отворів відсутні або є
мізерно малими, що не впливають на динаміку процесу свердління.
Використання проведених досліджень дозволить знизити трудомісткість
робіт, спрямованих на розробку рекомендацій щодо призначення режимів різання;
на проектній стадії дозволить визначити раціональні умови обробки, що
забезпечують отримання отворів належної якості поверхні та точної форми.
Спростити технологічний процес отримання точних отворів за рахунок скорочення
кількості використовуваного інструменту.
Виходячи з вищевикладеного, було сформульовано мету роботи: підвищити
продуктивність та якість обробки точних отворів свердлінням для умов сучасного
високотехнологічного виробництва, на основі оцінки динаміки процесу різання.
Досягнення цієї мети можливе після вирішення наступних завдань:
1. Відтворити математичну модель, яка враховує вібраційні характеристики
інструментального налагодження, жорсткість технологічної системи та
геометричні параметри ріжучого інструменту для розрахунку діаграми

11
вібраційної стійкості операції свердління без попереднього
засвердлювання;
2. На основі експериментальних даних чисельно визначити емпіричні
параметри моделі сил різання, що характеризують оброблюваність
високоміцних алюмінієвих сплавів;
3. Провести перевірку моделювання вібраційної стійкості свердління за
допомогою запропонованої методики;
4. Розробити методику, що дозволяє оцінити вплив затискного патрона на
вібраційну стійкість процесу свердління, якість і точність отриманих
отворів;
5. Визначити емпіричну математичну модель залежності точності отворів
від довжини робочої частини спірального свердла;
Об'єктом дослідження є процес отримання точних отворів у деталях з
алюмінієвих сплавів, предметом – підвищення точності і продуктивності процесу
свердління, скоротити кількість використовуваного інструменту у технологічному
процесі обробки циліндричних отворів.

12
Розділ 1. Літературний огляд, постановка мети та завдань дослідження
1.1 Конструктивні особливості деталей, що виготовляються з
алюмінієвих сплавів

Алюмінієві сплави є основним конструкційним матеріалом авіакосмічної
техніки. У конструкціях вітчизняних літаків їх застосовується до 75% загальної
кількості конструкційних матеріалів (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Відсоток використання матеріалів у вітчизняних літаках
Така значна цифра обумовлена великою різноманітністю механічних
властивостей, деякі алюмінієві сплави можна порівняти за міцністю зі сталлю і при
цьому легше за неї в 3 рази.
Алюмінієві сплави володіють високою міцністю, мають хорошу корозійну
стійкість, високий опір повторним навантаженням і володіють малою швидкістю
розвитку втомних тріщин.
Сплави, виготовлені на основі системи Al-Cu, застосовуються для
виготовлення деталей, що працюють при високих температурах і з високими
значеннями коефіцієнта в'язкості руйнування. Сплави, виконані за системою Al-Si-
Mg, Al-Si-Cu, Al-Si, Al-Mg застосовуються в деталях малонавантажених вузлів.
Найбільше застосування отримали сплави з урахуванням традиційної системи Al-
Zn-Mg-Cu. Це високоміцні сплави, які ефективно використовуються в авіаційній
промисловості для виготовлення лонжеронів, балок, стрингерів та інших деталей,
у тому числі для верхніх обшивок крила, що під час експлуатації піддаються впливу
циклічних навантажень при різних температурах. В якості заготовок застосовують
пресовані панелі, вафельні штамповані панелі і гарячекатані плити.

13
Найбільше застосування отримав сплав В95пчТ2 (механічні властивості
представлені у таблиці 1.1), виконаний системою Al-Zn-Mg-Cu. Більшою мірою
цей сплав застосовується у вигляді масивних плит, товщиною понад 70 мм [42]. З
нього виготовляються конструкції літако-, ракето-, суднобудування, що працюють
до температури 125 ° С у вигляді лонжеронів, балок, стрінгерів та інших елементів,
що працюють на стиск.
Таблиця 1.1 – Механічні властивості при розтягуванні та значення в'язкості
руйнування масивних плит

Для типових деталей, що виготовляються з алюмінієвих сплавів, характерна
наявність високих стінок, ребер, глибоких кишень, нежорстких елементів, великої
кількості отворів. Отвори виконуються під штифти, базові, різьбові, болтові та
заклепувальні з'єднання.

а

14

б в

г д
Рисунок 1.2 – Типові деталі, що виконуються з деформованих алюмінієвих
сплавів, що містять точні отвори
З погляду механообробки, обробка алюмінієвих сплавів у порівнянні зі сталлю
характеризується високою швидкістю при рівній стійкості. Внаслідок
порівняльного високого коефіцієнта тертя між алюмінієм і сталлю при низьких
швидкостях різання, навіть при дотриманні кутів різання, що рекомендуються, на
ріжучій кромці інструменту може утворитися наріст, який, крім усього іншого,
значно погіршує якість поверхні [2].
Незважаючи на те, що сучасні технології різання металу значно покращилися,
свердління, як і раніше, залишається одним із поширених процесів для отримання
отворів. Так, рисунку 1.2 представлені деталі, у яких виконується велика кількість
отворів різного призначення.
На рисунку 1.2а представлено переріз деталі («Стінка»), яка містить 69 отворів
діаметром 2,7 мм та 8 отворів діаметром 6,2 мм, при цьому більшість отворів
розташовані на дні кишені, стінки якої досягають 43 мм. У кронштейні,

15
представленому рисунку 1.2б, виконується обробка отворів ϕ10H8 і ϕ17H8. У
деталі (рисунок 1.2д) виконується обробка чотирьох отворів ϕ10H8 та глибиною 14
мм. Відстань від центру отвору до стінки деталі становить 12 мм, тому
використовується свердло довгої серії діаметром 9,8 мм. Для забезпечення вимог,
що висуваються до отворів, використовується циліндрична розгортка діаметром 10
мм.
Більшість отворів, що виконуються, знаходяться в діапазоні від 2,5 до 15 мм.
Глибина отворів часто не перевищує 3 діаметрів. Вимоги до точності 7-8 квалитет.
Шорсткість Ra 1.6 мкм. У той же час конструктивні особливості деталей
накладають обмеження на виліт інструменту і тип затискного патрона. Через високі
бічні стінки і близьке розташування отворів до них використовуються
налагодження з вильотом інструменту, що перевищує глибину свердління більш
ніж в 10 разів.
1.2 Технологічні методи отримання точних отворів у деталях
машинобудівного профілю
В основі розв'язання задачі з обробки отворів лежить ціла низка факторів.
Ефективність технологічної операції визначається якістю поверхні, точністю,
продуктивністю та динамічною стійкістю. Основним критерієм перевірки вірності
вибраного методу обробки та типу ріжучого інструменту є вартість обробки
отвору. Економічні показники процесу мають вирішальне значення у масовому
виробництві. Найменша собівартість забезпечується найбільш продуктивним
процесом обробки. Тому підвищенню ефективності обробки віддають значну роль
у виробництві [57]. Обробка отворів є операцією, що найбільш часто повторюється.
Технологія обробки отворів у деталях літальних апаратів є складним
технологічним завданням, оскільки параметри цих отворів у ряді деталей
визначають їх якісні характеристики. Залежно від вимог до точності та інших
характеристик для утворення та обробки отворів при виготовленні деталей літако-
, ракето- та суднобудування застосовують операції свердління, фрезерування,
розточування, розгортання [68].

16
Основними характеристиками отвору є діаметр та глибина. Саме від цих
параметрів залежить вибір інструменту. Якість і точність поверхні впливають на
вибір режимів різання. Жорсткість технологічної системи, властивості
оброблюваного матеріалу впливають при виборі інструментального матеріалу та
геометрії інструменту.
При виборі інструменту для отримання отворів в суцільному матеріалі
перевагу віддають свердлам. Сучасні спіральні свердла з внутрішнім підведенням
мастильно-охолоджувальної рідини і з використанням відповідних допоміжних
інструментів дозволяють досягати високої якості поверхні з точністю до 8-го
квалітету і Ra=1-2 мкм і, часто відпадає необхідність у подальшій чистовій обробці.
В даний час, для отримання отворів малих та середніх діаметрів, виділяють
три види свердлів [54].
1. Цільні твердосплавні свердла
2. Свердла зі змінними головками
3. Свердла зі змінними пластинами
Цільні твердосплавні спіральні свердла є найбільш складним видом
багатолезового інструменту. Вони мають малі передні кути в центральній частині і
негативні у перемички, які підвищують деформацію стружки, що зрізається, і
збільшують сили тертя. Відсутність допоміжних задніх кутів на стрічках збільшує
сили тертя і негативно впливає на формування поверхні отвору. [7, 16, 30].
Цілісні твердосплавні свердла (рисунок 1.3) виготовляються з
дрібнозернистого твердого сплаву з високою твердістю і міцністю і застосовуються
для отворів діаметрами від 2,95 до 20 мм і глибиною до 7 діаметрів у всіх групах
оброблюваних матеріалів. За стабільних умов обробки точність отворів досягає
IT8-IT9. Подвійний кут у плані рівний 140 градусів і малого розміру перемичка
дозволяє використовувати дані свердла без попереднього засвердлювання. З точки
зору продуктивності, при свердлінні отворів в алюмінієвих сплавах подача на
оборот So призначається до 0,4 мм/об швидкість різання v до 225 м/хв.

17

Рисунок 1.3 – Цільні твердосплавні свердла
Свердла зі змінними головками (рис 1.4), на відміну від цільних
твердосплавних свердлів можуть застосовуватися для свердління отворів у
більшому діапазоні - від 10 до 33 мм. За рахунок жорсткого корпусу, свердло може
працювати з високими подачами (при свердлінні отворів в алюмінієвих сплавах
подача на оборот So призначається до 0,45 мм/об і швидкість різання v до 250 м/хв).
При цьому отвори можуть бути отримані IT9-IT10.

Рисунок 1.4 – Свердло зі змінними головками
Свердла зі змінними пластинами призначені (рисунок 1.5) для свердління
отворів у будь-яких оброблюваних матеріалах. Спеціально розроблена складна
форма центральної пластини дозволяє знизити дисбаланс, за рахунок поступового
врізання в матеріал із зменшеними силами різання та підвищує точність та
продуктивність отворів. Свердла зі змінними пластинами можуть застосовуватися
для обробки отворів діаметрами від 12 до 63,5 мм з точністю IT12. З точки зору
продуктивності, при свердлінні отворів в алюмінієвих сплавах подача на оборот So
становить 0,15 мм/об, при цьому швидкість різання дорівнює 400 м/хв.

Рисунок 1.5 – Свердло із змінними пластинами

18
Також для обробки отворів застосовують цілісні твердосплавні фрези
(рисунок 1.6). Цей тип фрез розроблений для високопродуктивної обробки
більшості матеріалів [39]. Фрези виготовляються у діапазоні від 0,4 до 25 мм.
Використовуючи методи кругової або гвинтової інтерполяції, забезпечують
отримання отворів IT8-IT9.

Рисунок 1.6 - Цільна твердосплавна фреза CoroMill Plura
При круговій інтерполяції (Рисунок 1.7) фреза збільшує діаметр отвору, що
вже існує, рухаючись по колу. Це двоосьова обробка, що головним чином
використовується для збільшення існуючого отвору, чистової обробки, отримання
фаски або для формування дна глухих отворів. Фрезерування з круговою
інтерполяцією полягає у русі інструмента по колу, без будь-якого осьового
переміщення.

Рисунок 1.7 – Формування отвору, що обробляється методом кругової
інтерполяції.
При гвинтовій інтерполяції (рисунок 1.8) фреза формує отвір, рухаючись
гвинтовою траєкторією. Це основний метод одержання отворів фрезеруванням.
Гвинтова інтерполяція – це триосьова обробка, яка формується у поступовому

19
заглибленні фрези у матеріал заготовки при переміщенні її спіральною
траєкторією. Гвинтова інтерполяція також підходить для обробки вже існуючих
отворів або їх виправлення.

Рисунок 1.8 – Формування отвору, що оброблюється методом гвинтової
інтерполяції.
Обробка отвору виконується одним інструментом, як правило, діаметр фрези
в 2 рази менше діаметра отвору, що обробляється.
Відповідно, на відміну від свердління, фрезерування отворів є більш
універсальним видом обробки, відсутня необхідність змінювати інструмент
залежно від діаметра, що обробляється. Однак у процесі розфрезерування основна
складова сил різання спрямована перпендикулярно осі інструменту (при свердлінні
спрямована вздовж осі інструменту), в результаті чого відбувається віджимання
інструменту і знижується точність отвору. На рисунку 1.9 представлений
розрахунок вигину фрези та вигину фрези для обробки отвору діаметром 12 мм та
глибиною 36 мм стандартним інструментальним налагодженням. Згинання
інструменту становить 0,0275 мм, відповідно діаметр отвору, буде більше
необхідного на 0,055 мм.

20

Рисунок 1.9 – Розрахунок вигину фрези
У таблиці 1.2 наведено порівняння різальних інструментів обробки отворів.
Таблиця 1.2 – Порівняльна таблиця різальних інструментів для обробки
круглих отворів
Суцільні Свердла зі Свердла зі Суцільні
твердосплавні змінною змінними твердосплав
свердла твердосплавн твердосплавним ні фрези
ою головкою и пластинами
Оброблювани від 2,5 від 10 від 12 від 0,6
й діаметр, мм
до 20 до 33 до 63
Точність, IT 8 – 9 9 – 10 12 8 – 9
Подача на до 0,45 до 0,2 до 0,15 до 0,07
зуб, Sz
Швидкість до 250 до 250 до 400 до 339
різання, v
Так, найкращим вибором для свердління отворів малих і середніх діаметрів є
цілісні твердосплавні свердла, які нарівні з високою продуктивністю забезпечують
високу якість одержуваної поверхні. Свердла зі змінними твердосплавними
головками та свердла зі змінними пластинами рекомендується використовувати
для отримання отворів середніх та великих діаметрів. Цільні твердосплавні фрези
слід використовувати в тих випадках, коли потрібно отримання отворів великого
діаметра або різних діаметрів на одній деталі.

21
Для обробки попередньо просвердлених отворів з метою підвищення їх
точності та зниження шорсткості застосовують такі операції як зенкерування,
розгортання, розточування.
Точність обробки зенкером знаходиться в межах 8-11 квалітетів, шорсткість
поверхні досягає Ra = 1,25 мкм. [15, 32]. У порівнянні зі спіральним свердлом
зенкер має велику кількість зубів, а, отже, і велику кількість напрямних стрічок, у
зв'язку з чим зменшується розбивка отвору і відведення його осі [55]. Однак сучасні
твердосплавні свердла та фрези дозволяють отримати отвори 8-9 квалітету
(таблиця 1.2), тому необхідність використання зенкерів відпадає.
Для остаточної обробки отворів виконують розгортання отворів. Велика
кількість ріжучих зубів напрямних стрічок розгортки дозволяє отримувати
розгортанням отвору 7-го квалітету точності і шорсткість обробленої поверхні Ra
= 0,16-0,32 мкм. Розгортання характеризується невеликою радіальною глибиною
різання, тому попередні отвори мають бути досить точними. Використання
твердосплавних розгорток з нерівномірним розташуванням зубів дозволяє
отримати отвори з круглістю 1-2 мкм. [15, 16].
Операція розточування використовується для обробки отворів, одержаних на
попередніх операціях. Чистовій обробці отвору з отриманням необхідної точності
та якості поверхні, як правило, передує груба чорнова обробка, що
характеризується великими величинами допусків. Точність оброблених отворів
після розточування відповідає IT9, а в деяких випадках може досягати IT6.
Розрізняють три види розточування: однолезове, багатолезове і ступінчасте.
Багатолезове та ступінчасте розточування застосовуються для чорнових операцій,
де потрібна висока продуктивність, яка досягається за рахунок використання
декількох ріжучих пластин.
1.3 Точність та якість круглих отворів
1.3.1 Геометричні дефекти круглих отворів
Для операції свердління отворів властиве застосування ріжучого та
допоміжного інструменту з відносно низькою жорсткістю [14], що негативно
позначається на якості одержуваної поверхні та супроводжується характерними

22
дефектами (рисунок 1.10). Відповідно до робіт авторів [35, 56,], які займаються
дослідженнями процесу свердління, дефекти поверхні отворів прийнято поділяти
на чотири групи.
До першої групи прийнято відносити похибки поздовжнього перерізу. Такі як
відведення та кривизна осі отвору. Найбільший вплив на відведення і
непрямолінійність осі надають: поперечні коливання інструменту, нерівномірності
припуску, що знімається і різнотвердості оброблюваного матеріалу деталі.
Також до першої групи відносять такий дефект отворів як некруглість, яка
виникає внаслідок різнотвердості матеріалу, що обробляється.
До другої групи відносяться дефекти, що утворюються в поперечному перерізі
- огранка. Огранка є вібраційним слідом, утвореним на поверхні заготовки з числом
граней, що іноді змінюється по довжині отвору, а вершини багатогранника при
цьому часто розташовуються по гвинтовій лінії. Причина виникнення огранювання
пов'язана із збігом власних частот згинальних коливань інструменту з деякими з
частот обертання шпинделя. Огранювання утворюється при поперечних
коливаннях інструменту з частотою, близькою до частоти обертання інструменту.
При цьому на утворення огранювання впливають: частота власних коливань
інструменту, що змінюється в міру обробки отвору, оскільки змінюється взаємне
розташування опор по довжині інструменту, конструктивні параметри
інструменту, похибки налаштування технологічної системи [20].

23
Рисунок 1.10 – Дефекти отворів: а – відведення осі; б – кривизна осі отвору; в
– конусність; г – бочкоподібність; д - овальність; е – огранювання
Також вібраційна складова процесу свердління позначається і на торцевій
поверхні отвору (рисунок 1.11)

Рисунок 1.11 – Оброблена поверхня дна отвору: а – без видимих наслідків
вібрацій при вібраційно–стійкому різанні; b – «сонячний візерунок» внаслідок
появи крутильно-осьових коливань; с – «тригранка», викликана вихровими
вібраціями; d – поверхня, отримана в результаті крутильно-осьових коливань та
вихрових вібрацій
До третьої групи дефектів відносяться конусність та бочкоподібність отворів.
На утворення конусності впливає знос базових напрямних свердл, або їх
калібруючих периферійних кромок. Причиною бочкоподібності є неправильне
заточування свердла, коли складова сили різання, що діє на ріжучі кромки свердла
перпендикулярно його осі, спрямована від осі до периферії в напрямку
калібруючих кромок.
Четверта група дефектів включає дефекти, що виникають внаслідок поганого
стану напрямних у свердл, зносу периферійних кромок або при виведенні
інструменту з отвору, заклинюванні стружки - надири, підвищена шорсткість,
подряпини.
1.3.2 Вплив технологічних факторів на якість обробленої поверхні та
форму отвору
Якість поверхні отвору характеризується властивостями поверхневого шару,
що формуються у процесі обробки різальними інструментами. І визначається

24
такими геометричними показниками як шорсткість, хвилястість та відхилення
форми.
Причини утворення шорсткості поверхні отвору можна розділити на дві групи:
1. виникнення пружної та пластичної деформації оброблюваного матеріалу;
2. виникнення автоколивань у технологічній системі [37, 17].
На мікрогеометрію обробленої поверхні впливає шорсткість допоміжних
ріжучих кромок (стрічок), яка копіюється на бокових сторонах нерівностей. Поява
зносу на ріжучих кромках веде до збільшення сил тертя об задню поверхню та
адгезійним руйнуванням, що знижують якість поверхні. Схоплювання
оброблюваного матеріалу з матеріалом інструменту призводить до утворення
передньої поверхні наросту. Міцність наросту та сильна адгезія до поверхні
інструменту дозволяють йому брати участь у процесі різання. Збільшуючись у
розмірах до деякого критичного значення, наріст частково руйнується, після чого
процес утворення відновлюється [23]. Відділення стружки від заготовки
супроводжується значними пружними деформаціями. Внаслідок того, що вершина
ріжучої кромки має радіусну форму, початок фронту руйнування металу лежить не
в точці a, а в точці b (рис. 1.12).

