Повышение информативности результатов измерений усилий резания при отработке технологии изготовления образцов из металлических и полимерно-композиционных материалов для прочностных испытаний

Авторы

Болсуновский С. А.^*, Пупчин В. А.^**, Титов С. А.

Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ), ул. Жуковского, 1, Жуковский, Московская область, 140180, Россия

*e-mail: sergey.bolsunovskiy@tsagi.ru
**e-mail: vladimir.pupchin@tsagi.ru

Аннотация

Изготовление образцов для прочностных испытаний в обеспечение сертификации авиационных конструкций, в том числе из полимерно-композиционных материалов, требует разработки технологии фрезерования на оборудовании с ЧПУ, обеспечивающей необходимые размерную точность и качество поверхности, а также отсутствие в образцах повреждений, которые могут оказать влияние на результаты проводимых экспериментов. В научно-производственном комплексе ЦАГИ для разработки технологии фрезерования применяется инструментальный программно-аппаратный комплекс на базе динамометрической платформы ф. Kistler (Швейцария).
В статье предлагается алгоритм специальной обработки результатов измерений усилий резания с использованием динамометрической платформы, обеспечивающий повышение информативности технологического эксперимента за счет увеличения частоты дискретизации получаемого сигнала. Применение алгоритма позволило исключить влияние посторонних эффектов, возникающих при оцифровке сигнала, и повысить точность измерения силы резания, по сравнению с алгоритмами, применяемыми в составе программного комплекса Kistler Dynoware, поставляемого вместе с динамометрической платформой. Алгоритм реализован в виде отдельного модуля специализированного программного комплекса для обработки результатов измерений усилий резания.

Ключевые слова:

образцы для прочностных испытаний, высокоскоростное фрезерование, механическая обработка полимерно-композиционных материалов, измерение силы резания при фрезеровании, динамометрическая платформа, обработка результатов измерений сил резания