Рисунок 1.12 – Схема утворення наклепаного шару під час різання
Метал області 1 «протягується» під радіусною частиною ріжучого
інструменту, а області 2 – пружно деформується. Деформації та руйнування металу
в області «а – с» супроводжуються значним підвищенням температури та
утворенням ювенільних, вільних від оксидних плівок поверхонь. У таких умовах

25
можливе схоплювання поверхонь інструменту та оброблюваного матеріалу та
виривом останнього.
На якість поверхні при свердлінні значною мірою впливає підведення
мастильно-охолоджувальної рідини в зону різання. При використанні свердл без
внутрішнього підведення ЗОР у міру заглиблення інструменту в матеріал -
матеріал, що зрізається не встигає видалитися по стружкових канавках,
відбувається спресування стружки, яка обертаючись разом з інструментом, робить
внесок у формування мікронерівностей.
Вплив автоколивань на параметри хвилястості та шорсткості досліджувалися
у роботах [9, 28, 30, 32, 55]. Автори відзначають, що збільшення амплітуд
автоколивань пропорційно погіршує параметри шорсткості, зростає висота
хвилястості. На рисунку 1.13, згідно з експериментальними даними, видно, що
залежності висоти хвилястості від амплітуд автоколивань являють собою майже
прямі лінії, що проходять через початок координат, що підтверджує пряму
пропорційність.

Рисунок 1.13 – Графіки залежності а – залежність висоти хвилястості від
амплітуди автоколивань; б – залежність висоти мікронерівностей від амплітуди
автоколивань: 1 – сталі 08Х15Н5Д2Т; 2 – сталі 12Х18Н9Т; 3 – титанового сплаву
ВТ9 (1 – 3 – за f = 140÷190 Гц); 4 - сталі 08Х15Н5Д2Т (при f = 500÷600 Гц)
Параметри висоти мікронерівностей теж залежать від амплітуди
автоколивань. Ця залежність простежується менш чітко, проте загальна тенденція
погіршення параметрів шорсткості із збільшенням амплітуди коливань
простежується [54].

26
Значний вплив на шорсткість поверхні мають режими різання (швидкість,
подача) [18]. Дослідження показали, що зі збільшенням швидкості різання
відбувається зменшення мікронерівності в сплавах на основі алюмінію [29]. У
сталевих заготовках, навпаки, відбувається збільшення мікронерівності. Такий
вплив швидкості різання на висоту мікронерівностей при свердлінні отворів
пов'язано з характером протікання процесу наростоутворення, а також появою
рисок, які залишає стружка, що рухається.
Результати експериментальних досліджень впливу подачі інструменту на
висоту мікронерівностей показали, що збільшення подачі призводить до
погіршення чистоти поверхні.
Багатофакторні експериментальні дослідження впливу елементів режиму
різання на похибку поздовжнього перерізу оброблених отворів показали, що
похибка форми поздовжнього перерізу отвору зростає при збільшенні глибини
різання і швидкості поздовжньої подачі, що пояснюється зростанням сили і
моменту різання, які призводять до збільшення пружних деформацій технологічної
системи [46 ], а, отже, зростання геометричних похибок обробленої поверхні.
1.4 Методи призначення режимів різання та шляхи їх оптимізації
Ряд авторів, що займаються механообробкою, виділяють кілька методів
призначення режимів різання для обробки отворів [6, 10, 21, 24, 32, 38]:
1. Табличний
2. Аналітичний
3. Використання каталогів виробників інструменту
4. Програмний
Вітчизняна практика механообробки накопичила великий обсяг нормативно-
довідкового матеріалу, за допомогою якого можна призначити режими різання
будь-якого виду механообробки. Табличний метод дуже об'ємний і вимагає аналізу
великої кількості довідкової літератури. Для призначення режиму різання потрібно
знати:
• фізико-механічні характеристики матеріалу, що обробляється;
• припуск на обробку, матеріал та геометрію різальної частини інструменту;

27
• допуск на розмір та форму;
• необхідну шорсткість;
• розміри різального інструмента;
Використання табличного методу не гарантує відповідність готової деталі
кресленню та заявленим точнісним та якісним вимогам.
Аналітичний метод використовує подібну послідовність вибору режиму
різання, що і табличний з використанням емпіричних рівнянь Тейлора, отриманих
в результаті однофакторного почергового експерименту. Мінусом даних формул є
те, що в результаті однофакторного експерименту неможливо оцінити вплив
змінних параметрів один на одного. Ступіньні коефіцієнти в рівняннях Тейлора є
змінними параметрами, що залежать від умов обробки, які при різному поєднанні
аналізованих параметрів можуть змінюватися більш ніж у 5 разів. Таким чином,
даний метод вибору режимів різання не забезпечить вимоги до готової деталі.
В даний час у вітчизняній та світовій практиці механообробки велику
популярність набув метод призначення режимів різання з використанням каталогів
виробника інструменту (табл. 1.3 - 1.5) [28].
Таблиця 1.3 - Дані каталогу Sandvik Coromant для призначення режимів
різання

Як показав досвід використання цього методу, призначення режимів різання
для обробки вітчизняних матеріалів не дозволяє досягти технічно обґрунтованих
значень продуктивності та зниження трудомісткості [57, 59]. Параметри обробки в
каталозі вказані з великим розкидом. Наприклад, для отримання отвору свердлом
твердосплавним діаметром 9 мм в алюмінієвому сплаві N1.3. C.UT (аналог
В95пчТ2), швидкість різання повинна становити від 140 до 230 м/хв., подача

28
свердла від 0,2 до 0,4 мм/об. Такі дані не дозволяють призначити параметри
обробки, за яких гарантовано буде отримано отвір необхідної якості.
Таблиця 1.4 - Дані каталогу Walter для призначення режимів різання

Таблиця 1.5 - Дані каталогу KARLOY (Південна Корея) для призначення
режимів різання

При використанні таких каталогів технолог, на підставі необхідних умов
обробки, визначає марку інструменту, в даному випадку свердла. Після чого,
використовуючи довідкову літературу, визначається зарубіжний аналог
оброблюваного матеріалу, так як каталоги розроблені для призначення режимів
різання при обробці різальними інструментами зарубіжних матеріалів та сплавів та
пошук параметрів режимів за маркою вітчизняного матеріалу не є можливим.

29
Програмний метод визначення режимів різання полягає у використанні
спеціальних програмних продуктів (рисунок 1.14 - 1.15), в основі яких лежить
нормативний довідковий матеріал, що використовується в табличному методі
розрахунку та розрахункові формули, що застосовуються в аналітичному методі
визначення режиму різання. Даний метод дозволяє вибирати режими різання,
враховуючи параметри, що пред'являються, що характеризують поверхневий шар,
точність обробки, з метою забезпечення необхідних експлуатаційних
характеристик.

Рисунок 1.14 – Інтерфейс програми ToolGuide для розрахунку режимів різання

Рисунок 1.15 – Інтерфейс програми Dormer Selector для розрахунку режимів
різання

30
Однак часто вибрані режими різання не гарантують отримання обробленої
деталі із заданою точністю. Так при призначенні режимів різання не враховується
стан технологічної системи, закріплення заготовки, жорсткість і довжина
інструментальних налагодок. Внаслідок чого, при обробці, часто виникають
вібрації, які негативно позначаються на поверхні і стійкості інструменту. Щоб
уникнути зазначених проблем та забезпечити задану точність та якість поверхні
різання занижують, при цьому знижується продуктивність ріжучого інструменту та
зростають економічні витрати.
Аналіз світової практики в галузі механообробки показав, що призначення
режимів різання за критерієм максимальної продуктивності для конкретної
технологічної системи та з урахуванням економічно прийнятної стійкості
інструменту є найефективнішим. Рекомендації виробників щодо вибору
інструменту та призначення режимів різання не дозволяють вирішити зазначені
проблеми. Розглянуті методики призначення режимів різання не в змозі
забезпечити максимальну продуктивність разом із необхідною точністю та якістю
поверхні. Це пов'язано з тим, що вони не враховують особливості більшості
елементів технологічної системи. Насамперед слід відзначити верстат, на якому
виконується обробка та матеріал оброблюваної деталі. Вибір періоду стійкості без
урахування параметрів коливань інструменту не враховує впливу змінного
характеру режимів різання на інтенсивність зносу різальних елементів спірального
свердла. Це може призвести до передчасної втрати працездатності ріжучого
інструменту у разі інтенсивного зношування елемента, що лімітує стійкість
спірального свердла [47, 51].
Огляд міжнародної літератури показав, що на сьогоднішній день існує велика
кількість методик, спрямованих на оптимізацію режимів різання при обробці
отворів свердлінням. Сформульовано чотири критерії, які мають забезпечувати
оптимальний режим різання:
1) найменшу собівартість обробки;
2) найбільшу продуктивність операції;
3) якість обробленої поверхні відповідно до вимог креслення;

31
4) точність розмірів оброблених поверхонь відповідно до вимог креслення
деталі;
Для вирішення проблем оптимізації процесів механообробки нині успішно
застосовують методи математичного моделювання [39]. В даний час поширені
кілька різних підходів у галузі моделювання різання.
Метод ліній ковзання широко використовується для таких операцій як
впровадження клина або зняття стружки [40]. Метод зрештою виражається у
побудові полів ліній ковзання та використання їх властивостей [19]. При
використанні методу ліній ковзання необхідно знати умову на поверхні контакту
між металом та інструментом. Однак рішення, отримані цим методом, не здатні
якісно описати перебіг процесу.
Також низка авторів використовують чисельні методи, побудовані на
варіаційних принципах Лагранжа та Журдена. Варіаційні принципи ґрунтуються
на ознаках, що відрізняють один рух від класу інших рухів, і призводять до
знаходження екстремумів деяких функцій, що залежать від координат та
швидкостей. Досить докладно наближені методи вирішення крайових завдань
механіки деформованого твердого тіла описані в роботах [12, 33, 43, 47].
Вихідним пунктом наближеного рішення крайової задачі є апроксимація
суцільною кінцевою дискретною моделлю [12]. Останніми роками широке
застосування на вирішення крайових завдань отримав метод кінцевих елементів
[42]. Метод кінцевих елементів заснований на ідеї апроксимації безперервної
функції дискретною моделлю, яка будується на безлічі кусково-безперервних
функцій, визначених на кінцевій кількості підобластей, які називають кінцевими
елементами [13, 31, 44, 63].
У той же час існує велика кількість програмних комплексів, в основі яких
лежить метод кінцевих елементів. Як універсальні ANSYS, ABAQUS, LS-DYNA,
так і спеціалізовані в галузі механічної обробки – DEFORM, ADVENTEDGE.
Кожен із розглянутих продуктів різною мірою справляється з поставленим
завданням [5].

32
ANSYS Workbench (рисунок 1.16) є інтегруючим середовищем та програмною
платформою для розробки програмних продуктів ANSYS. ANSYS Workbench
також використовується для адаптації існуючих розрахункових комплексів. Ця
програмна платформа дозволяє об'єднати графічний інтерфейс програм, а також
забезпечити роботу з базами даних цих програмних продуктів у рамках одного
проекту. ANSYS Workbench включає кілька спеціалізованих модулів для роботи з
геометрією, генерацію розрахункової сітки, розв'язання задач оптимізації. Крім
використання власних модулів для створення геометрії, є можливість
завантажувати файли, створені в CAD програмах.

Рисунок 1.16 – Інтерфейс програми ANSYS Workbench
ANSYS Workbench крім стандартної бази матеріалів має гнучку систему
завдання властивостей матеріалів. Це дозволяє створювати різноманітні матеріали
з різними видами властивостей.
ABAQUS (рисунок 1.17) також як і ANSYS Workbench дозволяє
використовувати геометричну модель, створену в сторонньому CAD продукті. В
ABAQUS реалізовано програмний модуль, який дозволяє створювати матеріали з
різними властивостями. Для оптимізації процесів механообробки ABAQUS
необхідно створювати геометричну модель за допомогою інструмента
параметризації. Параметризація геометричної моделі різних типів інструментів та

33
заготовок дозволить значно спростити проектування процесів технологічної
підготовки виробництва [19].

Рисунок 1.17 – Інтерфейс програми ABAQUS
Особливістю LS-DYNA є те, що у цій системі немає бібліотеки матеріалів.
Натомість, існує можливість вибору типу матеріалу із заданими параметрами з
понад 260 типів. Це дозволяє створювати моделі матеріалів із мінімумом відомих
параметрів, такими як щільність, плинність, модуль Юнга [31].
LSDYNA має можливість аналізу процесу механообробки без побудови сітки
кінцевих елементів. Для цього використовується метод згладжених частинок (SPH)
– цей метод скорочує повний час на обчислення процесу порівняно з часом, що
витрачається в інших системах CAE. Метод SPH працює з використанням
розподілу об'єкта на дискретні елементи, які називають частинками. Ці частинки
мають просторові розміри відстані, на яких їх властивості згладжуються, тому
будь-яка фізична величина частки може бути отримана шляхом підсумовування
відповідних величин всіх частинок, що знаходяться в межах двох згладжених
довжин [19].
DEFORM 3D (рисунок 1.18) має вбудований модуль, що дозволяє спростити
завдання початкових та граничних умов під час моделювання процесів обробки
різанням [19]. Або завантажити геометричну модель, створену в спеціалізованому
САD продукті. У DEFORM 3D присутній модуль, що дозволяє змоделювати

34
багатоопераційну обробку, тим самим знизити час, що витрачається на
моделювання.

Рисунок 1.18 – Завдання геометрії свердла у програмному комплексі Deform
3D
ADVANTEDGE є спеціалізованою програмою, розробленою спеціально для
моделювання процесів механообробки. У програмі реалізовано модуль, що
дозволяє створювати інструмент, задаючи його геометричні параметри (рис. 1.19).
Дана програма дозволяє провести аналіз температури і напружень, змоделювати
сили різання і крутний момент. Також можна оптимізувати параметри різання. До
мінусів програми слід віднести неможливість заповнення існуючої бази матеріалів
власними матеріалами.

Рисунок 1.19 – Задання геометрії свердла у програмному комплексі
ADVANTEDGE

35
Спеціалізовані програмні продукти DEFORM та ADVANTEDGE дозволяють
отримувати фізичні величини, що визначають ефективність процесу різання. До
таких показників відносяться сили різання (при осьовій обробці - осьова сила і
крутний момент), температура в зоні різання, залишкові напруження в заготовці,
кількісні характеристики пластичної деформації (наприклад, коефіцієнт усадки
стружки). Для оптимізації процесів механообробки необхідно провести залежності
між величинами, що характеризують ефективність різання (стійкість інструменту,
якість та шорсткість поверхні деталі), та початковими технологічними умовами.
Дані програмні комплекси дозволяють змоделювати процес різання, однак
результати розрахунків не є універсальними і не можуть охопити весь інтервал
режимів різання при механічній обробці [19, 51]. Однією з причин розбіжності
результатів математичної моделі та експериментальної є те, що при розрахунку
задається стандартизований матеріал з бази програмного комплексу, який часто не
відповідає реальному матеріалу, що обробляється, або матеріал задається з
мінімальним набором фізичних характеристик.
Існують спеціальні апаратно-програмні комплекси для моделювання процесів
механообробки, такі як CutPro/ShopPro. Комплекс CutPro дозволяє розраховувати
області вібраційно-стійкого різання, ґрунтуючись на деформаційній моделі
різання. На відміну від більшості розглянутих вище підходів, він досить повно
враховує фізичні процеси в зоні різання для кожного конкретного металу, що
підтверджується результатами експериментів. Вхідними даними є вібраційні
характеристики інструментальної наладки, геометрія інструменту, матеріал
інструменту і оброблюваний матеріал. База оброблюваних матеріалів CutPro
включає лише зарубіжні сплави. Але вона може бути доповнена іншими металами,
параметри, різання яких визначають практичним шляхом.
Істотним недоліком даного програмного забезпечення є те, що модуль
розрахунку режимів різання для операції свердління обчислює режими різання
тільки для попередньо просвердлених отворів. Використання даного модуля при
обробці отворів цільним твердосплавним свердлом не вимагає попереднього
центрування - є недоцільним і не може забезпечити максимальної продуктивності.

36
Також недоліком програми є використання обмеженої кількості геометрій
інструменту. Внаслідок чого є неможливим розрахунок режимів різання для свердл
зі змінними пластинами, ступінчастих свердел. Що стосується модуля
фрезерування, то там теж існують обмеження, так неможливо зробити розрахунок
для дискових і Т-подібних фрез, які є типовими при виготовленні деталей
авіаційної промисловості. Опис процесу фрезерування є також обмеженим – є
можливість вибрати тільки напрямок фрезерування (попутний/зустрічний) та
ширину фрезерування.
Проводити моделювання практично без обмежень дозволяють мови
програмування високого рівня, такі як C++, Delphi та Java. Але процес
моделювання з допомогою є досить трудомістким. Якщо точно відомі всі
функціональні залежності в моделі, що моделюється, і кількісні характеристики
складової моделі, то доцільно використовувати програмний продукт Matlab [55],
який містить велику бібліотеку математичних функцій, що, у свою чергу, полегшує
роботу програміста. У цьому випадку необхідно враховувати параметри різання
(кут зрізу, коефіцієнт тертя, напруження зсуву). Ці параметри залежать від
механічних властивостей оброблюваного матеріалу, геометрії ріжучої кромки,
швидкості різання та подачі. В останніх випадках необхідний такий математичний
опис параметрів різання, який у подальшому можна зручно використовувати при
побудові алгоритмів та написанні програм на вказаних вище мовах програмування.
Також параметри різання повинні бути отримані шляхом проведення дослідних
робіт з прийнятною трудомісткістю. Одним з варіантів є емпіричні параметри
моделі сил різання [35, 50, 51, 56].
Висновок до розділу 1
У результаті представленого оглядового аналізу наукової літератури відносно
стану питання - слід зробити такі висновки:
1. Узагальнення результатів робіт, присвячених вивченню процесу обробки
отворів, дозволило зробити висновок, що для отримання точних отворів найбільш
ефективним різальним інструментом є твердосплавне спіральне свердло.

37
2. Формування поверхні отвору в результаті свердління є складним процесом,
що визначається геометричними параметрами інструменту, вібраційними
характеристиками різання, параметрами обробки, деформаційними процесами, що
протікають в зоні стружкоутворення. У зв'язку з цим основним методом вивчення
висоти мікронерівностей та точності форми отвору є експериментальний.
3. Часто свердління є однією з останніх операцій, коли деталь має високу
додаткову вартість. Економічна вартість усунення дефектів свердління може бути
надмірно високою.
4. Продуктивність процесу може бути збільшена за рахунок зменшення
геометричних дефектів у деталях та витратах, пов'язаних з додатковими
операціями, що виправляють дефекти отворів.
5. Підвищення ефективності обробки можливе за рахунок удосконалення
існуючих та створення нових методик призначення режимів обробки деталей, які
дозволять покращити якість продукції, забезпечити високі експлуатаційні
показники та знизити час обробки.
6. Аналіз методик призначення режимів різання показав, що вони є
недостатньо ефективними для забезпечення заданої точності та якості поверхні
отвору. Також вони не враховують повною мірою геометричні параметри
інструменту, оброблюваний матеріал, і вплив технологічної системи на процес
різання.

38
Розділ 2. Математичне моделювання вібраційної стійкості операції
свердління отворів
2.1 Аналітичний розрахунок даних для побудови діаграми вібраційної
стійкості операції свердління
Аналіз робіт, присвячених дослідженням стійкості процесу різання [25, 36, 41,
71, 73], дозволив зробити висновок, що вхідними параметрами, при побудові
діаграми вібраційної стійкості операції свердління, є, форма різальної частини
спірального свердла, емпіричні параметри моделі сил різання, що характеризують
оброблюваність матеріалу та вібраційні параметри технологічної системи.
Форму різальної частини свердла дозволяють описати рівняння алгебри
(поліномінальні). Для чого використовується класична схема поділу ріжучих
кромок на кінцеве число елементів [48].
У загальному вигляді рівняння форм ріжучих кромок спірального свердла
записуються як

де n-ступінь полінома, zi - номер ріжучої кромки.
Товщина стружки, що знімається a без урахування динаміки і форми ріжучої
кромки спірального свердла визначається, як a=Sz∙sin(2φ).
Миттєва товщина стружки, що знімається однією ріжучою кромкою, буде
визначатися, як
a=Sz∙sin(2φ) +y(t-T)-y(t),
де y(t) – поточна вібрація, y(t-T) – вібрація одним обертом раніше.
Тангенціальний, радіальний і осьовий компоненти сили різання є сумою сили
зсуву і сили, що діє на кромку [75]:

39
До того ж, у радіальному та тангенціальному напрямках виникають сили
технологічного демпфування, еквівалентні в'язкому демпферу та коефіцієнту
тертя, помноженими на швидкість вібрацій відповідно.
Тому компоненти сил різання можна подати у вигляді:

де Sпік – максимальне зміщення точки на ріжучій кромці від вихідного
положення, ω – частота коливань, ∆b – диференціальна ширина стружки,
dA– середня товщина стружки, що знімається передньою поверхнею свердла,
що визначається як dA=∆ba/
Виконавши відповідні підстановки та перетворення, отримаємо таку систему
рівнянь:

Помноживши отримане рівняння на матрицю повороту системи координат
навколо осі Х отримаємо наступне рівняння:

У загальному вигляді сили різання будуть представлені як

40
Ґрунтуючись на положеннях, розглянутих у роботах [43, 49] розглянемо
поведінку системи при свердлінні, враховуючи нелінійну залежність сили різання
від швидкості та умова, що коливальна система має один ступінь свободи за
координатою Z та один ступінь свободи за координатою Y. Так як жорсткість
свердла в осьовому напрямку більше, ніж у радіальному, то вважатимемо свердло
абсолютно жорстким у напрямку X. Використовуючи розрахункову схему,
представлену на рисунку 2.1, складемо диференціальні рівняння для системи, що
розглядається.

Рисунок 2.1 – а) розрахункова схема; б) схема свердління отвору
Диференціальні рівняння руху системи мають вигляд

де

де {y} – зовнішнє збурювання

41

де

Рівняння обурення набуде наступного вигляду

Таким чином, якщо y зростає, то рішення «нестійке»;
якщо y зменшується, то рішення «стійке»
При розгляді процесу свердління матриця [A(t)] буде постійною. Розглянемо
квадратичну модель тертя:

причому

де

тоді

Підставивши вираз (2.8) у вираз (2.7) отримаємо

де

42

Будемо вважати що

тоді

Знайдемо корені рівняння (2.12)

Якщо
Reλ ˃ 0, тоді рішення z0 – нестійке;
Reλ ˂ 0, тоді рішення z0 – стійке;
Reλ = 0, неможливо говорити про стійкість
Після чого, використовуючи метод Релея, визначимо межі стійкості як умову
існування періодичного рішення y.
Система стійка, якщо

Система не стійка, якщо

де

Тоді рівняння (2.12) набуде вигляду

де

43

де N=1, 2, 3…

або

Враховуючи що

вираз (2.15) набуде вигляду

Після чого будуємо діаграму стійкості згідно з наступним алгоритмом:
1. Задаємо число значень N (N = 1, 2, 3 ...);
2. З передавальної функції системи визначаємо частоту ωc, що знаходиться
поряд з домінуючою модою;

44
3. Проводимо відповідні розрахунки за формулами (2.14) та (2.16);
4. Повторюємо пункт 3 для обчислення всіх значень;
5. Повторюємо пункти 2, 3, 4 для всіх значень N;
6. Після чого повторюємо вищевказаний алгоритм для частот c навколо всіх
домінуючих мод структури.
2.2 Дослідження сил різання при свердлінні
2.2.1 Визначення емпіричного параметра демпфування
оброблюваного матеріалу
У цьому розділі розглядається визначення коефіцієнтів лінійної моделі сил
різання та визначення коефіцієнтів демпфування процесу різання алюмінієвого
сплаву В95пчТ2. Для експериментального визначення коефіцієнтів при різних
параметрах технологічного процесу (таблиця 2.1) застосовується
динамометричний комплекс Kistler 9129AA (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Динамометричний комплекс Kistler 9129AA встановлений у
револьверну головку токарного верстата
Kistler 9129AA являє собою динамометр, що складається з чотирьох
трикомпонентних датчиків сили, які герметично встановлені між двома опорними
поверхнями. Кожен із датчиків сили містить три кристалічних диски, один з яких
чутливий до тиску в напрямку Y, а два інших у напрямках X і Z. Вимірювані
сигнали через 9-й полюсний штекер надходять у підсилювач, а потім блок АЦП.
Після чого посилені та перетворені сигнали обробляються у програмному
комплексі DynoWare.

45
Параметри експерименту визначення коефіцієнтів моделі сили різання
представлені у таблиці 2.1.
Таблиця 2.1 – Параметри експерименту визначення коефіцієнтів моделі сили
різання
Верстат Токарний верстат NEF400
Інструмент Різець прохідний упорний
Тип заготовки Труба
Оброблюваний матеріал В95пчТ2
Товщина стінки труби 3 мм
Тип різання Вільне прямокутнє різання
Динамометр Kistler 9129AA
У шпиндель верстата встановлюється труба із алюмінієвого сплаву В95пчТ2
(рисунок 2.3). Труба виготовляється із гарячекатаної плити даного сплаву, яка є
заготовкою для виготовлення реальних деталей. Експеримент полягає у вимірі сил
різання в результаті вільного прямокутного різання труби [97, 98, 99]. Графіки
зміни сил різання у часі записуються при обробці прохідним упорним різцем з
переднім кутом γ від -10 ° до 10 °, з кроком 2 °. (При кожному різі передній кут
різця переточується, інші кути залишаються постійними і рівні значенням, поданим
у таблиці 2.2).

Рисунок 2.3 – Налагодження верстата для визначення коефіцієнтів сил
різання
Таблиця 2.2 - Геометричні параметри різця
Передній кут ° °
–10 …10
Задній кут °
8
Кут нахилу головної різальної кромки °
0
Головний кут в плані °
90

46
Швидкість різання при проведенні експерименту не змінюється і є постійною
2000 об/хв. (∽238 м/хв.), подача змінюється від 0,1 мм/об до 0,2 мм/об з кроком
0,05. Товщина стружки, що знімається в результаті кожного різу вимірюється за
допомогою інструментального мікроскопа.
Графіки залежності сил різання внаслідок вільного прямокутного різання
залежно від подачі інструмента представлені рисунку 2.4.
а)

б)

в)

Рисунок 2.4 – Графіки залежності сил різання від подачі інструменту для різця
з переднім кутом γ: а) Sn=0,10 мм/об., б) Sn=0,15 мм/об., в) Sn=0,20 мм/об. .
Відповідно до теорії Мерчанта [25], заснованої на моделі з однією площиною
зсуву, і роботах [3] аналітично сили різання можна представити у вигляді рівнянь
(2.17) та (2.18) які обчислюються при відомих дотичній напрузі, куту тертя та куту

47
зсуву. Кут зсуву є характеристикою процесу різання, яка встановлює напрямок
деформації та визначається відповідно до рівняння (2.19).

де ac - товщина зрізу, bc - ширина зрізу, τs- дотичні напруження в площині
зсуву, рівномірно розподілені по площині; φС- кут зсуву; γп– передній кут різця, βа
– кут між результуючою силою та перпендикуляром до передньої поверхні, також
цей кут можна представити як кут тертя між інструментом та стружкою.
Так як визначення кута тертя та кута зсуву викликає певні труднощі, тому ці
параметри були об'єднані в один коефіцієнт, який називається питомим тиском
різання K. Після чого автори робіт виразили сили різання в експоненційній
залежності від товщини стружки . Таким чином, рівняння (2.17) та (2.18)
записуються у вигляді (2.20) та (2.21).

Де Kz і Ky питомий тиск різання в тангенціальному напрямку та в осьовому
відповідно, Ka – коефіцієнт потовщення стружки,lc – довжина зрізу, p та q – сталі
сил різання, що визначаються експериментально на різних подачах інструменту
Лінеаризуючи рівняння (2.21) та (2.21), рівняння сил різання записуються у
вигляді (2.22) та (2.23) .

Ця лінійна модель сил різання з крайовими коефіцієнтами. Її перевагою є те,
що вона сумісна з іншими процесами моделі, тобто вона містить емпіричні

48
параметри різання, що використовуються для вирішення диференціальних рівнянь.
За допомогою нелінійної моделі коефіцієнтів диференціальні рівняння стійкості
будуть нелінійними.
На підставі розглянутої лінійної моделі сили різання можна записати так:

З чого випливають залежності

де Kzc, Kxc - Емпіричні параметри моделі сил різання; Kze, KXE - Емпіричні
параметри сил контакту.
Використовуючи сили різання, отримані в результаті вільного прямокутного
точsння, будуються графіки залежності сил різання від величини подачі в осьовому
та тангенційному напрямі (рисунок 2.5).
Побудовані графіки є лініям тренду, розраховані за методом найменших
квадратів за такою формулою:
y=Azx+Bz,
де AZ-нахил, BZ-зміщення, bс-ширина зрізу.

Рисунок 2.5 – Середні значення сил різання, виміряні при прямокутному
точенні

49
Для визначення кута зсуву використовується метод, заснований на
нерозривності матеріалу, що обробляється і стружки, описаний в роботі.

Рисунок 2.6 – Схема для виведення співвідношення між кутом зсуву,
товщиною стружки та швидкостями
Оскільки довжина стружки невідома, то для її визначення використовується
зважування стружки. Виходячи з того, що маса стружки m дорівнює
m=ρlcbcac=ρlba
тоді

де

де l і a – довжина та товщина стружки відповідно
Якщо прийняти, що оброблюваний матеріал, не стискаємо і бічні переміщення
відсутні, то

відповідно

або

50

Відносне напруження в площині зсуву виходить із рівняння

де fs - площа площини зсуву; fs=ba/sinφc
Зсувна сила Ps знаходиться згідно з рівнянням

або

де P – результуюча сила.

Кут тертя βа знаходиться з рівняння коефіцієнта тертя ковзання (2.33), який
визначається як відношення сили у напрямку ковзання до сили, спрямованої
нормально до поверхні ковзання.

отже, кут зсуву знаходиться з рівняння (2.18)

Таким чином, виходячи з рисунка 2.4 та рівнянь (2.26), (2.27), (2.30), (2.31),
(2.34) знаходяться параметри різання, які вказані в таблиці 2.3.
Параметри алюмінієвого сплаву В95пчТ2 отримані при прямокутному точінні;
коефіцієнт тангенціальної сили різання Kze=27,44 Н/мм, коефіцієнт осьової сили
різання Kxe=57,83 Н/мм.
Таблиця 2.3 - Експериментальні дані

51
Тов- Кут
Ось Кут
№ Пода- Тангенціаль- щина тертя Напружен
ова P , P , зсуву
п/ ча, на сила, P , Н zc xc
z струж , ня зсуву
сила, Н Н φ ,
п мм/об ки a, град , МПа
Px, Н град
мм
1 0,100 300 209 218 36 0,555 31,2 19,3 289,7
2 0,150 410 232 328 59 0,576 32,3 20,1 291,7
3 0,200 518 246 436 73 0,689 37,7 19,5 306,1
Так як при визначенні коефіцієнтів сил різання спочатку вважається
інструмент ідеально загостреним, то в іншому випадку наявність радіального
заокруглення ріжучої кромки з радіусом, порівнянним з подачею, починає
переважати процес видавлювання, а не різання. При тривалій обробці внаслідок
зношування інструменту по задній поверхні формули розрахунку сил різання не
точні, тому що не враховують внесок сил взаємодії по задній грані для зношеного
інструменту.
У зв'язку з цим необхідно отримати емпіричні параметри демпфування
матеріалу, які враховують радіус закруглення різальної кромки та задній кут. Для
розрахунку коефіцієнтів проводяться експериментальні дослідження.
Таблиця 2.4 – Параметри експерименту визначення коефіцієнтів демпфування
алюмінієвого сплаву В95пчТ2
Верстат Токарний верстат NEF400
Інструмент Різець зі змінною багатогранною пластиною
DCGT 11 T3 04–UM H13A
Тип заготовки Труба
Оброблюваний матеріал В95пчТ2
Товщина стінки труби 3 мм
Тип різання Вільне прямокутне різання
Акселерометр (1) 3225F1
Акселерометр (2) 3035BG
Процес визначення коефіцієнтів демпфування для алюмінієвого сплаву
В95пчТ2 полягає у вимірі прискорення у двох точках на різці у напрямку подачі.
Таблиця 2.5 - Геометричні параметри різця

52
Передній кут °
5
Задній кут °
7
Кут нахилу головної різальної кромки °
0
Головний кут в плані °
90
Радіус заокруглення пластини 36 мкм
На різці закріплюються два акселерометри дані, з яких зчитуються на різних
режимах різання. Отримані дані аналізуються за допомогою модального аналізу на
кожній швидкості різання.
Коефіцієнт демпфування структури (без урахування процесу різання)
визначається з графіка, отриманого в результаті модального аналізу, проведеного в
осьовому напрямку за аналогією зі спіральним свердлом [63] Коефіцієнт загасання
процесу виходить шляхом віднімання структурного коефіцієнта демпфування від
загального коефіцієнта демпфування.

Рисунок 2.6 – Схема сходу стружки при прямокутному вільному різанні: а)
схема сходу стружки в області точки відриву; б) зона об'єму, що знімається
Для визначення коефіцієнта демпфування процесу різання розглядається
схема сходу стружки при прямокутному вільному різанні (рисунок 2.6) [66].
Коли точка відриву входить у оброблюваний матеріал, він розпадається на
частини. Матеріал, який вище точки відриву ковзає по передній поверхні ріжучої
кромки і утворюється стружка, а частина нижче точки поділу сходитиме по бічній
поверхні. На першу частину матеріалу впливають сили Pys та Pzs, на другу частину
сили Pyp та Pzp[12].

53

де μ - коефіцієнт тертя, Q, Qs і Qd об’єми матеріалу, що знімається статично і
динамічно в зоні деформації, Ksp - це питомий коефіцієнт сили різання, який
залежить від механічних властивостей матеріалу.
При радіусі заточки rs=0 об’єм матеріалу, що знімається, дорівнює нулю,
1
тобто ���� = ���� . У випадку, коли інструмент та/або заготовка вібрує у напрямку
4
подачі, об’єм матеріалу, що знімається Q варіюється, так само як і Qd, який є
основним джерелом демпфування процесу різання в механічній обробці. Об'єм Qs
є постійним протягом всього циклу коливань, і не сприяє розсіюванню енергії та
демпфуванню системи, таким чином, статичною частиною від загального об єму
можна знехтувати при демпфуванні сил різання [65].

Чой і Лян представили залежність між об’ємом витісненого матеріалу,
швидкістю різання, швидкостю вібрації та шириною зносу по передній поверхні,
припускаючи, що амплітуда коливань мала, і нею можна знехтувати [78].

де b – ширина стружки, r – відхилення інструменту у напрямку подачі, v –
швидкість різання, W – ширина зносу по передній поверхні.
Це рівняння справедливе для інструмента з нульовим радіусом заточування;
впливом заднього кута на процес різання нехтують. Зазначимо, що це рівняння
приблизно підходить для даного випадку, оскільки воно справедливе, коли
амплітуда прямує до нуля. Через відсутність гармонійного збудження, амплітуда
коливань мала в операціях точіння.

54
Дане рівняння було перетворено таким чином, щоб врахувати радіус
заточування та задній кут, і використовується для розгляду процесу демпфування
матеріалу при точінні.
Заточений інструмент, коли статичною частиною витісненого матеріалу
нехтують, змодельований як лезо з еквівалентною довжиною зношування.

де rε– це радіус заточування;δ - кут поділу, і, як передбачається, він дорівнює
50 градусів; α - задній кут.
Підставляючи формули (2.39 – 2.40) у вираз (2.38) отримуємо:

Емпіричні параметри моделі сил різання, одержувані за описаною методикою,
не дозволяють повною мірою врахувати геометричну форму різальної частини
свердла, тому для отримання адекватних коефіцієнтів сил потрібно коригування
коефіцієнтів безпосередньо в процесі свердління.
2.2.2 Визначення емпіричних параметрів моделі сил різання
процесу свердління
Для отримання коефіцієнтів сил різання у процесі свердління
використовується методика, запропонована у роботі [56]. Емпіричні параметри
моделі сил різання визначаються під час розсвердлювання попередніх отворів
(рисунок 2.7).

55

Рисунок 2.7 – Схема свердління отворів при розрахунку коефіцієнтів сил
різання: dсв – діаметр свердла, dp – діаметр пілотного отвору

Рисунок 2.8 – Сили різання, що діють на точки a1 та a2, що знаходяться на
ріжучих кромках свердла. PY1, PY2 – радіальні сили різання, PZ1, PZ2 –
тангенціальні сили різання, PX1, PX2 – осьові сили різання, Pтр1, Pтр1 – сили тертя на
стрічкі
Радіальні сили, прикладені до ріжучих кромок (рисунок 2.8), взаємно
знищуються внаслідок симетрії спірального свердла [4] і дозволяють достовірно
визначити емпіричні параметри. При свердлінні через симетрії свердла поперечні
сили дуже малі, тому, вони можуть бути використані визначення коефіцієнтів сил
різання [22, 11]. Щоб порушити симетрію різання при свердлінні необхідно
використовувати направляючі отвори зі зміщенням. Тобто центр направляючого
отвору зміщується по відношенню до центру фактичного отвору і, таким чином, у
результаті поперечні сили використовуються для визначення коефіцієнтів сил
різання.