Список источников

1. Мигранов М.Ш., Гусев А.С., Гарифуллин К.А. и др. Повышение эффективности обработки деталей силовой части газотурбинных двигателей // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 2. С. 183-192. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=180661
2. Федорова Д.К., Иволга Д.В., Алексеев В.П. и др. Исследование обрабатываемости заготовок из стали 316l, полученных методом селективного лазерного сплавления // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 18. № 4(6). С. 1186-1190.
3. Григорьев С.Н., Волосова М.А., Мигранов М.Ш. и др. Эффективность наноструктурированных износостойких покрытий при высокоскоростном фрезеровании титановых сплавов // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 2. С. 188-195. DOI: 10.34759/vst-2023-2-188-195
4. Григорьев С.Н., Волосова М.А., Мигранов М.Ш. и др. Диагностирование температурно-силовых условий лезвийной обработки деталей авиадвигателестроения инструментом с многослойными покрытиями // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 4. С. 231-242. DOI: 10.34759/vst-2022-4-231-242
5. Мордвин М.А., Якимов С.В., Баклушин С.М. Рекомендации по механической обработке композиционных материалов // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. 2010. №2(46). С. 26-29.
6. Instruction Manual Quartz 3-Component Dynamometer Type 9255B. Kistler Group, Winterthur, Switzerland; 2006. 42 p. URL: https://www.manualslib.com/manual/3108517/Kistler-9255c.html#manual
7. Лысянников А.В., Желукевич Р.Б., Кайзер Ю.Ф. Прибор для измерения усилий в процессе резания // Вестник Брянского государственного технического университета. 2013. № 1 (37). С. 91-94.
8. Болсуновский С.А., Вермель В.Д., Губанов Г.А. и др. Расчетно-экспериментальная оценка рациональных технологических параметров высокопроизводительной фрезерной обработки в составе автоматизированной системы технологической подготовки производства аэродинамических моделей самолетов // Известия Самарского Научного Центра Российской Академии Наук. 2012. Т. 14. № 4(2). С. 374-379.
9. Болсуновский С.А., Вермель В.Д., Губанов Г.А. и др. Расчетная оценка и экспериментальное измерение усилий резания при чистовой высокоскоростной фрезерной обработки лопатки ГТД // Авиационно-космическая техника и технология. 2012. №10/97. С. 16-19.
10. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. Л.: Машиностроение, 1986. 184 с.
11. Instruction Manual Dynoware Type 2825A1-2. Kistler Instrumente AG, Winterthur, Switzerland; 2006. 70 p. URL: https://ust.fme.vutbr.cz/obrabeni/rozvoj/Kistler_CNC-DynoWare-How-to-use-it-En.pdf
12. Волков А.В., Устинов И.К. О реальных погрешностях определения сил резания с позиций теории измерений // Электронный журнал: наука, техника и образование. 2016. № 4(9). С. 32-41.
13. Вермель В.Д., Евдокимов Ю.Ю., Калинин А.Г. и др. Контроль целостности образцов слоистого композита при исследовании влияния механической обработки на усталостную долговечность // Неразрушающий контроль композиционных материалов: сборник трудов 4-й Международной научно-технической конференции НККМ-2020 «Приборы и методы неразрушающего контроля качества изделий и конструкций из композиционных и неоднородных материалов» (25-27 ноября 2020; Санкт-Петербург). Санкт-Петербург: СВЕН, 2021. С. 67-72.
14. Болсуновский С.А., Зиняев В.В., Калинин А.Г. и др. Обеспечение низкоповреждающей механической обработки при изготовлении образцов для квалификации композиционных материалов в деталях авиационных конструкций // Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении (ИТММ-2022): Материалы VI всероссийской научно-практической конференции с международным участием (10-14 октября 2022; Пермь). Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2022. С. 93-98.
15. Барышников О.Е., Захаржевский П.А., Корнилов Г.А. и др. Способ определения оптимальных режимов резания полимерного композиционного материала. Патент RU 2847504 C1. Бюл. №28, 06.10.2025. 
16. Реутов В.Н., Дорогов Н.В., Казаков В.А. и др. Трехкомпонентный динамометр для измерения составляющих усилия резания. Авторское свидетельство СССР SU 1543262 A1. Бюл. №6, 15.02.1990. 
17. Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов. Практический подход / Пер. с англ. И.Ю. Дорошенко, А.В. Назаренко. 2-е изд. М.: Вильямс, 2004. 992 с. 
18. Солонина А.И., Клионский Д.М., Меркучева Т.В. и др. Цифровая обработка сигналов и MATLAB. СПб.: БХВ-Петербург, 2013. 512 с.
19. Vaseghi SV. Advanced Digital Signal Processing and Noise Reduction. 4th. John Wiley & Sons Limited; 2008. 546 p.
20. Анисимов В.В., Анисимов В.Н., Чуприна А.Л. Перспективные направления исследований в области измерения усилия резания при точении // Технические науки и технологии. 2016. № 1(3). С. 37-43.
21. Bolsunovskiy S, Vermel V, Gubanov G. Cutting Forces Calculation and Experimental Measurement for 5-axis Ball End Milling. Procedia CIRP. 14th CIRP Conference on Modeling of Machining Operations (CIRP CMMO; June 13-14, 2013; Turin, Italy). 2013;8:235-239. DOI: 10.1016/j.procir.2013.06.095
22. Ge J, Catalanotti G, Falzon BG, et al. Process characteristics, damage mechanisms and challenges in machining of fibre reinforced thermoplastic polymer (FRTP) composites: A review. Composites part B: Enginnering. 2024;273:111247, DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111247
23. Song Y, Qu D, Wu B, et al. Composite light ropes model-based dynamics force prediction model of high speed dry milling UD-CF/PEEK considering size effect. Journal of Manufacturing Processes. 2022;76(3):210-222. DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.01.069
24. Karpat Y, Bahtiyar O, Değer B. Milling force modelling of multidirectional carbon fiber reinforced polymer laminates. Procedia CIRP. 2012;1(1):460–465. DOI: 10.1016/j.procir.2012.04.082
25. Cao H, Song Y, Wu B, et al. A force model of high-speed dry milling CF/PEEK considering fiber distribution characteristics. Journal of Manufacturing Processes. 2021;68:602–615. DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.05.066
26. Duboust N, Pinna C, Ghadbeigi H, et al. FE modelling of CFRP machining- prediction of the effects of cutting edge rounding. Procedia CIRP. 2019;82:59–64. DOI: 10.1016/j.procir.2019.04.037