56
Необхідно порушити симетрію за рахунок усунення осі свердла на заздалегідь
відому величину відносно осі попереднього отвору.
У кожний момент часу протягом одного повороту свердла елементи зуба
знаходяться в контакті з матеріалом і виходять з контакту з матеріалом заготовки в
залежності від їх кутового положення. Якщо всі елементи, що знаходяться в
матеріалі протягом одного повороту свердла покладаються такими, що мають
прості емпіричні параметри моделі сил різання, ��̅̅ ̅̅
����, ��̅̅̅̅̅, ��̅̅ ̅̅̅, ̅̅��̅̅̅, ̅̅��̅̅̅, ��̅̅ ̅̅̅
���� ���� ���� ���� ����, то
загальні сили різання одержують із рівняння (2.45):

Де Txyz(φ) – матриця повороту системи координат, Trta(I,k ) – матриця, що
містить параметри ріжучих кромок, bi,k – ширина стружки, що зрізається, –
вектор, що описує геометрію різального елемента.
Середнє значення двох сторін рівняння (2.46) за один поворот свердла:

Відповідно до рівняння (2.47), середні значення сил різання X, Y і Z напрямках
є лінійними функціями подачі, Sz:

57

де AZ, AY та AX – кути нахилу та BZ, BY та BX – вертикальні відрізки перетину
координатної осі лінійних функцій, знаходяться емпірично, використовуючи
лінійну регресію середніх значень сил різання, виміряних при різних подачах.
Отримані емпірично коефіцієнти нахилу та перетину використовуються для
ідентифікації коефіцієнтів сил різання:

Емпіричні параметри моделі сил різання, отримані з рівняння (2.47), є
коефіцієнтами середніх значень сил різання елементів, що знаходяться в матеріалі
протягом одного повороту свердла. Так як емпіричні параметри сил різання в
кожній точці на ріжучій кромці свердла різні, використання пілотних отворів
різних діаметрів призведе до отримання різних наборів коефіцієнтів усереднених
сил різання. Емпіричні параметри моделі сил різання в різних частинах різальної
кромки свердла одержують багаторазовим повторенням процедури ідентифікації
та зміною діаметра пілотного отвору на кожному етапі.
Як зазначалося, емпіричні параметри моделі сил різання визначаються під час
проведення експериментальних тестів. Для визначення коефіцієнтів сил різання
проводиться експеримент на фрезерному оброблюваному центрі HSC75 linear. На

58
столі верстата встановлюється динамометрична плита Kistler, на яку, у свою чергу,
закріплюється плита з алюмінієвого сплаву В95пчТ2. Плита є заготовкою для
виготовлення реальних деталей. Свердління проводиться цілісним твердосплавним
свердлом короткої серії R840-1000-30-A1A. Дане свердло призначене для
високопродуктивної обробки отворів для різних сфер застосування [15]. Перед
проведенням експерименту свердло закріплюється на столі координатно-
вимірювальної машини і вимірюються ріжучі кромки. На ріжучих кромках
вибирається по 10 рівновіддалених точок. Для кожної точки визначаються
координати у площинах X, Y та Z (таблиця 2.6). Отримані дані надалі
використовуються для моделювання геометрії спірального свердла.
Таблиця 2.6 – Координати точок, виміряних на ріжучих кромках свердла
x, мм y, мм z, мм x, мм y, мм z, мм

P1,1(P1,2) 0 0 0 P6,1 (P6,2) 2,5 1,00 0,87
P2,1(P2,2) 0,5 0,41 0,18 P7,1(P7,2) 3,0 1,12 1,05
P3,1(P3,2) 1,0 0,50 0,35 P8,1 (P8,2) 3,5 1,12 1,23
P4,1 P4,2) 1,5 0,78 0,50 P9,1(P9,2) 4,0 1,17 1,41
P5,1(P5,2) 2,0 0,94 0,70 P10,1 P10,2) 4,5 1,17 1,58
Свердло затискається у високоточний гідропластовий патрон CoroChuck 930
короткого виконання. Так як при використанні даного патрона забезпечується
максимальна точність обробки отворів [47]. Обробка отворів проводиться з
охолодженням повітрям.
Надалі проводиться модальний аналіз інструментального налагодження,
результати якого наведено у таблиці 2.7
Таблиця 2.7 - Модальні параметри домінуючих поперечної та крутильно-
осьової мод свердла Coro-Drill Delta C R840-1000-30-A1A
Функції Власна Жорсткість Коефіцієнт
частотного частота, Гц демпфування,
відгуку %

59
Gxx 2119,22 6
2,8249×10 Н/м 3,04
Gyy 2223,26 6
2,4381×10 Н/м 4,85
6
G 2386,74 1,9024×10 Н/м 2,19
zz
G / G 6
θz zθ 2,277,96 8,9639×10 Н/рад 1,93
Gθθ 2727,81 6
8,8644×10 Нм/рад 2,41
На підставі результатів модального аналізу та рекомендацій виробника
обраного інструменту складається програма проведення експерименту (таблиця
2.8)
Таблиця 2.8 - Програма проведення експерименту
№ п/п rp [мм] n [об/хв] Sn [мм/об] lo [мм]
1 – 4107 0,2 1
2 – 4107 0,25 1
3 – 4107 0,3 1
4 8 4107 0,2 5
5 6 4107 0,25 5
6 4 4107 0,3 5
У процесі експерименту вимірюються сили різання у напрямах X, Y, Z
(рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 – Середні значення сил різання, виміряні в процесі свердління
отвору діаметром 10 мм

60
На рисунку 2.9 показані середні значення сил різання у напрямках X, Y та Z,
виміряні в процесі свердління отвору діаметром 10 мм з напрямним отвором 8 мм,
що зміщено на 1 мм від центру по осі Y (рисунок 2.10).
Використання для проведення експерименту свердла короткої серії і
високоточного жорсткого гідропластового патрона дозволило максимально
знизити можливий вигин свердла, що позитивно позначається при розрахунку
коефіцієнтів сил різання.
Тангенціальний, осьовий та радіальний емпіричні параметри моделі сил
різання визначаються в точках перетину похилих ліній з уявними вертикальними
лініями подач. Зауважимо, що певні емпіричні параметри моделі сил різання дійсні
на ріжучих кромках, які розташовані на радіальній відстані більше ніж 3 мм. Щоб
визначити емпіричні параметри моделі сил різання інших частинах ріжучих
кромок, слід використовувати напрямні отвори меншого діаметра. Процедура
отримання коефіцієнтів при кожному розмірі напрямного отвору схожа.

Рисунок 2.10 –Заготовка з алюмінієвого сплаву В95пчТ2 з отворами для
проведення експерименту визначення коефіцієнтів моделі сил різання
Отримані емпіричні параметри моделі сил різання представлені таблиці 2.9.
Таблиця 2.9 – Ідентифіковані емпіричні параметри моделі сил різання для
свердла R840–1000–30–A1A; частота обертання шпинделя 4107 об/хв, та заготовки
з алюмінієвого сплаву В95пчТ2

61

2.3 Дослідження та аналітичний розрахунок вібраційних параметрів
інструментального налагодження на базі спірального свердла
Визначення частот власних коливань свердла здійснюється внаслідок
експериментального модального аналізу. Результатом модального аналізу є
передаточна функція системи, для визначення якої аналізуються вібраційні
характеристики технологічної системи.
Комплекс складається з акселерометрів, що закріплюються на різальній
частині інструменту, молоточків різної маси та з наконечниками різної жорсткості,
перетворювачів та підсилювачів сигналу, а також програмних продуктів Cut-
Pro/ShopPro. До складу комплексу входить спеціальне акустичне обладнання –
мікрофон та модулі перетворення та оцифрування сигналу, які використовуються
для вимірювання вібрацій у зоні різання (рисунок 2.11).
Склад комплексу:
1. Акселерометр з чутливістю 9,41мВ/гр;
2. Акселерометр з чутливістю 9,95 мВ/гр;
3. Акселерометр з чутливістю 101,1 мВ/гр;
4. Молоток для низькочастотного збудження;
5. Молоток для середньочастотного збудження;
6. Молоток для високочастотного збудження;
7. Мікрофон;
8. Аналого-цифровий перетворювач (АЦП);
9. Віск;
10. Спеціальні кабелі з BNC роз'ємами;

62

Рисунок 2.11 – Комплекс для проведення модального аналізу
У випадку з інструментальним налагодженням на базі спірального свердла
потрібно визначити моди осьових, поперечних і крутильних коливань. Для
визначення поперечних коливань акселерометр за допомогою воску
встановлюється на кінці свердла на циліндричну гладку поверхню. В ході аналізу
сигнал від акселерометра надходить на підсилювач сигналу, а потім покращений
сигнал надходить на плату і перетворюється на цифровий сигнал, який далі
надходить на комп'ютер із встановленим програмним забезпеченням для обробки
та відображення даних. Основною характеристикою акселерометра є величина
роздільної здатності. Чим вище роздільна здатність датчика, тим вище точність
вимірювань.
Для збудження інструментального налагодження використовуються
спеціальні молотки, з встановленим датчиком силового впливу, які, як і
акселерометр, приєднується до плати збору даних. Залежно від передбачуваної
частоти коливань вибирається тип молотка та наконечник. Для визначення
поперечних та осьових коливань використовується молоток із діапазоном частот
від 200 до 5000 Гц, для крутильних – від 5000 до 8000 Гц.

63
Діапазон частот, які збуджуються молотком, обернено пропорційний часу
контакту. Діапазон частот, які можуть бути збуджені належним чином за
допомогою молотка, також залежить від типу використовуваного наконечника.
Наконечник впливає на час контакту та контактного зусилля. Для того щоб
отримати хорошу динамічну характеристику структури, необхідно збуджувати
структуру в діапазоні частот, з відповідною силою. Таким чином, необхідно знати
вплив вибору наконечника на силу збудження та час контакту (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 – Вплив твердості наконечника на силу збудження та час
контакту: 1 – твердий, 2 – середньої твердості, 3 – м'який
Для визначення поперечних та осьових коливань використовується
наконечник із дюралюмінію, для крутильних коливань – зі сталі.
У ході кожного тесту відбувається збудження коливань за допомогою удару
молотка по інструменту навпроти акселерометра. Точка удару та напрямок повинні
бути точно навпроти положення та напрямку акселерометра, так як в іншому
випадку вимірювання буде неточним. Перший удар повинен бути трохи
сильнішим, ніж наступні удари, тому що перший удар використовується як
вихідний для встановлення максимального напруження. Після того, як буде зібрана
достатня кількість даних, необхідно перевірити спектр сил на вході, він не повинен
падати до нуля, якщо є коливання, які відображаються як піки.
Використовуючи отримані в результаті тесту дані, програма автоматично
будує передаточну функцію. Графік передаточної функції для одномасової системи

64
представлений на рисунку 2.13. Отримана передаточна функція має піки, що
відповідають власним частотам коливань системи. Передаточна функція реальної
системи може мати безліч максимальних значень, що є наслідком модульності
такої системи. Іншими словами, кожен компонент технологічної вібрує на своїй
частоті коливань. Кожне значення власних частот компонентів системи відповідає
максимальному значенню передаточної функції, причому чим менша жорсткість
компонента зборки, тим більше значення магнітуди передаточної функції [34].
Сила P(t), прикладена до налагодження та результат вібрацій x(t) після
перетворення Фур'є набувають вигляду:

Прикладена сила та отримані в результаті вібрації вимірюються протягом часу
tl.

де X(jw) та F(jw) є спектрами потужності вібрацій та сили відповідно. Вібрація
та сила вимірюється через дискретні інтервали часу (Ts) за допомогою плати збору
даних, підключеної до комп'ютера.
Виразивши час збору даних через роздільну здатність за частотою отримаємо:

Замінивши інтеграли їх дискретними тимчасовими еквівалентами отримаємо:

В результаті перетворення отримуємо графік (рисунок 2.13), піки на якому
відповідають власним частотам системи. Число піків відповідає числу мас системи.

65

Рисунок 2.13 – Графік функції одномасової системи у часовій області

Рисунок 2.14 – Графік функції одномасової системи у частотній області
Після чого представимо передаточну функцію вібрацій та сили у вигляді
дійсної та уявної частини:

Далі, на графіку уявної частини визначається частота своїх коливань (рисунок
2.15).
За даними з графіка (рисунок 2.16) визначається коефіцієнт демпфування:

Після чого визначається жорсткість системи, як

і маса

66

Рисунок 2.15 – Графік уявної частини передавальної функції багатомасової
системи

Рисунок 2.15 – Графік уявної частини передаточної функції багатомасової
системи
Для інструментальних наладок із маложорстким інструментом визначення
частоти власних коливань у поперечному напрямку виконується за методикою,
описаною у роботі Алтінтаса [56]. Згідно з цією методикою, акселерометр
закріплюється на робочій частині інструмента, ближче до вершини, силове
обурення прикладається в точці, найближчій до місця закріплення інструменту.
Після цього акселерометр закріплюється ближче до місця закріплення інструменту
і з протилежного боку наноситься удар молотком. Отримані дані обробляються на
основі відомих формул.
2.3.1 Визначення вібраційних параметрів інструментального
налагодження на базі спірального свердла
Для визначення модальних параметрів інструментальна наладка
встановлювалася в шпиндель обробного центру HSC75 linear. Для визначення
поперечних коливань використовувався акселерометр Dytran з чутливістю 9,95

67
мВ/гр та молоток для середньочастотного збудження з встановленим датчиком
силового впливу.
На основі експериментальних даних було отримано передаточну функцію
реальної системи, в результаті перетворень якої було отримано графік (рисунок
2.17), піки на якому відповідають власним частотам системи. Після чого
представляємо передаточну функцію вібрацій та сили у вигляді дійсної (рисунок
2.18) та уявної частини (рисунок 2.19).

Рисунок 2.17 – Графік амплітудно-частотної характеристики

Рисунок 2.18 – Графік дійсної чатотної характеристики: 1 – Н11; 2 – Дійсна
За графіком уявної частотної характеристики визначаємо частоту власних
коливань, що дорівнює 1177.0739 Гц і 1492.8708 Гц для першої та другої моди
відповідно.

68
Рисунок 2.19 – Графік уявної частотної характеристики: 1 – Н11; 2 – уявна
Використовуючи дані графіка уявної частотної характеристики, розраховуємо
коефіцієнт демпфування. Результати розрахунків представлені у таблиці 2.10.
Таблиця 2.10 - Модальні параметри
Мода Частота, Гц Коефф. демп- Модальна Маса, кг
фування, % жорсткість,
Н/м
1. 1177.0739 6.5065 7.5809E+005 1.3860E–002
2. 1492.8708 1.9727 4.0414E+006 4.5934E–002
Аналогічним чином проводиться розрахунок передаточної функції системи та
визначення модальних параметрів у напрямку Y. Результати розрахунків
представлені на рисунках (2.20 – 2.21) та таблиці 2.11.
Таблиця 2.11 - Модальні параметри
Мода Частота, Гц Коефф. демп- Модальна Маса, кг
фування, % жорсткість
, Н/м
1. 1218.1505 3.8212 1.1842E+006 2.0215E–002
2. 1490.0013 1.5609 6.1281E+006 6.9918E–002

Рисунок 2.20 - Графік амплітудно-частотної характеристики

69

Рисунок 2.21 - Графік уявної частотної характеристики

Рисунок 2.21 - Графік дійсної частотної характеристики
В осьовому напрямку визначення модальних параметрів використовується та
сама методика і самі залежності, як і визначення модальних параметрів системи у
поперечному напрямку. Відмінність полягає лише в розташуванні акселерометра –
він за допомогою воску кріпиться на задню поверхню ріжучої кромки свердла.
Результати розрахунків представлені на графіках (рисунках 2.22-2.24) та у таблиці
2.12.

Рисунок 2.22 - Графік амплітудно-частотної характеристики

70

Рисунок 2.23 - Графік уявної чатотної характеристики

Рисунок 2.24 - Графік дійсної частотної характеристики
Таблиця 2.12 - Модальні параметри
Мода Частота, Гц Коеф. демп- Модальна Маса, кг
фування, % жорсткість,
Н/м
1. 1135.5839 5.1261 5.8244E+007 1.1441E+000
Визначення частот крутильних коливань свердла вимагає складнішої
підготовки [92, 93]. Для цього було виготовлено спеціальний пристрій (рисунок
2.26), який закріплюється на робочій частині спірального свердла. Акселерометр
поміщається безпосередньо на сам пристрій.
Отримані результати графіків для крутильних коливань представлені рисунку
2.25 й у таблиці 2.13.

71

Рисунок 2.26 – Пристосування для аналізу крутильних коливань спірального
свердла

Рисунок 2.25 – Графік амплітудно-частотної характеристики
Таблиця 2.13 - Модальні параметри
Мода Частота, Коэфф. демп- Модальна Маса,
Гц фування, % жорсткість кг
, Н/м
1. 7169.8757 1.3510 1.0592E+007 5.2189E–003
Для підтвердження результатів експериментального модального аналізу було
проведено програмний розрахунок частот. З цією метою успішно застосовується
система аналізу конструкцій SolidWorks Simulation. Система містить модуль
частотних досліджень, який дозволяє розрахувати власні частоти та асоційовані
форми коливань (моди).
Для проведення розрахунків було побудовано спрощену твердотільну модель
геометрії спірального свердла R840–0900–50 A1A. Після чого згенерована сітка,

72
адаптована на основі кривизни геометрії, на базі алгоритму Делано-Вороного, що
складається з 4365 вузлів. Для вирішення завдання було застосовано вирішальну
програму FFEPlu, яка використовує вдосконалені переупорядковані матриці.
Результати частотного аналізу наведено у таблиці 2.14 та рисунку 2.27.
Таблиця 2.14 – Результати частотного аналізу
Номер частоти Рад/сек Герц Секунди
1. 6287.3 1000.7 0.00099934
2. 7619.2 1212.6 0.00082466
3. 37839 6022.2 0.00016605
4. 47938 7629.5 0.00013107

Рисунок 2.27 – Форми коливань свердла

73
Так як різниця у значеннях частот отриманих експериментальним та
аналітичним способами не перевищує 10%, то вважаємо результат достовірним.
Однак, вважаючи, що при проведенні частотних розрахунків у програмних
комплексах неможливо повною мірою врахувати стан шпиндельного вузла та
допоміжних інструментів, визначення частот власних коливань
експериментальними методами є кращим.
2.4 Результати математичного моделювання вібраційної стійкості
операції свердління
Розрахунок для побудови діаграми вібраційної стійкості здійснюється за
алгоритмом, наведеним вище. Для цього використовується інтерактивне
середовище програмування Matlab. Складається програма, використовуючи
відповідні формули, отримані розділ 2.1. Створюються функції, що враховують
оброблюваний матеріал, товщину шару, що зрізається, кут повороту свердла і сили
різання.
function h=thickness(Z, fi, dfi, nf, ng, x)
function Z=cutting_material(Z, fi1, fi2, x1, x2, nf, ng, dfi) function fi =
angle_position (X, nf, fi0)
ndof=; % число ступенів свободи
MASS = zeros(ndof,ndof); % матриця мас
DAMP = zeros(ndof,ndof); % матриця демпфування
STIF = zeros(ndof,ndof); % матриця жорсткості
MASS(1,1) =2.0215e-2 ; % маса, в тонах
MASS(2,2) =2.5268e-1 ;% осьовий момент інерції, в тонах*мм^2
STIF(1,1) = 1.1842e6;% жорсткість
STIF(2,2) =1.0592e7; % жорсткість на кручення
DAMP =3.8212 ; % демпфування
DAMP =1.3510 ; % демпфування
%-------------
N=100; % кількість обертів для яких побудовано графіки

74
z=2; %число зубів
ng= 180*nf; % кількість геометричних точок
Sz= 0.15; %подача на зуб
NT = 1000; % кількість кроків моделювання на оберт
r= ; % радіус свердла, мм
%-------------
В результаті виконання програми отримуємо діаграму вібраційної стійкості
процесу свердління (рисунок 2.28), на підставі якої визначаємо раціональні частоти
обертання шпинделя.

Рисунок 2.28 – Діаграма вібраційної стійкості процесу свердління
Використовуючи рекомендації виробника інструменту щодо призначення
швидкості різання для обробки отворів свердлом R840-0900-50 A1A в алюмінієвих
сплавах (діапазон швидкостей від 120 м/хв до 230 м/хв) вибираємо з діаграми
частоту обертання шпинделя, що входить в область, в якій забезпечується
максимальна жорсткість різання, тобто 6192 об/хв (175 м/хв) і 7500 об/хв (210 м/хв).

75
Висновок до розділу 2
1. Виконано аналітичний розрахунок та математичне моделювання
діаграми вібраційної стійкості операції свердління. Встановлено, що
отримані дані дозволяють визначити частоту обертання шпинделя, коли
операція свердління є стійкою до вібрацій.
2. Проведено експериментальний модальний аналіз інструментального
налагодження з урахуванням цілісного твердосплавного свердла.
Визначено власні частоти поперечних, осьових, згинальних та
крутильних коливань. Розраховано модальні параметри кожного
коливання. Отримані результати дозволяють врахувати стан
технологічної системи під час розрахунку режимів різання.
3. Визначено емпіричні параметри моделі сил різання, що характеризують
оброблюваність алюмінієвих сплавів. Сукупність одержаних
емпіричних параметрів визначає модель зусиль різання, яка у свою
чергу є основою вібраційної моделі. Отримані дані використовуються
при моделюванні процесу свердління як у спеціальних програмних
продуктах (моделювання в яких засноване на використанні фізико-
механічних властивостей оброблюваного матеріалу), так і з
використанням мов програмування високого рівня.

76
Розділ 3. Дослідження затискних патронів для закріплення різального
інструменту
3.1 Дослідження впливу затискних патронів на параметри якості отворів
У науково-дослідних роботах приділяють основну увагу ріжучому
інструменту, не зосереджуючись на типі затискного патрона, та не оцінюють його
вплив на результати експериментів [11, 60]. Тому для визначення впливу затискних
патронів на якість поверхні та точність отвору під час свердління відтворено таку
методику.
Вплив перехідної втулки (цанги) на крутний момент, що передається,
визначається за допомогою спеціального приладу Moment Checker з цифровим
манометром WIKA MG1 (рисунку 3.1).

Рисунок 3.1 – Прилад Moment Checker
Замість різального інструменту в патрон затискається контактний адаптер,
який є циліндром з різьбовою частиною на кінці. Після цього різьбова частина
закручується у прилад Moment Checker. Повертаючи ручки з різьбленням,
розташовані на приладі, до характерного клацання визначаємо максимальну
величину тиску Pmax.
Максимальний момент закріплення патрона Mз розраховуємо як

77
де D – діаметр хвостовика (мм), δ – коефіцієнт, що залежить від геометрії.
Після чого розраховуємо крутний момент Mкр, як

де Ne - споживана потужність, кВт

де fn- gодача інструменту, мм/об; Vc - швидкість різання м/хв; d- lіаметр
свердла; kc - gитома сила різання, Н/мм2.

де kc1 і mc - емпіричні параметри, що залежать від оброблюваного матеріалу;
φ- rут у плані, град.; γ- передній кут, град.;Sz - подача, мм / зуб.
Якщо умова Mз>>Мкр виконується, то затискний патрон може бути
використаний для цієї операції.
Радіальне биття патронів визначається за допомогою стрілочного індикатора
годинникового типу (рисунок 3.2).

Рисунок. 3.2 – Схема вимірювання радіального биття
У затискний патрон закріплюється калібрований циліндр. На відстані 50 мм
від торця шпинделя підводиться стрілочний індикатор. Показання індикатора
реєструються при включеному шпинделі з частотою обертання 20 об/хв.

78
Залишковий дисбаланс визначається за допомогою балансувальної машини
(рисунок 3.3). При цьому всі вимірювання робляться з переустановкою
інструментального налагодження на 180 ° і частотою обертання шпинделя 1100
об/хв.

Рисунок 3.3- Балансувальна машина Haimer Tool Dynamic 2009
Після проведених вимірювань у затискний патрон закріплюється різальний
інструмент (свердло) та виконується експериментальний модальний аналіз.
Поперечна та крутильно-осьова моди визначаються за допомогою тесту
інструментальним молотком, модальні параметри превалюючих мод витягують,
використовуючи стандартні методи модального аналізу [43]. З залежностей
викладених у методиці визначення частот власних коливань свердла
розраховуються коефіцієнт демпфування, модальна жорсткість і маса.
Вхідними даними є модальні параметри інструментальних наладок,
геометричні параметри спірального свердла та оброблюваний матеріал [49, 51, 67]
будується діаграма вібраційної стійкості процесу різання. Враховуючи діаграму та
рекомендації виробника інструменту призначаються режими різання, на яких
проводиться свердління серії отворів.

79
Якість поверхні просвердлених отворів досліджується параметрами
шорсткості Ra та Rz за ГОСТ 25142-82 [21] за допомогою контактного
профілометра на базовій довжині 4мм.
Для визначення відхилення від діаметра проводяться вимірювання точок по
кожному колу в радіальних перерізах методом сканування на координатно-
вимірювальній машині згідно зі схемою, представленою на рисунку 3.4. Крок між
вимірами дорівнює 2 мм.

Рисунок. 3.4 – Схема вимірювання діаметрів отвору
Висновок про вплив затискного патрона на якість поверхні та точність отвору
робиться на підставі вищевикладеного комплексу досліджень.
3.2 Дослідження впливу затискних патронів на параметри отворів
За результатами проведеного аналізу затискних патронів для дослідження
було використано такі патрони:
1. Гідропластовий патрон CoroChuck 930-HA06-HD-20-104
2. Термоусадковий патрон Haimer A63.140.16
3. Силовий патрон Showa HSKA63-HPC16S-110 AA
В якості ріжучого інструменту було вибрано цільне твердосплавне свердло
Sandvik Coromant загального призначення діаметром 15 мм, з діаметром
хвостовика 16 мм (рисунок 3.5).

80

Рисунок 3.5 – Спіральне свердло
Всі експерименти з свердління отворів проводилися на фрезерному обробному
центрі DMG HSC75V linear. Свердління отворів виконувалося у високоміцному
алюмінієвому деформованому сплаві В95пчТ2. Заготовка закріплювалася на столі
верстата за допомогою гідромеханічних тисів Almatic (рис. 3.6).

Рисунок 3.6 – Закріплення заготовки на столі верстата
Досліджуваний гідромеханічний патрон має внутрішній діаметр 20 мм, тому
для закріплення свердла використовувалася цанга CGS-20 16 .
Величина тиску Pmax визначалася за допомогою приладу Moment Checker
(Рисунок 3.6) після чого виконувався розрахунок моменту закріплення за
формулою 3.1.

81

Рисунок 3.7 – Визначення моменту страгування: а) затискний патрон із
встановленим через цангу контактним адаптером; б) визначення моменту
страгування затискного патрона на приладі Moment Checker
Моменти закріплення гідропластового патрона з цангою та без наведені в
таблиці 3.1.
Таблиця 3.1 - Результати вимірювання моменту закріплення
Момент закріплення, Mкр (без цанги) 370 Нм
Момент закріплення, Mкр (з цангою) 230 Нм
На рисунку 3.8 зображено вимір радіального биття термозбіжного патрона.
Результати вимірювання радіального биття кожного затискного патрона
представлені у таблиці 3.2.

82

Рисунок 3.8 – Вимірювання радіального биття термоусадочного патрона: 1-
термоусадочний патрон Haimer A63.140.16; 2 - калібрований твердосплавний
циліндр; 3 – стрілочний індикатор годинникового типу
Як видно з таблиці 3.3, найменше радіальне биття має термоусадочний патрон
Haimer A63.140.16.
Таблиця 3.2 - Результати вимірювання радіального биття затискних патронів
№
Назва затискного патрона Радіальне биття [мм]
п/п
1. Haimer A63.140.16 0,006
2. CoroChuck 930–HA06–HD–20–104 0,012
3. Showa HSKA63–HPC16S–110 AA 0,082
Після чого в затискні патрони по черзі встановлювалося спіральне свердло, і
проводилася перевірка динамічного дисбалансу [80]. Ця операція виконувалася за
допомогою машини Haimer TD2009 Comfort Plus (рис. 3.9). Результати перевірки
представлені у таблиці 3.3.

83

Рисунок 3.9 – Перевірка динамічного дисбалансу
Таблиця 3.3-Результати дослідження дисбалансу затискних патронів
Термоусадочний Силовий Гідропластовий
Маса патрона без ін-
2,080 1,828 0,952
струмента, кг
Маса патрона з ін- 1,190
2,318 2,110
струментом, кг (з цангою)
Отриманий залишковий
0,7 23,3 2,6
дисбаланс, гр×мм
Залишковий дисбаланс силового патрона на порядок вищий, ніж у
гідропластового та термозбіжного патронів, що є наслідком конструктивних
особливостей силового патрона, зокрема, кульковинтового механізму [58].
Далі було проведено експериментальний модальний аналіз інструментальних
налагодок та було розраховано вібраційні параметри кожної функції частотного
відгуку (табл. 3.4-3.6).

84
Таблиця 3.4-Модальні параметри інструментального налагодження на базі
гідропластового патрона CoroChuck 930-HA06-HD-20-104
Функції Власна Коэфіцієнт Модальна Маса
частотного частота [Гц] демпфування [%] жорсткість [Н/м] [гр]
відгуку
Gxx 1118,945 2,477 9,7584E+06 0.197
Gyy 1111.809 2.392 4.6852E+07 0.960
Gzz 1040.459 1.214 3.2716E+07 0.765
Gθz/zθ 7857.609 1.082 –8.9719E+07 –0.04
Gθθ 7881.373 1.814 4.9554E+07 –0.02
Таблиця 3.5-Модальні параметри інструментального налагодження на базі
гідропластового патрона Haimer A63.140.16
Функції Власна Коэфіцієнт Модальна Маса
частотного частота [Гц] демпфування жорсткість [Н/м] [гр]
відгуку [%]
Gxx 1190.978 1.511 7.7705E+06 0.139
Gyy 1186.569 1.340 7.2903E+06 0.131
Gzz 1053.643 0.947 1.7327E+07 0.395
Gθz/zθ 7866.933 0.992 –1.9615E+08 –0.08
Gθθ 7799.214 0.723 6.3826E07 –0.03
Таблиця 3.6–Модальні параметри інструментального налагодження на базі
гідропластового патрона Showa HSKA63–HPC16S–110 AA
Функції Власна Коэфіцієнт Модальна Маса
частотного частота [Гц] демпфування [%] жорсткість [Н/м] [гр]
відгуку
Gxx 918.5195 5.309 4.3426E+06 0.130
Gyy 1007.807 4.925 8.1838E+06 0.204
Gzz 914.462 2.026 2.8136.E+07 0.852
Gθz/zθ 8092.508 0.823 –2.6384E+08 –0.10

85
Gθθ 8084.654 1.230 2.0959E+08 –0.08
Слід зазначити, що параметри крутильно-осьових мод негативні, це показує,
що свердла розкручуються, згинаючись під впливом крутного моменту.
Враховуючи модальні параметри інструментальних налагодок, геометричні
параметри спірального свердла та оброблюваний матеріал [46] було побудовано
діаграму вібраційної стійкості (рисунок 3.10) [77, 88]

Частота обертання шпинделя, об/хв
Рисунок 3.10 – Діаграма вібраційної стійкості: А – області стійкого різання
термозатискного патрона; В – області сталого різання гідропластового патрона; С
– області стійкого різання силового патрона
На графіку вертикальними лініями побудовані межі, що характеризують
мінімальне та максимальне значення оборотів шпинделя з урахуванням
рекомендацій виробника інструменту [34]. Як видно на графіці, ця область містить
зони стійкого та нестійкого різання, які не можуть бути враховані виробником
інструменту при призначенні рекомендованих режимів різання.
Враховуючи діаграму вібраційної стійкості та рекомендації виробника
інструменту, було прийнято рішення призначити для проведення експерименту
постійні режими різання для кожного інструментального налагодження. Таким
чином, швидкість різання v склала 188 м/хв. Глибина свердління lo=15 мм, подача
Sn=0,1 мм/об.
Далі було просвердлено по п'ять отворів кожною інструментальною наладкою.
Свердління отворів проводилося за один прохід без застосування мастильно-

86
охолоджувальної рідини. Після чого була виміряна шорсткість поверхні отворів та
відхилення від номінального діаметра отвору (рис. 3.11-3.12). Результати вимірів
представлені у таблицях 3.7-3.8.

Рисунок 3.11 – Вимірювання шорсткості поверхні отворів
Таблиця 3.7-Результати вимірювання шорсткості
Номер просверленого отвору
№ Затискний 1 2 3 4 5
п/п патрон Ra, Rz, Ra, Rz, Ra, Rz, Ra, Rz, Ra, Rz,
мкм мкм мкм мкм мкм мкм мкм мкм Мкм мкм

Haimer
1.
A63.140.16
CoroChuck
2. 930–HA06–HD
-20–104
Showa
3. HSKA63–
HPC16S–110 A

0,3307 0,4145 0,3825
2,0891 2,5525 2,3542
0,3594 0,1807 0,3283
1,8322 1,3282 1,9007
0,1761 0,2875 0,2152
1,2675 1,8587 1,2301
0,3470 0,4369 0,2148
2,6965 2,6967 1,4554
0,9296 0,9768 0,5043
5,4052 5,7207 4,6361
87

Рисунок 3.12 – Вимір відхилення від номінального діаметра отвору
Таблиця 3.8-Відхилення від номінального діаметра отвору
Номер просверленого отвору
№ 1 2 3 4 5
Затискний патрон
п/п Д, Д, Д, Д, Д,
мм мм мм Мм мм
1. Haimer A63.140.16
2. CoroChuck 930–HA06–HD–20–104
3. Showa HSKA63–HPC16S–110 AA
Як видно з результатів, найкраща повторюваність отворів із мінімальними
значеннями параметра шорсткості Ra у патрона Haimer A63.140.16.
3.3 Планування експерименту та опис технологічного обладнання
Експеримент проводився на високошвидкісному прецизійному
оброблюваному центрі HSC75 linear (рисунок 3.13).

0,0200 0,0114 0,0140
0,0206 0,0170 0,0162
0,0173 0,0138 0,0162
0,0163 0,0119 0,0162
0,0155 0,0072 0,0167
88

Рисунок 3.13 – Обробний центр HSC75
Висока точність верстата забезпечується використанням стійкої портальної
конструкції, що забезпечує симетричний розподіл тепла та системи безпосередніх
вимірювань. Технічні дані верстата наведено у таблиці 3.9.
Таблиця 3.9 - Технічні дані верстату HSC75 linear
Параметр Один.вим Значення
Вісь X мм 750
Вісь Y мм 600
Вісь Z мм 560
Похила вісь (B) град –10 / +110
Поворотна вісь (C) град 360
Максимальне число обертів об/хв 28 000
шпинделя
Установка інструменту DIN 69893 HSK–A63
Вихідна потужність кВт 43,5
Крутний момент (40/100% цикла Нм 47,8 / 38
навантаження)
Діапазон подачі до мм/хв 90 000

89
Ускоренный ход (X / Y / Z) м/хв 90 / 90 / 90
Максимальне прискорення g > 2 g
У шпиндель верстата було закріплено інструментальне налагодження, зібране
на базі затискного патрона CoroChuck 930-HA06-HD-20-104 (рисунок 3.14). Вибір
даного патрона ґрунтується на результатах роботи [47]. Ріжучий інструмент був
закріплений у затискний патрон із використанням циліндричної цанги 10-20.
В якості ріжучого інструменту використовувалося цільне твердосплавне
свердло загального призначення R840-0900-50 А1А. Заготовка - блок з розмірами
400х250х50мм і закріплювалася на стаціонарному динамометрі Kistler (рисунок
3.15), який, у свою чергу, був встановлений на столі верстата. Технічні дані
динамометра представлені у таблиці 3.10.

Рисунок 3.14 – Інструментальне налагодження

90

Рисунок 3.15 – Стаціонарний динамометр Kistler 9253B23 із закріпленою
заготовкою

Таблиця 3.10 – Технічні дані стаціонарного динамометра Kistler 9253B23
Технічні дані Тип 9253B23
Вимірювальний Px, Py ±12
діапазон, кН Pz –12...25
Px, Py ≈ ±7,8
Чутливість, пКл/Н
Pz ≈ ±3,7
f(x) ≈ 610
Власна частота, Гц f(y) ≈ 570
f(z) ≈ 570
Область робочих температур, °С –20...70
Лінійність, %FSO ≤±0,5
Гістерезис, %FSO ≤0,5
Перехресні похибки, % ≤±2
Довжина, 600
Ширина, мм 400

91
Висота, мм 100
Маса, кг 85
Вихідні дані збиралися за допомогою блоку АЦП 5028 і надалі оброблялися
програмним продуктом Kistler DynoWare.
Також у процесі експерименту досліджувалися вібрації. Для цього
використовувався триканальний акселерометр із магнітним закріпленням.
Перетворення сигналу здійснювалося з допомогою плати National Instruments.
Запис сигналу та обробка даних здійснювалися в програмному комплексі LabView,
в якому для цих цілей була розроблена програма. Перед проведенням експерименту
свердло було попередньо виміряно на пристрої для контролю та налаштування
різального інструменту поза верстатом Zoller Genius Pilot 3s (рисунок 3.16).
Результати вимірювань подано у таблиці 3.11.

92
Рисунок 3.16 – Вимірювання геометричних параметрів свердла на пристрої
для контролю та налаштування різального інструменту поза верстатом Zoller
Genius Pilot 3s
Таблиця 3.11 - Вхідний контроль геометричних параметрів свердла R840-
0900-50 A1A 1220
Контрольований параметр Числове значення
Діаметр інструменту, мм 9
Довжина робочої частини свердла, мм 50
Діаметр хвостовика, мм 10
Висота різальної частини свердла, мм 1,69
Передній кут, ° 14,45
Задній кут, ° 6,07
Кут нахилу гвинтової канавки, ° 29,47
Подвійний кут у плані, ° 138,48
Радіальне биття, мкм 2
Осьове биття, мкм 0
Радіальне та осьове биття свердла вимірювали безпосередньо на верстаті
(рисунок 3.17). На магнітній стійці, встановленій на столі верстата, закріплювався
стрілочний індикатор годинного типу з ціною поділки 1 мкм.

93
Рисунок 3.17 – Вимірювання радіального та осьового биття спірального
свердла
Оскільки передбачається отримання отворів на високих швидкостях, то для
роботи інструментального налагодження необхідно дотримуватися ступеня
балансування. Відповідно до роботи [58], при використанні верстата HSC75liner,
рекомендується користуватися стандартом ISO 1940–1, в якому ступінь
балансування вказується як клас G. Клас балансування G визначений на підставі
практичного досвіду і рекомендується задавати для інструмента, що обертається,
як G2.5.
В даному випадку індукована дисбалансом сила Pц становитиме 9,9 Н. Зусилля
різання при операції свердління будуть на кілька порядків вище.
Балансування інструментального налагодження [94] здійснювалося на машині
Haimer Tools Dynamic (рисунок 3.18). Результати балансування представлені
рисунку 3.19. З отриманих даних, ступінь балансування інструментального
налагодження відповідає класу G1.4. Таким чином, дане інструментальне
налагодження задовольняє необхідним умовам і може застосовуватися для
свердління точних отворів на високих обертах шпинделя.

Рисунок 3.18 – Балансування інструментального налагодження на машині
Haimer Tools Dynamic

94

Рисунок 3.19 – Результати балансування інструментального налагодження
Таким чином, на підставі проведених попередніх вимірювань та даних
діаграми вібраційної стійкості, було складено план експериментального
дослідження, наведений у таблиці 3.12.
Таблиця 3.12 – Програма обробки отворів свердлом R840–0900–50 A1A 1220
№ отвору Подача, Швидкість, Глибина, Охолодженн Виведення
я інструменту
Sn v [м/хв] lo
[мм/об] [мм]
B1 Повітря Роб. подача
B2 0,2 Повітря Роб. подача

B3 Повітря Роб. подача

B4 Повітря Роб. подача
B5 0,25 Повітря Роб. подача
B6 Повітря Роб. подача
B7 Повітря Роб. подача
B8 0,3 175 30 Повітря Роб. подача
B9 Повітря Роб. подача
B10 Повітря Роб. подача
B11 0,35 Повітря Роб. подача
B12 Повітря Роб. подача
B13 Повітря Роб. подача
B14 0,4 Повітря Роб. подача

95
B15 Повітря Роб. подача
B16 Повітря Роб. подача
B17 125 Повітря Роб. подача

B18 Повітря Роб. подача

B19 Повітря Роб. подача

B20 150 Повітря Роб. подача
0,3 30
B21 Повітря Роб. подача
B22 Повітря Роб. подача
B23 175 Повітря Роб. подача
B24 Повітря Роб. подача
B25 200 Повітря Роб. подача
B26 Повітря Роб. подача
B27 Повітря Роб. подача
B28 Повітря Роб. подача
B29 2 25 Повітря Роб. подача
B30 Повітря Роб. подача
B31 Повітря Роб. подача
B32 Повітря Роб. подача

B33 Повітря Роб. подача

B34 Повітря Роб. подача
B35 Повітря Роб. подача
B36 Повітря Роб. подача

B37 Повітря Роб. подача
175
B38 Повітря Роб. подача
B39 Повітря Роб. подача
B40 Повітря Роб. подача
B41 Повітря Роб. подача
B42 Повітря Роб. подача
B43 Повітря Роб. подача
B44 Повітря Роб. подача
B45 Повітря Роб. подача
B46 ЗОР Роб. подача
B47 ЗОР Роб. подача
175
B48 ЗОР Роб. подача
B49 ЗОР Роб. подача

96
B50 ЗОР Роб. подача
B51 Повітря Приск. хід
B52 Повітря Приск. хід
175
B53 Повітря Приск. хід
B54 Повітря Приск. хід
B55 Повітря Приск. хід
Згідно з цим планом передбачається просвердлювання 55 глухих отворів
глибиною від 15 до 30 мм, що змінюється з кроком 5 мм. Швидкість різання
змінюється в рекомендованому виробником ріжучого інструменту діапазоні від 125
до 225 м/хв з кроком 25 м/хв. Подача інструменту варіюється від 0,2 мм/об до 0,4
мм/об з кроком 0,1 мм/об. Також цей план передбачає оцінку впливу швидкості
виведення інструменту з отвору на якість поверхні.
3.4 Вплив товщини оброблюваного матеріалу на шорсткість поверхні
різу, матеріал сталь 30ХГСА
Для оцінки впливу параметрів обробки на сили різання були побудовані
графіки залежності сил різання від величини подачі інструменту (рисунок 3.20) і
від швидкості різання (рисунок 3.21). Графіки, представлені рисунку 3.20,
підтверджують лінійну залежність сил різання від подачі свердла.

Рисунок 3.20 – Графік залежності сил різання від подачі інструменту

97

Рисунок 3.21 – Графік залежності сил різання від швидкості різання
Поданий графік на рисунку 3.21 підтверджує те, що збільшення подачі
інструменту тягне за собою пропорційне збільшення сили різання спрямованої
вздовж осі свердла Z. Стосовно сил різання, спрямованих уздовж осей X і Y
тенденція зберігається.
Таким чином, згідно з залежностями, представленими на рисунку 3.21 обробка
отворів на швидкості різання v=175 м/хв, є найбільш кращою з точки зору
виникнення деформаційних сил різання.
3.5 Дослідження впливу режимів різання на якість поверхні та точність
циліндричних отворів
Контроль висоти мікронерівностей поверхонь отворів проводився за
допомогою контактного профілактометра Taylor Hobson TalySurf i200 (рисунок
4.11) з алмазним наконечником. Як контрольовані параметри за ГОСТ 25142-82
обрані Ra і Rz як найбільш універсальні і використовуються в реальному
виробництві для контролю шорсткості аналогічних виробів. Для програмного
аналізу отриманої філограми використовувався фільтр Гауса, ширина смуги
пропускання 300:1 (ISO), базова довжина 0,8 мм.

98

Рисунок 3.22 – Процес вимірювання шорсткості поверхні отворів на
контактному профілометрі TalySurf i200
На основі отриманих даних побудовано графіки залежності шорсткості
поверхні отвору від величини подачі інструменту (рисунок 3.23), швидкості
різання (рисунок 3.24), швидкості виведення інструменту (рисунок 3.25) та
глибини свердління (рисунок 3.26).

Рисунок 3.23 – Графіки залежності шорсткості поверхні отвору від величини
подачі інструменту
Виходячи з отриманих результатів досліджень, на підставі проведених
вимірювань шорсткості поверхні отворів раціональним значенням подачі
інструменту є Sn=0,3 мм/об. При цьому, згідно з графіками рисунка 3.24, швидкість
різання менш вплив на шорсткість.

99

Рисунок 3.24 – Графіки залежності шорсткості поверхні отвору від величини
швидкості різання
Також були побудовані залежності висотних параметрів шорсткості від
швидкості виведення інструменту (рисунок 3.25), з яких видно, що швидкість
виведення свердла з отвору безпосередньо впливає на формування якості поверхні
отвору. Для збереження якості поверхні потрібно виводити свердло з отвору на
швидкості - рівній швидкості подачі інструменту.

Рисунок 3.25 – Графіки залежності шорсткості поверхні отвору від швидкості
виведення інструменту з отвору

100

Рисунок 3.26 – Графіки залежності шорсткості поверхні отвору від глибини
отвору
Зі збільшенням глибини просвердлюваного отвору знижується якість
одержуваної поверхні. Це відображено на графіку рисунка 3.26. При свердлінні
отворів глибиною більше 5D відведення стружки ускладнене, тому обов'язково має
використовуватися ЗОР.
Проведені експериментальні дослідження показують, що параметри обробки
впливають на шорсткість поверхні. При високій швидкості різання та високих
подачах спостерігається погіршення якості поверхні. При високих швидкостях
обробки може відбуватися розпушування матеріалу, пов'язане з високою
температурою в зоні різання. Також на шорсткість поверхні негативно впливає
вібрація інструменту (свердла). Зі збільшенням швидкості подачі збільшується
швидкість видалення стружки, що також може призвести до поганої поверхні
отвору. Зазначені вище дані показують, що існує залежність між параметрами
обробки та шорсткістю поверхні.
Контроль точності отворів проводився за допомогою координатно-
вимірювальної машини (КІМ) Carl Zeiss CONTURA G2 (рис. 3.27) з використанням
технології сканування.

101

Рисунок 3.27 – Вимірювання діаметральних розмірів отворів на координатно-
вимірювальній машині Contura G2
На рисунках 3.28 та 3.29 показано вплив режимів різання на діаметральний
розмір просвердленого отвору.

Рисунок 3.28 – Графік залежності відхилення діаметра від отворів від
швидкості подачі інструменту
При збільшенні подачі інструменту відбувається відхилення діаметра отвору
від заданого у більшу сторону. Це пов'язано насамперед із відносно малою
жорсткістю спірального свердла та зростаючою силою, що діє вздовж осі
інструменту.

102

Рисунок 3.29 – Графік залежності відхилення діаметра від отворів від
швидкості різання
На графіку рисунка 3.29 видно, що зі збільшенням швидкості різання
відбувається зниження відхилення заданого діаметра отвору. Зі збільшенням
частоти обертання шпинделя стійкість системи зростає.
Також варто відзначити, що вібрація інструменту на високих режимах різання
найбільше впливає на діаметр отвору. Вібрація інструменту може досягати
максимальних значень при торканні інструментом заготовки та в нижній частині
отвору.
3.6 Дослідження впливу параметрів обробки на відхилення отворів від
циліндричності
Відхилення від циліндричності визначається як найбільша відстань від точок
реальної поверхні до прилеглого циліндра в межах нормованої ділянки (рисунок
3.30). Вимірювання відхилень від циліндричності отворів просвердлених свердлом
R840-0900-50 A1A проводилися за допомогою КІМ Carl Zeiss Contura G2.

103

Рисунок 3.30 – Відхилення від циліндричності
Таблиця 3.13 – Відхилення від циліндричності
Довжина робочої Подача інстру- Швидкість Відхилення від
частини менту, мм/об різання, м/мин циліндричності,
спірального мм
сверд3л0а , мм 0,3 125 0,02
30 0,3 125 0,02
30 0,3 225 0,02
70 0,3 225 0,01
30 0,2 175 0,01
70 0,2 175 0,01
30 0,4 175 0,02
70 0,4 175 0,01
50 0,2 125 0,02
50 0,2 225 0,02
50 0,4 125 0,01
50 0,4 225 0,02
50 0,3 175 0,01
50 0,3 175 0,01
50 0,3 175 0,01
Аналіз результатів вимірювань, наведених у таблиці, дозволяє зробити
висновок, що при свердлінні отворів із частотою обертання шпинделя, що входить
до зони стійкого різання, відхилення від циліндричності є мінімальним.
3.7 Дослідження впливу режимів різання на вібраційну стійкість

104
операції свердління отворів
При 4421об/хв частотні спектри сил різання і частотні спектри коливань не
показують ніяких піків біля поперечної моди, а також крутильно-осьової моди.
Також немає слідів вібрації на обробленій поверхні. При частоті 7073 об/хв та 7957
об/хв частотний спектр сил різання та коливань показує домінуючий пік на частоті
поперечної моди. Піки біля своєї частоти поперечної моди разом із збільшенням
амплітуд коливань і сил демонструють поперечну нестійкість. На Рисунку 3.31
показана оброблена поверхня дна отвору, де видно сліди вібрацій з частотою
поперечної моди. При частоті 6189 об/хв частотні спектри сил різання і частотні
спектри коливань не показують ніяких піків біля поперечної моди, а також
крутильно-осьової моди. Також немає слідів вібрації на обробленій поверхні.
Порівняння отриманих результатів шорсткості поверхонь отворів дозволяє
зробити висновок, що при свердлінні з охолодженням стисненим повітрям на
швидкості 175 м/хв та подачею інструменту 0,3 мм/об поверхня отворів відповідає
7 квалітету. При використанні мастильно-охолоджувальної рідини на
вищевказаних режимах різання поверхня отворів відповідає 6 квалітету. При цьому
отвори виконані з допуском відхилення від розміру по Н8.

а) Режими різання: n=4421 об/хв, б) Режими різання: n=5305 об/хв,
Sn=0,3 мм/об lo=15мм
Sn=0,3 мм/об lo=15мм

в) Режими різання: n=7073 об/хв, г) Режими різання: n=7957 об/хв,
Sn=0,3 мм/об lo=15мм Sn=0,3 мм/об lo=15мм

105

д) Режими різання: n=6189 об/хв, е) Режими різання:: n=6189 об/хв,
Sn=0,3 мм/об lo=15мм Sn=0,3 мм/об lo=15мм, ЗОР
Рисунок 3.31 – Торцева поверхня отворів

Таблиця 3.14 - Раціональні режими різання для свердління отворів в
алюмінієвому сплаві свердлом R840-0900-50 A1A
Швидкіс Подача Швидкість Охолоджув Шорсткість Відхилення
ть інструмента виведення альне Ra, мкм від діаметра,
різання, , Sn [мм/об] інструмент середовищ мм
v[мм/хв] у з отвору, е
vв
[мм/хв]
175 0,3 2700 ЗОР 0,45–0,55 0,018–
0,020
Висновок до розділу 3
1. Проведено аналіз різних типів конструкцій затискних патронів для
закріплення ріжучого інструменту на металорізальних верстатах. Встановлено, що
спосіб закріплення інструменту, клас балансування та жорсткість затискного
патрона впливають на точність і якість одержуваних отворів.
2. Проаналізована методика дозволяє вибрати найбільш ефективний
патрон на підставі контролю динамічних та статичних параметрів
інструментального налагодження, тим самим підвищивши продуктивність та
точність обробки отворів.
3. Визначено залежність контрольованих геометричних параметрів
просвердлених отворів від типу затискного патрона, що використовується. На

106
підставі отриманих даних, для свердління точних отворів, рекомендується
використовувати термоусадочний або гідропластовий затискні патрони.
4. Проведено дослідження залежності точності отворів від технологічних
параметрів операції свердління. Встановлено, що відхилення від діаметра отвору
відповідає емпіричній математичній моделі, параметрами якої є довжина робочої
частини спірального свердла, швидкість різання та подача інструменту.
5. Проведено дослідження шорсткості поверхні отворів. Встановлено, що
на шорсткість поверхні впливає швидкість виведення інструменту. Для зниження
негативного впливу швидкості виведення інструменту слід виймати свердло з
отвору на робочій подачі.
6. Виконано оцінку вібраційної стійкості операції свердління отворів.
Підтверджено наявність областей стійкого та нестійкого різання. Встановлено, що
свердління отворів на режимах різання, визначених за допомогою діаграми
вібраційної стійкості, дозволяє отримувати отвори по 7-8 квалітету та шорсткістю
поверхнею Ra до 1,25 мкм без використання додаткових операцій механообробки,
таких як зенкерування та розгортання.

107
Розділ 4. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях
4.1 Технології переробки алюмінієвой стружки
Переробка алюмінієвої стружки може здійснюватися різними технологіями та
методами:
1. Високочастотна індукційна плавка:
Цей метод використовує високочастотне електромагнітне поле для нагрівання
алюмінієвої стружки до температури плавління. Плавлений метал потім легко
заливається у форму.
2. Екструзія:
Процес екструзії застосовується для створення довгих, безперервних форм,
таких як профілі, труби або дроти. Алюмінієва стружка піддається високому тиску
і виштовхується через спеціальну матрицю.
3. Лиття під тиском:
Гаряче лиття, це заливка плавленого алюмінію у форму під високим тиском
для отримання складних форм. Холодне лиття, з іншого боку, використовує
твердий алюміній або сплав, підігрітий до температури нижче за плавлення.
4. Ламінація:
Холодна ламінація використовується для створення тонких листів алюмінію.
Процес включає прокатку металу через валки при низьких температурах.
5. Механічне подрібнення:
Цей процес включає механічне подрібнення алюмінієвої стружки до дрібного
порошку, який може використовуватися в різних застосуваннях, таких як добавка
до композитних матеріалів.
6. Вторинна переплавка:
Вторинний переплав включає використання вторинних алюмінієвих відходів
або старих виробів для отримання вторинного алюмінію. Це екологічно
ефективний спосіб зниження споживання первинних сировинних ресурсів.
7. Електрохімічне анодування:

108
Анодування використовується для створення захисного шару оксиду на
поверхні алюмінієвих виробів. Цей шар може покращити корозійну стійкість та
надати можливості для декоративного оздоблення.
8. Електрохімічна обробка:
Електрохімічна обробка використовується для видалення оксидів та
забруднень із поверхні алюмінію. Це може бути важливим етапом у процесі
підготовки матеріалу перед додатковою обробкою.
9. Плавлення в сольових ваннах:
Процес плавлення у сольових ваннах дозволяє отримувати високоякісний
алюміній. У цьому процесі сіль служить для стабілізації температури та
забезпечення легкості плавлення.
10. Комбіновані технології:
Багато підприємств використовують комбінацію різних технологій для
оптимізації процесу досягнення певних характеристик продукції. Ці технології є
лише частиною широкого спектра методів переробки алюмінієвої стружки, і вибір
конкретної технології залежить від вимог кінцевого продукту, бюджету та
екологічних критеріїв.
Комбіновані технології переробки алюмінієвої стружки часто включають
кілька етапів або методів для досягнення кінцевого результату, наприклад:
1. Механічне подрібнення та вторинна переплавка:
Спочатку алюмінієва стружка піддається механічному подрібненню для
отримання дрібніших частинок.
Потім ці частинки переплавляються вдруге за допомогою технології вторинної
переплавки.
2. Електрохімічне анодування та ламінація:
Спочатку алюмінієва стружка піддається електрохімічному анодуванню для
створення оксидного захисного шару.
Потім анодований матеріал може бути підданий процесу ламінації для
отримання тонких листів з покращеними механічними властивостями.

109
3. Вторинна переплавка та високочастотна індукційна плавка:
Спочатку відбувається вторинне переплавлення алюмінієвої стружки для
отримання металевого розплаву.
Цей розплав може бути підданий високочастотній індукційній плавці для
точного контролю температури та інших параметрів.
4. Механічне подрібнення та лиття під тиском:
Алюмінієва стружка спочатку піддається механічному подрібненню для
отримання дрібних частинок.
Ці частки можуть бути використані в процесі лиття під тиском для створення
складних формованих деталей.
5. Електрохімічне анодування та екструзія:
Анодований алюміній може бути підданий процесу екструзії для створення
виробів з певними формами та профілями.
6. Вторинна переплавка та механічна обробка:
Алюмінієва стружка спочатку переплавляється вдруге.
Потім отриманий матеріал піддається механічній обробці, як токарна або
фрезерна обробка.
7. Екструзія та електрохімічне оксидування:
Алюмінієва стружка екструдується для формування довгих профілів.
Ці профілі можуть бути піддані електрохімічному оксидуванню для
поліпшення захисних властивостей.
Ці приклади демонструють можливість комбінувати різні технології
переробки задля досягнення певних цілей чи поліпшення характеристик кінцевого
продукту. Комбіновані підходи дозволяють гнучкіше використовувати
різноманітні технології у виробничих процесах.
Для високочастотного індукційного плавлення алюмінієвої стружки
використовується спеціальне обладнання, яке здатне створювати високочастотні
електромагнітні поля. Нижче наведено список прикладів обладнання, яке може
використовуватися для цього процесу:

110
1. Індукційні плавильні печі:
Високочастотні індукційні плавильні печі: це спеціалізоване обладнання, яке
генерує високочастотні електромагнітні поля для нагрівання алюмінієвої стружки
до температури плавлення. Ці печі забезпечують ефективний та швидкий процес
плавки.
2. Індукційні генератори:
Високочастотні індукційні генератори: Генератори створюють високочастотні
електромагнітні поля, які передаються індукційні котушки всередині плавильних
печей. Це забезпечує ефективний та точний контроль нагріву.
3. Індукційні котушки:
Спеціалізовані індукційні котушки: Розроблені для конкретних завдань
плавки алюмінієвої стружки, ці котушки встановлюються усередині плавильних
печей та призначені для ефективної передачі енергії у матеріал.
4. Конденсаторні банки:
Конденсаторні банки: Використовуються для зберігання енергії та
забезпечують стабільне електромагнітне поле протягом процесу плавки.
5. Системи охолодження:
Охолоджувачі: Так як індукційна плавка створює високі температури, системи
охолодження важливі для підтримки стабільності процесу та запобігання перегріву
обладнання.
6. Системи управління та моніторингу:
Контролери: Забезпечують точне керування параметрами плавки, такими як
температура та час, для досягнення потрібних результатів.
Системи моніторингу: Дозволяють операторам відстежувати та контролювати
важливі параметри процесу в режимі реального часу.
7. Захисні системи:
Системи безпеки: Включають датчики та системи захисту для забезпечення
безпеки роботи та запобігання аварійним ситуаціям.

111
Технологія високочастотної індукційної плавки алюмінієвої стружки включає
кілька ключових операцій:
1. Підготовка матеріалу:
Збір та підготовка стружки: Стружка збирається з джерела та піддається
необхідної підготовці, включаючи видалення забруднень та чужорідних частинок.
2. Напрямок в індукційну плавильну піч:
Транспортування: Підготовлена стружка направляється до індукційної
плавильної пічки, де відбудеться процес нагрівання.
3. Розміщення у плавильній печі:
Розміщення у формі: Стружка укладається у форму або каркас усередині
плавильної печі, забезпечуючи правильний розподіл матеріалу.
4. Генерація високочастотного електромагнітного поля:
Запуск індукційної плавильної печі: Генератори створюють високочастотні
електромагнітні поля в індукційних котушках, встановлених у плавильній печі.
5. Індукційне нагрівання:
Нагрів стружки: Високочастотні електромагнітні поля створюють
електричний струм у стружці, викликаючи її нагрівання до температури плавлення.
6. Плавлення:
Перетворення на рідину: Під впливом індукційного нагріву алюмінієва
стружка переходить із твердого стану на рідкий.
7. Виливка у форму:
Виливка: Плавлений алюміній виливається у попередньо підготовлену форму
для створення кінцевого продукту.
8. Охолодження:
Початкове охолодження: Охолодження відбувається після виливки, і форма
може бути піддана додатковому охолодженню або контрольованого охолодження
в спеціальній камері.
9. Вилучення та обробка готового виробу:

112
Вилучення із форми: Після досягнення необхідної твердості, виріб витягується
з форми.
Подальша обробка: Поверхня та форма виробу можуть піддаватися
додатковим операціям, таким як обробка, обвалення, шліфування або інші процеси,
залежно від вимог.
10. Контроль якості:
Інспекція: Перевірка якості проводиться в процесі та після завершення,
включаючи вимірювання розмірів, виявлення дефектів та інші параметри.
11. Упаковка та відвантаження:
Упаковка: Готові вироби упаковуються відповідно до вимог замовника.
Відвантаження: Готові продукти надсилаються клієнту або на наступний етап
виробництва.
Процес екструзії алюмінієвої стружки є специфічною технологією, яка
дозволяє створювати продукти з постійним поперечним перерізом, такі як профілі,
труби або дроти. Нижче наведено загальний список операцій у технології екструзії
алюмінієвої стружки:
1. Підготовка матеріалу:
Збір та підготовка стружки: Алюмінієва стружка, яка буде використовуватися
для екструзії, збирається та піддається процесам очищення та сортування.
2. Прогрівання матеріалу:
Нагрів: Алюмінієва стружка піддається нагріванню до певної температури, що
забезпечує його достатню пластичність для процесу екструзії.
3. Завантаження матеріалу в діжку екструдера:
Завантаження: Підготовлена стружка завантажується в бочку екструдера, де
відбудеться процес екструзії.
4. Процес екструзії:
Пресування: Стружка піддається тиску, що створюється гвинтовим
механізмом екструдера. Це дозволяє алюмінію пройти через матрицю та прийняти
потрібну форму.

113
5. Формування продукту:
Вихід: Алюмінієва стружка проштовхується через матрицю, при цьому
набуває форми профілю або іншого продукту.
6. Охолодження:
Охолодження продукту: Новоутворений продукт охолоджується, щоб
зафіксувати його форму та структуру.
7. Різання продукту:
Різання: Довгі екструдовані профілі можуть бути відрізані на потрібні розміри.
8. Обробка поверхні:
Обробка: Після екструзії продукт може піддаватися додатковим операціям,
таким як обробка поверхні, полірування або нанесення захисних покриттів.
9. Вимірювання та контроль якості:
Вимірювання: Вимірює розміри та інші характеристики продукту, щоб
переконатися у відповідності до вимог.
10. Упаковка та відвантаження:
Упаковка: Готові вироби упаковуються відповідно до вимог замовника.
Відвантаження: Готові продукти надсилаються клієнту або на наступний етап
виробництва.
Технологія лиття під тиском алюмінієвої стружки дозволяє отримувати
складні та точні деталі з високою продуктивністю. Нижче наведено загальний
список операцій у технології лиття під тиском:
1. Підготовка форми:
Виготовлення форми: Створення форми, що відповідає бажаній геометрії
деталі.
2. Підготовка алюмінієвої стружки:
Підготовка матеріалу: Алюмінієва стружка піддається процесам сортування,
очищення та, при необхідності, попереднього нагрівання.
3. Наповнення камери подачі матеріалу:

114
Завантаження стружки: Підготовлена стружка завантажується в камеру подачі
матеріалу ливарної машини.
4. Розрідження та нагрівання:
Розрідження: Алюмінієва стружка розріджується та розігрівається у
спеціальній камері перед подачею до ливарної камери.
Плавлення: Розігріта стружка переходить у рідкий стан.
5. Лиття під тиском:
Запуск ливарної машини: рідкий алюміній подається під тиском усередину
форми, повністю заповнюючи її.
6. Охолодження та затвердіння:
Охолодження: Продукт остигає у формі, що призводить до його затвердіння.
Витяг: Затверділий відлив витягується з форми.
7. Обробка відливу:
Відбиття надлишку матеріалу: видаляються надлишки матеріалу, такі як
заливки або виливки.
8. Обробка поверхні:
Шліфування та обробка: Продукт піддається операціям шліфування, обробки
та, якщо необхідно, видалення залишків заливальних систем.
9. Термічна обробка (при необхідності):
Відпал: В деяких випадках, щоб змінити механічні властивості, деталь може
бути піддана термічній обробці.
10. Контроль якості:
Інспекція: Перевірка розмірів, форми та інших характеристик для
забезпечення відповідності вимогам.
11. Упаковка та відвантаження:
Упаковка: Готові вироби упаковуються відповідно до вимог клієнта.
Відвантаження: Готові продукти надсилаються клієнту або на наступний етап
виробництва.

115
Технологія лиття під тиском алюмінієвої стружки забезпечує високу
продуктивність та точність, що робить її популярним методом для виробництва
різних алюмінієвих деталей.
Технологія ламінації алюмінієвої стружки використовується створення тонких
листів алюмінію. Нижче наведено загальний список операцій у цьому процесі:
1. Підготовка алюмінієвої стружки:
Збір та підготовка стружки: Алюмінієва стружка збирається та проходить
процеси сортування та очищення для видалення забруднень.
2. Змішування та формування заготівлі:
Змішування: Алюмінієва стружка може бути змішана з іншими компонентами
для покращення характеристик матеріалу.
Формування заготовки: Отримана суміш може бути сформована у заготовку
потрібної форми.
3. Прогрів та підготовка матеріалу:
Нагрів: Заготовка піддається нагріванню для забезпечення пластичності
алюмінію.
Прокатка: Прогріта заготовка проходить через валки для отримання
необхідної товщини.
4. Ламінація:
Процес ламінації: Прогріта та підготовлена заготовка проходить між валками
ламінатора. Цей процес призводить до збільшення довжини та зменшення товщини
матеріалу, формуючи тонкий лист.
5. Додаткові процеси ламінації:
Холодна ламінація: У деяких випадках лист може бути додатково підданий
холодній ламінації для поліпшення механічних властивостей і точності розмірів.
6. Різання та формування:
Різання: Отримані аркуші можуть бути відрізані на потрібні розміри.
Формування: Листи можуть бути піддані додатковим процесам формування
для створення кінцевого продукту.

116
7. Обробка поверхні:
Поверхнева обробка: Листи можуть піддаватися операціям обробки для
покращення їх зовнішнього вигляду або додавання спеціальних властивостей.
8. Контроль якості:
Інспекція: Перевірка якості, включаючи вимірювання товщини, перевірку
наявності дефектів та інші параметри.
9. Упаковка та відвантаження:
Упаковка: Готові листи упаковуються відповідно до вимог клієнта.
Відвантаження: Готові продукти надсилаються клієнту або на наступний етап
виробництва.
Технологія ламінації алюмінієвої стружки дозволяє отримувати тонкі листи
алюмінію з високою поверхневою гладкістю та характеристиками, що робить її
широко використовуваною у промисловості.
Технологія механічного подрібнення алюмінієвої стружки застосовується для
одержання алюмінієвого порошку або частинок різних фракцій. Нижче наведено
загальний список операцій у цьому процесі:
1. Підготовка алюмінієвої стружки:
Збір та підготовка стружки: Стружка збирається та піддається процесам
сортування та очищення для видалення домішок та забруднень.
2. Проміжна обробка:
Розрізання: Довгі скибочки алюмінієвої стружки можуть бути попередньо
розрізані на більш короткі сегменти для полегшення подальшого подрібнення.
3. Механічне подрібнення:
Подрібнення: Алюмінієва стружка піддається подрібненню з використанням
млинів, дробильних машин, або іншого спеціалізованого обладнання. Метою є
одержання алюмінієвого порошку або дрібних частинок.
4. Класифікація та сортування:
Класифікація: Отримані частинки можуть бути класифіковані за розмірами за
допомогою сит та інших пристроїв.

117
Сортування: сортування частинок за розмірами, формою або іншими
параметрами для отримання необхідної фракції.
5. Обробка поверхні (за потреби):
Обробка: Отримані частинки можуть піддаватися обробці поверхні для
покращення їх характеристик або додавання певних властивостей.
6. Упаковка та відвантаження:
Упаковка: Подрібнений алюміній може бути запакований відповідно до вимог
клієнта.
Відвантаження: Готові продукти надсилаються клієнту або на наступний етап
виробництва.
Технологія механічного подрібнення алюмінієвої стружки використовується
для отримання алюмінієвого порошку, який може бути використаний у різних
галузях, таких як виробництво фарб, лаків, металевих покриттів та інших
технологічних процесах.
Вторинна переплавка алюмінієвої стружки є процес використання вторинних
алюмінієвих матеріалів для отримання нового алюмінію. Нижче наведено
загальний список операцій у технології вторинної переплавки алюмінієвої
стружки:
1. Збір та сортування вторинних матеріалів:
Збір: Збираються алюмінієві вторинні матеріали, такі як відходи, старі вироби
або брухт.
Сортування: Матеріали сортуються за типами та чистотою, видаляються
домішки та сторонні елементи.
2. Переробка та підготовка матеріалу:
Руйнування: Вторинні матеріали зазнають руйнування, наприклад,
механічного подрібнення або дроблення, щоб отримати дрібніші частинки.
Обробка: Може включати видалення оксидів та інші процеси підготовки
матеріалу до плавки.
3. Нагрів та плавка:

118
Нагрів: Підготовлені вторинні матеріали піддаються нагріванню, щоб досягти
температури плавлення алюмінію.
Плавка: Алюміній плавиться, перетворюючись на рідкий стан.
4. Очищення від домішок (за потреби):
Фільтрування: Проводиться фільтрація розплавленого алюмінію для
видалення залишків домішок та забруднень.
5. Рафінування та регулювання складу:
Рафінування: Процеси рафінування можуть використовуватися для
покращення чистоти та якості алюмінію.
Регулювання складу: Можуть додаватися легуючі елементи для отримання
необхідних характеристик сплаву.
6. Лиття або формування:
Лиття: Плавлений алюміній може бути вилитий у форму для створення
кінцевого продукту.
7. Охолодження та формування:
Охолодження: Отриманий відлив охолоджується для зафіксування його
форми та структури.
Обробка: Після охолодження відлив може піддаватися додатковому
обробленню, такому як механічна обробка або термічна обробка.
8. Контроль якості:
Інспекція: Проводиться перевірка якості, включаючи вимірювання розмірів,
виявлення дефектів та інші параметри.
9. Упаковка та відвантаження:
Упаковка: Готові вироби або матеріали упаковуються відповідно до вимог
клієнта.
Відвантаження: Готові продукти надсилаються клієнту або на наступний етап
виробництва.
Технологія вторинної переплавки алюмінієвої стружки є ефективним методом
зменшення використання первинних сировинних ресурсів і зниження на довкілля.

119
Технологія електрохімічного анодування алюмінієвої стружки призначена для
створення оксидних захисних покриттів на поверхні алюмінію. Ці покриття
надають алюмінію стійкості до корозії, а також можуть бути використані для
декоративних або функціональних цілей. Нижче наведено загальний список
операцій у технології електрохімічного анодування:
1. Підготовка алюмінієвої стружки:
Збір та підготовка стружки: Алюмінієва стружка збирається та піддається
процесам сортування та очищення для видалення домішок та забруднень.
2. Механічна обробка (при необхідності):
Шліфування або полірування: Поверхня алюмінію може бути піддана
механічній обробці для видалення дефектів та отримання гладкої поверхні.
3. Очищення поверхні:
Хімічна очистка: Поверхня алюмінію піддається хімічному очищенню для
видалення залишків забруднень та жирів.
4. Анодування:
Підготовка електроліту: Підготовляється електроліт, який є розчином кислоти
або лугу.
Іммерсія в електроліт: Алюмінієва стружка міститься в електроліті, а її
поверхня служить анодом в електричному ланцюзі.
5. Електричне підключення:
Підключення до джерела струму: Алюмінієва стружка підключається до
джерела постійного струму, а катод (зазвичай виготовлений з алюмінію) також
міститься в електроліті.
6. Утворення оксидного шару:
Процес анодування: відбувається електрохімічне окислення поверхні
алюмінію, що призводить до утворення щільного оксидного шару, відомого як
анодна плівка.
7. Контроль товщини покриття:

120
Вимірювання товщини: Проводиться контроль товщини оксидного шару, що
утворився, який може бути регульований шляхом зміни параметрів процесу.
8. Забарвлення (при необхідності):
Процес фарбування: Якщо потрібний, оксидний шар може бути пофарбований
шляхом занурення в розчин, що фарбує.
9. Закріплення оксидного шару:
Закріплення: Оксидний шар закріплюється шляхом його термічної обробки.
10. Контроль якості:
Інспекція: Проводиться перевірка якості, включаючи вимірювання товщини
покриття та перевірку кольору.
11. Упаковка та відвантаження:
Упаковка: Анодовані вироби упаковуються відповідно до вимог клієнта.
Відвантаження: Готові продукти надсилаються клієнту або на наступний етап
виробництва.
Технологія електрохімічного анодування надає широкий спектр можливостей
управління характеристиками оксидного шару, що робить її популярною у
виробництві алюмінієвих виробів.
Електрохімічна обробка алюмінієвої стружки може включати різні операції
залежно від конкретного процесу бажаного результату. Нижче наведено загальний
список операцій у технології електрохімічної обробки:
1. Підготовка алюмінієвої стружки:
Збір та підготовка стружки: Алюмінієва стружка збирається та проходить
через процеси сортування та очищення для видалення домішок.
2. Очищення поверхні:
Хімічна очистка: Алюмінієва стружка може бути піддана хімічному
очищенню для видалення залишків масел, жирів та інших забруднень.
3. Підготовка електроліту:
Підготовка розчину: Електроліт, що містить хімічні речовини, які підходять
для обробки, готується для занурення стружки.

121
4. Занурення в електроліт:
Іммерсія: Алюмінієва стружка занурюється у підготовлений електроліт.
5. Електрохімічна обробка:
Анодування: Процес електрохімічного анодування може бути використаний
для формування оксидного шару на поверхні алюмінію, покращуючи його
корозійну стійкість та візуальні властивості.
6. Електроосадження (при необхідності):
Електроосадження: Електрохімічний процес, при якому металеві іони
осідають на поверхню алюмінію, може бути використаний для нанесення тонких
металевих покриттів.
7. Контроль параметрів процесу:
Вимірювання струму та напруги: Проводиться контроль параметрів
електрохімічного процесу для забезпечення бажаного результату.
8. Регулювання часу та температури:
Керування процесом: Час обробки, температура та інші параметри можуть
регулюватися для досягнення потрібних характеристик обробленої стружки.
9. Очищення та вихід з електроліту:
Очищення: Після завершення процесу стружка може бути вилучена з
електроліту.
Промивання: Промивання для видалення залишків електроліту з поверхні
стружки.
10. Сушіння (при необхідності):
Сушка: Оброблена стружка може бути піддана сушінню, щоб усунути
залишкову вологу.
11. Контроль якості:
Інспекція: Проводиться перевірка якості, включаючи візуальний огляд та
вимірювання характеристик обробленої стружки.
12. Упаковка та відвантаження:
Упаковка: Оброблена стружка упаковується відповідно до вимог замовника.

122
Відвантаження: Готові продукти надсилаються клієнту або на наступний етап
виробництва.
Технологія електрохімічної обробки алюмінієвої стружки може
застосовуватися для створення різних функціональних та декоративних поверхонь
із покращеними характеристиками.
Технологія плавлення алюмінієвої стружки в сольових ваннах також відома як
сольовий процес, часто використовується для отримання алюмінію високої
чистоти. У цьому процесі алюмінієва стружка плавиться у ванні, що містить
сольовий розплав, що дозволяє уникнути окислення та зменшити вплив небажаних
домішок. Нижче наведено загальний список операцій у цій технології:
1. Підготовка алюмінієвої стружки:
Збір та підготовка стружки: Алюмінієва стружка збирається та проходить
через процеси сортування та очищення для видалення домішок.
2. Завантаження ванн із сіллю:
Підготовка сольової ванни: Ванна наповнюється сіллю, яка буде розплавом
для плавлення алюмінію.
3. Нагрів сольової ванни:
Нагрів: Сіль у ванні піддається нагріванню до високої температури,
забезпечуючи плавлення та підтримання розплаву.
4. Нагрів алюмінієвої стружки:
Підготовка стружки: Алюмінієва стружка завантажується в сольову ванну і
піддається нагріванню до температури плавлення.
5. Плавлення алюмінієвої стружки у сольовій ванні:
Плавлення: Алюмінієва стружка плавиться у сольовій ванні, утворюючи
рідкий алюміній.
6. Відділення домішок:
Обробка: Можливе проведення процесів, спрямованих на відділення та
видалення домішок та сторонніх частинок з розплаву.
7. Контроль температури:

123
Моніторинг: Температура сольової ванни підтримується на певному рівні для
забезпечення необхідних умов плавлення та якості розплаву.
8. Виїмка алюмінію із сольової ванни:
Виймання: рідкий алюміній виймається з сольової ванни для подальшої
обробки.
9. Обробка розплаву (за потреби):
Обробка: Розплав може піддаватися додатковим процесам, таким як
очищення, легування або інші операції для отримання кінцевого продукту.
10. Контроль якості:
Інспекція: Проводиться перевірка якості, включаючи аналіз складу та
загальних характеристик розплаву.
11. Охолодження та формування (при необхідності):
Охолодження: Можливе проведення процесів охолодження для формування
необхідної структури та властивостей алюмінію.
12. Упаковка та відвантаження:
Упаковка: Готовий алюміній упаковується відповідно до вимог замовника.
Відвантаження: Готові продукти надсилаються клієнту або на наступний етап
виробництва.
Технологія плавлення в сольових ваннах надає можливість отримання
високочистого алюмінію і може бути корисною у виробництві, де потрібна висока
чистота металу.
4.2 Обладнання для переробки алюмінієвої стружки
Обладнання для переробки алюмінієвої стружки варіюється залежно від
конкретного процесу вимог виробництва:
1. Дробильне обладнання:
Дробарки або подрібнювачі для первинної обробки алюмінієвої стружки,
розбиваючи її на дрібніші частинки.
2. Вторинні плавильні печі:

124
Плавильні печі для вторинного переплавлення алюмінієвої стружки та
отримання розплавленого алюмінію.
3. Високочастотні індукційні печі:
Печі для високочастотного індукційного плавлення алюмінієвої стружки з
метою точного контролю температури та управління процесом.
4. Екструзійне обладнання:
Преса для екструзії алюмінієвої стружки для формування профілів, труб та
інших деталей.
5. Ливарне обладнання під тиском:
Ливарні машини для лиття під тиском алюмінієвої стружки для створення
злитків або складних деталей.
6. Обладнання для механічної обробки:
Токарні верстати, фрезерні верстати, свердлильні верстати та інше обладнання
для механічної обробки алюмінієвої стружки.
7. Обладнання для електрохімічної обробки:
Електрохімічні ванни, апарати для анодування та інші пристрої
електрохімічної обробки алюмінієвої стружки.
8. Системи фільтрації та очищення:
Фільтри для видалення домішок, системи очищення та сепаратори для
обробки розплавленої стружки.
9. Системи контролю та автоматизації:
Датчики, системи контролю температури, системи автоматизації для
управління процесами та забезпечення якісного виробництва.
10. Установки для спалювання газів:
Системи для уловлювання та обробки газів, що виділяються у процесі
переробки алюмінієвої стружки.
11. Обладнання для пакування та відвантаження:
Системи упаковки, конвеєри, палетайзери та інші пристрої для пакування та
відправлення готової продукції.

125
12. Лабораторне обладнання:
Обладнання для аналізу якості алюмінієвої стружки, наприклад спектральні
аналізатори, мікроскопи та інші лабораторні прилади.
Цей список надає загальний огляд обладнання, яке може використовуватись у
різних етапах переробки алюмінієвої стружки. Кожен процес може вимагати
унікального обладнання відповідно до його специфікацій та цілей.

126
Загальні висновки
Застосування методів математичного моделювання, апаратних засобів
модального аналізу, обладнання та ріжучого інструменту для високопродуктивної
механообробки дозволило значно скоротити номенклатуру використовуваного
інструменту за рахунок отримання отворів високої точності та шорсткості
безпосередньо після свердління, минаючи операції зенкерування або розгортання.
При вирішенні завдань, позначених у роботі та спрямованих на досягнення
поставленої мети, було отримано такі результати:
1. Математична модель процесу свердління, що враховує динамічні
коливання інструментальної системи та фізико-механічні властивості
оброблюваного матеріалу дозволяє обґрунтовано призначати режими різання для
операції свердління точних отворів без попереднього засвердлювання.
2. Проведені дослідження та аналіз отриманих результатів дозволили
визначити емпіричні залежності між режимами різання, довжиною спірального
свердла та величиною відхилення від діаметра отвору.
3. Проведено дослідження оброблюваності алюмінієвих сплавів, що
деформуються. Встановлено, що емпіричні параметри, що характеризують
оброблюваність, можуть описати матеріал при моделюванні процесу свердління, і
можуть використовуватися як у спеціальних програмних продуктах, так і з
використанням мов програмування високого рівня.
4. Основи вибору затискного патрона, для операції обробки отворів
свердлінням, з урахуванням переданого крутного моменту, класу балансування та
вібраційних параметрів інструментального налагодження дозволяють на етапі
розробки технологічних процесів забезпечити вибір технологічних рішень,
спрямованих на підвищення продуктивності та вібраційної стійкості операції
сверління.
5. Виконано моделювання діаграми вібраційної стійкості процесу
свердління. Встановлено вплив швидкості виведення інструменту на збереження

127
якості поверхні отвору. При виведенні інструменту з отвору на швидкості рівної
швидкості подачі інструменту, якість поверхні отвору є найкращою.
6. Рекомендації дозволять технологам-розробникам керуючих програм
механообробки деталей з алюмінієвих сплавів на верстатах з ЧПУ підвищити
продуктивність та якість обробки отворів свердлінням за рахунок призначення
режимів різання, що враховують вібраційний стан технологічної системи та фізико-
механічні властивості оброблюваного матеріалу. Виключити з технологічного
процесу операції, що виправляють геометричні дефекти отворів, такі як
зенкерування або розгортання.

128
Список використаної літератури
1. Дмитриченко М. Ф., Пахолюк А. П., Хільчевський В. В. та ін.
Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство : підручник. Київ :
Либідь, 2007. 624 с.
2. Хільчевський В. В., Кондратюк С. Є., Степаненко В. О.
Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів : навч. посіб. Київ
: Либідь, 2002. 328 с.
3. Яковенко І. Є., Царенко О. М., Клепка О. В. Технологічні основи
машинобудування : навч. посіб. Харків : НТУ «ХПІ», 2022. 296 с.
4. Яковенко І. Є., Царенко О. М., Клепка О. В. Технологічні основи
машинобудування. Практикум. Харків : НТУ «ХПІ», 2024. 156 с.
5. Ключников Ю. В. та ін. Технологія конструкційних матеріалів.
Обробка різанням : методичні вказівки до лабораторних робіт. Київ : КПІ ім.
Ігоря Сікорського, 2017. 45 с.
6. Кондрашев П. В. Матеріалознавство : навч. посіб. Київ : КПІ ім. Ігоря
Сікорського, 2023. 243 с.
7. Бурдейна В. М., Аксьонов О. Ф., Дьоміна О. В. Розмірний аналіз
вихідних параметрів координованих розмірів отворів. Вісник НТУ «ХПІ».
Серія: Нові рішення в сучасних технологіях. 2021. № 2. С. 11-17.
8. Роп’як Л. Я. Вплив інерційних сил на точність обробки отворів у
деталях машин. Вісник НТУ «ХПІ». 2014. № 31. С. 139-144.
9. Абдулкерімов І. Д. Забезпечення якості різьбових отворів у корпусних
деталях з алюмінієвих сплавів. Вісник НТУ «ХПІ». 2016. № 17. С. 3-9.
10. Пилипенко І. В., Чигрин В. С. Технологічне забезпечення точності та
шорсткості отворів при обробці на верстатах з ЧПК. Вісник Черкаського
державного технологічного університету. 2020. № 4. С. 58-66.
11. Скирта А. Ю., Рудь В. О. Особливості обробки алюмінієвих сплавів
різанням. Молодий вчений. 2019. № 10. С. 210-214.

129
12. Довбня О. М., Петренко І. В. Сучасні інструментальні матеріали для
свердління отворів в алюмінієвих сплавах. Прогресивні технології і системи
машинобудування. 2021. № 2. С. 44-52.
13. Савчин Б. І. Підвищення точності свердління отворів у тонкостінних
деталях : дис. ... канд. техн. наук. Львів, 2018. 186 с.
14. Колупаєв О. О. Удосконалення інструментальної оснастки для
високошвидкісної обробки алюмінієвих сплавів на верстатах з ЧПК :
магістерська дис. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. 128 с.
15. Посітько А. В. Проєктування кінцевої збірної фрези для оброблення
алюмінієвих сплавів : бакалавр. робота. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021.
98 с.
16. Прежиних К. М. Мітчик для обробки алюмінієвих сплавів : бакалавр.
проєкт. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2020. 86 с.
17. Кравчук Б. В. Підвищення ефективності обробки отворів
інструментами з надтвердих матеріалів : бакалавр. проєкт. Київ : КПІ ім. Ігоря
Сікорського, 2022. 103 с.
18. Котельнік В. В. Конструкторсько-технологічне забезпечення
виготовлення деталі «Корпус водяного насосу» : бакалавр. проєкт. Київ : КПІ
ім. Ігоря Сікорського, 2021. 158 с.
19. Лящик А. О. Модернізація свердлильного верстата з ЧПК для обробки
металів і сплавів : бакалавр. проєкт. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023. 96
с.
20. Chiou R.Y., Liang S.Y. Chatter Stability of a Slender Cutting Tool in
Turning with Tool Wear Effect / R.Y. Chiou, S.Y Liang // International Journal of
Machine Tools and Manufacture. – 1998. – Vol. 38. – №4. – P. 315-327
21. Sandvik Coromant. CoroDrill 400 - indexable drilling. Sandviken : Sandvik
Coromant, 2024. 132 p.
22. Sandvik Coromant. CoroDrill 860 with -GM geometry for ISO N materials.
Sandviken : Sandvik Coromant, 2024. 48 p.

130
23. SECO Tools. Holemaking - Product catalogue. Fagersta : SECO Tools,
2024. 220 p.
24. Kennametal. Holemaking and finishing tools catalog. Pittsburgh :
Kennametal, 2024. 210 p.
25. Guhring KG. Drilling and reaming tools for aluminium and non-ferrous
materials. Albstadt : Guhring, 2024. 164 p.
26. Iscar Ltd. Hole making tools. Tefen : Iscar, 2024. 198 p.
27. Dormer Pramet. Precision hole making handbook. Sumperk : Dormer
Pramet, 2023. 96 p.
28. Stephenson D. A., Agapiou J. S. Metal Cutting Theory and Practice. 3rd ed.
Boca Raton : CRC Press, 2016. 936 p.
29. Altintas Y. Manufacturing Automation: Metal Cutting Mechanics, Machine
Tool Vibrations, and CNC Design. 2nd ed. Cambridge : Cambridge University
Press, 2012. 366 p.
30. Trent E. M., Wright P. K. Metal Cutting. 4th ed. Oxford : Butterworth-
Heinemann, 2000. 446 p.
31. Childs T., Maekawa K., Obikawa T., Yamane Y. Metal Machining: Theory
and Applications. London : Arnold, 2000. 408 p.
32. Byrne G., Dornfeld D., Denkena B. Advancing cutting technology. CIRP
Annals. 2003. Vol. 52, no. 2. P. 483-507.
33. De Chiffre L. et al. Industrial survey on ISO surface roughness parameters.
CIRP Annals. 2000. Vol. 49, no. 2. P. 635-652.
34. Tlusty J. Analysis of the state of research in cutting dynamics. CIRP Annals.
1978. Vol. 27, no. 2. P. 583-589.
35. Tobias S. A. Machine-Tool Vibration. London : Blackie, 1965. 365 p.
36. Budak E., Altintas Y. Analytical prediction of chatter stability in milling.
Part I: General formulation; Part II: Application to common milling systems. Journal
of Dynamic Systems, Measurement, and Control. 1998. Vol. 120. P. 22-36.

131
37. Ahmadi K., Altintas Y. Identification of machining process damping using
output-only modal analysis. Journal of Manufacturing Science and Engineering.
2014. Vol. 136, no. 5. Art. 051016.
38. Ema S., Fujii H., Marui E. Chatter vibration in drilling. Journal of
Engineering for Industry. 1988. Vol. 110. P. 309-314.
39. Roukema J. C., Altintas Y. Generalized modeling of drilling vibrations. Part
I: Time domain model of drilling kinematics, dynamics and hole formation.
International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2007. Vol. 47, no. 9. P.
1455-1473.
40. Roukema J. C., Altintas Y. Generalized modeling of drilling vibrations. Part
II: Chatter stability in frequency domain. International Journal of Machine Tools and
Manufacture. 2007. Vol. 47, no. 9. P. 1474-1485.
41. Lee S. J., Eman K. F., Wu S. M. An analysis of the drill wandering motion.
Journal of Engineering for Industry. 1987. Vol. 109, no. 4. P. 297-305.
42. Galloway D. F. Some experiments on the influence of various factors on
drilling performance. Transactions of the ASME. 1957. Vol. 79. P. 191-231.
43. Haggerty W. A. Effects of point geometry and dimensional symmetry on
drill performance. International Journal of Machine Tool Design and Research.
1961. Vol. 1, no. 1. P. 41-58.
44. Pirtini M., Lazoglu I. Forces and hole quality in drilling. International
Journal of Machine Tools and Manufacture. 2005. Vol. 45, no. 2. P. 1271-1281.
45. Abele E., Elsenheimer J., Hohenstein J., Tschannerl M. Influence of drill
dynamics on bore quality. CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2005. Vol.
54, no. 1. P. 83-86.
46. Abdelhafeez A. M., Soo S. L., Aspinwall D. K., Dowson A., Arnold D.
Burr formation and hole quality when drilling titanium and aluminium alloys.
Procedia CIRP. 2015. Vol. 37. P. 230-235. DOI: 10.1016/j.procir.2015.08.019.

132
47. Uddin M. S., Basak A. K., Pramanik A., Singh S., Krolczyk G. M.
Evaluating hole quality in drilling of Al 6061 alloys. Materials. 2018. Vol. 11, no.
12. Art. 2443. DOI: 10.3390/ma11122443.
48. Giasin K., Hodzic A., Phadnis V., Ayvar-Soberanis S. Assessment of
cutting forces and hole quality in drilling Al2024 aluminium alloy: experimental and
finite element study. The International Journal of Advanced Manufacturing
Technology. 2017. Vol. 87. P. 2041-2061.
49. Aamir M. et al. A review: drilling performance and hole quality of
aluminium alloys for aerospace applications. Journal of Materials Research and
Technology. 2020. Vol. 9, no. 6. P. 12484-12500. DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.09.003.
50. Habib N., Sharif S., Ahmad Y. H. M. et al. Analysis of hole quality and
chips formation in dry drilling of Al-2024. Materials and Manufacturing Processes.
2021. Vol. 36, no. 10. P. 1160-1174.
51. Messaoudi F., Yallese M. A., Mabrouki T. Robotic drilling of aluminum
alloy: performance and hole quality. Periodica Polytechnica Mechanical
Engineering. 2023. Vol. 67, no. 4. P. 329-340.
52. Jimenez A., Arizmendi M., Cumbicus W. E. Model for the prediction of
low-frequency lateral vibrations in drilling process with pilot hole. The International
Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. Vol. 96. P. 1971-1990.
53. Parsiana A., Magnevall M., Beno T., Eynian M. A mechanistic approach to
model cutting forces in drilling with indexable inserts. Procedia CIRP. 2014. Vol.
14. P. 74-79.
54. Uhlmann E., Richarz S. Twisted deep hole drilling tools for hard machining.
Journal of Manufacturing Processes. 2016. Vol. 24. P. 225-230.
55. Kilickap E. Modeling and optimization of burr height in drilling of Al-7075
using Taguchi method and response surface methodology. The International Journal
of Advanced Manufacturing Technology. 2010. Vol. 49. P. 911-923.
56. Davim J. P., Reis P., António C. C. Drilling fibre reinforced
plastics/aluminium stacks: influence of feed rate and cutting speed on damage and

133
hole quality. Journal of Materials Processing Technology. 2008. Vol. 203. P. 431-
438.
57. Nouari M., List G., Girot F., Coupard D. Experimental analysis and
optimisation of tool wear in dry machining of aluminium alloys. Wear. 2003. Vol.
255. P. 1359-1368.
58. Denkena B., Biermann D. Cutting edge geometries. CIRP Annals -
Manufacturing Technology. 2014. Vol. 63, no. 2. P. 631-653.
59. Klocke F. Manufacturing Processes 1: Cutting. Berlin : Springer, 2011. 504
p.
60. König W., Klocke F. Fertigungsverfahren. Bd. 1: Drehen, Fräsen, Bohren.
8. Aufl. Berlin : Springer, 2008. 516 p.
61. ISO 286-1:2010. Geometrical product specifications (GPS) - ISO code
system for tolerances on linear sizes - Part 1: Basis of tolerances, deviations and fits.
62. ISO 286-2:2010. Geometrical product specifications (GPS) - ISO code
system for tolerances on linear sizes - Part 2: Tables of standard tolerance grades
and limit deviations for holes and shafts.
63. ISO 2768-1:1989. General tolerances - Part 1: Tolerances for linear and
angular dimensions without individual tolerance indications.
64. ISO 1101:2017. Geometrical product specifications (GPS) - Geometrical
tolerancing - Tolerances of form, orientation, location and run-out.
65. ISO 4287:1997. Geometrical Product Specifications (GPS) - Surface
texture: Profile method - Terms, definitions and surface texture parameters.
66. ISO 4288:1996. Geometrical Product Specifications (GPS) - Surface
texture: Profile method - Rules and procedures for the assessment of surface texture.
67. ISO 230-1:2012. Test code for machine tools - Part 1: Geometric accuracy
of machines operating under no-load or quasi-static conditions.
68. ISO 230-2:2014. Test code for machine tools - Part 2: Determination of
accuracy and repeatability of positioning of numerically controlled axes.

134
69. ISO 3002-1:1982. Basic quantities in cutting and grinding - Part 1:
Geometry of the active part of cutting tools - General terms, reference systems, tool
and working angles, chip breakers.
70. ISO 3685:1993. Tool-life testing with single-point turning tools.
71. DIN 69893-1:1996. Hollow taper shank interface with flange contact
surface - Part 1: Dimensions of shanks.
72. DIN 69888:2008. Balancing quality requirements of rotating tool systems.
73. ДСТУ 8302:2015. Бібліографічне посилання. Загальні положення та
правила складання.
74. ДСТУ 3008:2015. Інформація та документація. Звіти у сфері науки і
техніки. Структура та правила оформлення.
75. ДСТУ ISO 235:2018. Свердла короткої та середньої серій із
циліндричним хвостовиком.
76. Haas Automation. Operator’s Manual - CNC Mill. Oxnard : Haas
Automation, 2024. 692 p.
77. Методичні рекомендації до підготовки, написання та з
кваліфікаційної роботи для здобувачів освітнього рівня «магіс спеціальністю
131 - «Прикладна механіка», освітні програми «Тех машинобудування» та
«Обробка металів за спецтехнологіями» усіх навчання [Електроне видання] /
Уклад.: Г.В. Канашевич, О.О. Коваленко, Є.В. Хижняк; М-во освіти і науки
України, Черкас. технол. ун-т. – Черкаси : ЧДТУ, 2023.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets