Дослідження торцевої ступінчастої фрези при фінішній обробці плоских поверхонь
DOI:
https://doi.org/10.26642/ten-2025-1(95)-45-58Ключові слова:
торцеве фрезерування, ступінчаста фреза, сили різання, шорсткість, площинність, чистова обробка, СЧ21Анотація
У статті представлено результати експериментального дослідження впливу складових сили різання на якість обробки при чистовому торцевому фрезеруванні сірого чавуну СЧ21 із застосуванням розробленої торцевої ступінчастої фрези. Особливу увагу приділено аналізу сил різання, шорсткості поверхні та відхилень від площинності оброблених поверхонь залежно від параметрів режиму обробки – швидкості різання та подачі на зуб. Проведено порівняння результатів під час використання одного нерухомо закріпленого різального елемента (РЕ) відносно корпусу фрези та застосування рухомого РЕ з контактом відносно копіра. Встановлено, що при підвищенні подачі на зуб зростають усі складові сили різання, що веде до погіршення як шорсткості обробки, так і збільшення відхилення від площинності. Разом з тим при підвищенні швидкості різання до V = 11,72 м/с спостерігається зниження сил різання та покращення якості обробленої поверхні. Запропонована конструкція фрези з виконанням чистового РЕ в осьовому напрямі з пружним контактом із нерухомим копіром дозволяє компенсувати пружні деформації, стабілізувати положення РЕ та знизити похибки обробки. Отримані результати можуть бути використані під час оптимізації конструкцій торцевих фрез та режимів обробки для підвищення точності та якості обробки при фрезеруванні.
Посилання
Masmiati, N., Sarhan, A.A.D., Hassan, M.A. and Hamdi, M. (2016), «Optimization of Cutting Condi-tions for Minimum Residual Stress, Cutting Force and Surface Roughness in End Milling of S50C Medium Carbon Steel», Measurement, No. 86, рр. 253–265.
Liu, Y., Cui, N., Chen, H.et al. (2022), «Effect of Temperature on Milling Stability of Thin-Walled Parts», Proc. Inst. Mech. Eng. Part B J. Eng. Manuf, No. 237, рр. 414–423.
Liang, S.Y., Ren, Y.-Y., Jia, B.-G. et al. (2024), «Stability of Micro-Milling Tool Consider-ing Tool Breakage», J. Manuf. Mater. Process., No. 8, 122 р.
Cheng, Y.N., Li, M.L. and Zheng, Y.G. (2009), «Zhao Study on Distributing Principle of Force Density Function for Complex Three-Dimension Groove Milling Insert», Mater. Sci. Forum., Vol. 626–627, рр. 629–634.
Stepchyn, Ya.A. (2016), «Porivnialna kharakterystyka dynamiky protsesiv tortsevoho frezeruvannia frezamy standartnykh ta spetsialnykh konstruktsii», Visnyk ZhDTU. Ser. Tekhnichni nauky, No. 1 (72), рр. 51–56.
Vyhovskyi, H.M. (1999), «Kolyvannia syl rizannia pry obrobtsi detalei tortsevymy stupinchastymy frezamy», Visnyk ZhITI. Inzhenerni nauky, Issue 9.
Vyhovskyi, H.M., Hromovyi, O.A. and Plysak, M.M. (2023), «Doslidzhennia vplyvu syl rizannia pry chystovomu tortsevomu frezeruvanni na protsesy formoutvorennia obrobliuvanykh poverkhon», Tekhnichna inzheneriia, No. 2 (92), рр. 53–59, doi: 10.26642/ten-2023-2(92)-53-59.
Vyhovskyi, H., Plysak, M., Balytska, N. et al. (2021), «Engineering Methodology for Determining Elastic Displacements of the Joint “Spindle Assembly-Face Milling Cutter” While Machining Planes», in Tonkonogyi, V. et al. (ed.), Advanced Manufacturing Processes II, (InterPartner) 2020, Lecture Notes in Mechanical Engineering, doi: 10.1007/978-3-030-68014-5_26.
Melnyk, O., Hlembotska, L., Balytska, N. et al. (2019), «The Imitation Study of Taper Connections Stiffness of Face Milling Cutter Shank Using Machine Spindle in the SolidWorks Simulation Environment», in Ivanov, V. et al. (ed.), Advances in Design, Simulation and Manufacturing II, (DSMIE) 2019, Lecture Notes in Mechanical Engineering, doi: 10.1007/978-3-030-22365-6_60.
Vásquez Céspedes, H. (2011), «Measuring Cutting Forces in Machining Processes», Rev. Ing., No. 11, рр. 129–141.
Daniyan, I.A., Tlhabadira, I., Phokobye, S.N. et al. (2019), «Modelling and Optimiza-tion of the Cutting Forces during Ti6al4v Milling Process Using the Response Surface Methodol-ogy and Dynamometer», MMSci. J., Vol. 128., рр. 3353–3363.
Vyhovskyi, H., Plysak, M., Balytska, N. et al. (2023), «Numerical Simulation of Cutting Forces in Face Milling», in Tonkonogyi, V., Ivanov, V., Trojanowska, J. et al. (ed.), Advanced Manufacturing Processes IV, (InterPartner) 2022, Lecture Notes in Mechanical Engineering, doi: 10.1007/978-3-031-16651-8_21.
Li, H.Z., Zeng, H. and Chen, X.Q. (2006), «An Experimental Study of Tool Wear and Cutting Force Variation in the End Milling of Inconel 718 with Coated Carbide Inserts», J. Mater. Process Technol., Vol. 180, рр. 296–304.
Ding, P. and Li, Y. (2024), «Time-Varying Dynamic Modeling of Micro-Milling Considering Tool Wear and the Process Parameter Identification», Mech. Based Des. Struct. Mach., Vol. 52, рр. 8658–8684.
Qin, C., Chen, W., Zhang, C. et al. (2023), «Improvement of Dispersion Stability and Polishing Performance of Chemical Mechanical Polishing Slurry for Cemented Car-bide Inserts», J. Dispers. Sci. Technol., рр. 1–11.
Liu, L., Wang, G., Liu, J. et al. (2021), «Dynamic Cutting Force and Stress Distribution of Carbide Insert during Asymmetric Milling of 508III Steel», Integr. Ferroelectr., Vol. 217, рр. 163–169.
Chuangwen, X., Jianming, D., Yuzhen, C. et al. (2018), «The Relation-ships between Cutting Parameters, Tool Wear, Cutting Force and Vibration», Adv. Mech. Eng., Vol. 10, doi: 1687814017750434.
Yesilyurt, I. and Gursoy, H. (2018), «Modeling and Experimental Verification of Cutting Forces in Gear Tooth Cutting», Mach. Sci. Technol., Vol. 22, рр. 30–47.
Kushnirov, P., Gel’atko, M., Dehtiarov, I. et al. (2023), «Milling Heads for Machining Mutually Perpendicular Flat Surfaces», MM Sci. J., рр. 6441–6445.
Melnychuk, P.P. and Loiev, V.Iu. (2024), «Teoretyko-tekhnolohichne obgruntuvannia mozhlyvostei obrobky ploskykh poverkhon detalei tortsevym lezovym instrumentom, osnashchenym nadtverdymy materialamy, zamist shlifuvannia», Visnyk Khmelnytskoho natsionalnoho universytetu. Tekhnichni nauky, No. 3, рр. 164–172.
Wu, W.P. (2008), «Investigation of the Effects of Face-Milling Parameters of Ultra-Large-Scale Plane on Milling Quality», Int. J. Adv. Manuf.Technol., Vol. 37, рр. 241–249.
Tan, G., Liu, G. and Li, G. (2009), «Experimental Study on Adhesive Wear of Milling Insert with Complex Groove», Int. J. Adv. Manuf. Technol., Vol. 44, рр. 631–637.
Mrkvica, I. and Janoš, M. (2014), «Comparison of Round Insert’s Lifetime When Milling Inconel 718», Key Eng. Mater., Vol. 581, рр. 26–31.
Dilipak, H. and Gezgin, A. (2010), «The Investigation of The Effects of Number of Inserts, Cutting Speed and Feed Rate on Surface Roughness in Milling of AISI D3», Steel. J. Polytech.-Politek. Derg., Vol. 13, рр. 29–32.
Vyhovskyi, H.M., Hromovyi, O.A. and Plysak, M.M. (2023), «Analiz vplyvu skhem roztashuvannia formoutvoriuiuchykh rizalnykh elementiv na protsesy vidtysk tortsevykh stupinchastykh frez», Tekhnichna inzheneriia, Issue 1 (91), рр. 42–49, doi: 10.26642/ten-2023-1(91)-42-49.
Vyhovskyi, H.M. (2000), «Pidvyshchennia pratsezdatnosti tortsevykh frez dlia chystovoi obrobky ploskykh poverkhon», Abstract of Ph.D. dissertation, 05.03.01 Protsesy mekhanichnoi obrobky, verstaty ta instrumenty, K., 16 р.
Vyhovskyi, H.M. and Melnychuk, P.P. (1998), «Protses rizannia tortsevymy stupinchatymy frezamy z kosokutnoiu heometriieiu rizalnykh chastyn, shcho osnashcheni nadtverdymy materialamy», Visnyk ZhITI, No. 7, рр. 73–81.
Graves, C.O. and Hans, E. (1956), Patent No. 2,761,196, Face mill, 4 Sep.
Sture, S. (2013), Patent No. 8,550,753, Face mill for fine milling, 8 Oct.
Vyhovskyi, H.M., Hromovyi, O.A., Loiev, V.Iu. and Melnychuk, P.P. (2000), Deklaratsiinyi patent na vynakhid, No. 40156A Ukraina, Sposib ploskoho frezeruvannia tortsevymy frezamy, zaiavl. 17.07.2000, opubl. 16.07.2001.
Vyhovskyi, H.M., Balytska, N.O., Hlembotska, L.Ie., Melnyk, O.L., Plysak, M.M. and Hromovyi, O.A. (2024), Pat. No. 158589 Ukraina, Tortseva stupinchasta freza, zaiavl. 01.07.2024, opubl. 26.02.2025.
Vyhovskyi, H.M., Plysak, M.M., Hlembotska, L.Ie. and Holubovskyi, A.V. (2024), «Udoskonalennia konstruktsii tortsevoi stupinchastoi frezy dlia finishnoi obrobky ploskykh poverkhon detalei», Tekhnichna inzheneriia, No. 1 (93), рр. 45–51, doi: 10.26642/ten-2024-1(93)-45-51.
Damous, M., Zeroudi, N., Chellil, A. et al. (2023), «Prediction of a chatter stability of thin-walled parts during high-speed milling considering a variation of dynamic characteristics based on surface roughness measurement», Int J Adv Manuf Technol., Vol. 127, рр. 5729–5744, doi: 10.1007/s00170-023-11945-6.
Iglesias, A., Munoa, J. and Ciurana, J. (2014), «Optimisation of face milling operations with structural chatter using a stability model based process planning methodology», Int J Adv Manuf Technol., Vol. 70, рр. 559–571, doi: 10.1007/s00170-013-5199-z.
Список використаної літератури:
Optimization of Cutting Condi-tions for Minimum Residual Stress, Cutting Force and Surface Roughness in End Milling of S50C Medium Carbon Steel / N.Masmiati, A.A.D. Sarhan, M.A. Hassan, M.Hamdi // Measurement. – 2016. – № 86. – Р. 253–265.
Effect of Temperature on Milling Stability of Thin-Walled Parts / Y.Liu, N.Cui, H.Chen and other // Proc. Inst. Mech. Eng. Part B J. Eng. Manuf. – 2022. – № 237. – Р. 414–423.
Stability of Micro-Milling Tool Consider-ing Tool Breakage / S.Y. Liang, Y.-Y. Ren, B.-G. Jia and other // J. Manuf. Mater. Process. – 2024. – № 8. – 122 р.
Study on Distributing Principle of Force Density Function for Complex Three-Dimension Groove Milling Insert / Y.N. Cheng, Z.J. Li, M.L. Zheng, Y.G. Zhao // Mater. Sci. Forum. – 2009. – Vol. 626–627. – Р. 629–634.
Степчин Я.А. Порівняльна характеристика динаміки процесів торцевого фрезерування фрезами стандартних та спеціальних конструкцій / Я.А. Степчин // Вісник ЖДТУ. Сер. : Технічні науки. – 2016. – № 1 (72). – С. 51–56.
Виговський Г.М. Коливання сил різання при обробці деталей торцевими ступінчастими фрезами / Г.М. Виговський // Вісник ЖІТІ. Інженерні науки. – 1999. – Вип. 9.
Виговський Г.М. Дослідження впливу сил різання при чистовому торцевому фрезеруванні на процеси формоутворення оброблюваних поверхонь / Г.М. Виговський, О.А. Громовий, М.М. Плисак // Технічна інженерія. – 2023. – № 2 (92). – С. 53–59. DOI: 10.26642/ten-2023-2(92)-53-59.
Engineering Methodology for Determining Elastic Displacements of the Joint «Spindle Assembly-Face Milling Cutter» While Machining Planes / H.Vyhovskyi, M.Plysak, N.Balytska and other // Advanced Manufacturing Processes II, (InterPartner) 2020 : Lecture Notes in Mechanical Engineering ; in V.Tonkonogyi et al. ed. – 2021. DOI: 10.1007/978-3-030-68014-5_26.
The Imitation Study of Taper Connections Stiffness of Face Milling Cutter Shank Using Machine Spindle in the SolidWorks Simulation Environment / O.Melnyk, L.Hlembotska, N.Balytska and other // Advances in Design, Simulation and Manufacturing II, (DSMIE) 2019 : Lecture Notes in Mechanical Engineering ; in V.Ivanov et al. ed. – 2020. DOI: 10.1007/978-3-030-22365-6_60.
Vásquez Céspedes H. Measuring Cutting Forces in Machining Processes / H.Vásquez Céspedes // Rev. Ing. – 2011. – № 11. – Р. 129–141.
Modelling and Optimiza-tion of the Cutting Forces during Ti6al4v Milling Process Using the Response Surface Methodol-ogy and Dynamometer / I.A. Daniyan, I.Tlhabadira, S.N. Phokobye and other // MMSci. J. – 2019. – Vol. 128. – Р. 3353–3363.
Numerical Simulation of Cutting Forces in Face Milling / H.Vyhovskyi, M.Plysak, N.Balytska and other // Advanced Manufacturing Processes IV, (InterPartner) 2022 : Lecture Notes in Mechanical Engineering ; in V.Tonkonogyi, V.Ivanov, J.Trojanowska et al. ed. – 2023. DOI: 10.1007/978-3-031-16651-8_21.
Li H.Z. An Experimental Study of Tool Wear and Cutting Force Variation in the End Milling of Inconel 718 with Coated Carbide Inserts / H.Z. Li, H.Zeng, X.Q. Chen // J. Mater. Process Technol. – 2006. – Vol. 180. – Р. 296–304.
Ding P. Time-Varying Dynamic Modeling of Micro-Milling Considering Tool Wear and the Process Parameter Identification / P.Ding, X.Huang, Y.Li // Mech. Based Des. Struct. Mach. – 2024. – Vol. 52. – Р. 8658–8684.
Improvement of Dispersion Stability and Polishing Performance of Chemical Mechanical Polishing Slurry for Cemented Car-bide Inserts / C.Qin, W.Chen, C.Zhang and other // J. Dispers. Sci. Technol. – 2023. – Р. 1–11.
Dynamic Cutting Force and Stress Distribution of Carbide Insert during Asymmetric Milling of 508III Steel / L.Liu, G.Wang, J.Liu and other // Integr. Ferroelectr. – 2021. – Vol. 217. – Р. 163–169.
The Relation-ships between Cutting Parameters, Tool Wear, Cutting Force and Vibration / X.Chuangwen, D.Jianming, C.Yuzhen and other // Adv. Mech. Eng. – 2018. – Vol. 10. DOI: 1687814017750434.
Yesilyurt I. Modeling and Experimental Verification of Cutting Forces in Gear Tooth Cutting / I.Yesilyurt, H.Gursoy // Mach. Sci. Technol. – 2018. – Vol. 22. – Р. 30–47.
Milling Heads for Machining Mutually Perpendicular Flat Surfaces / P.Kushnirov, M.Gel’atko, I.Dehtiarov and other // MM Sci. J. – 2023. – Р. 6441–6445.
Мельничук П.П. Теоретико-технологічне обґрунтування можливостей обробки плоских поверхонь деталей торцевим лезовим інструментом, оснащеним надтвердими матеріалами, замість шліфування / П.П. Мельничук, В.Ю. Лоєв // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. – 2014. – № 3. – С. 164–172.
Wu W.P. Investigation of the Effects of Face-Milling Parameters of Ultra-Large-Scale Plane on Milling Quality / W.P. Wu // Int. J. Adv. Manuf.Technol. – 2008. – Vol. 37. – Р. 241–249.
Tan G. Experimental Study on Adhesive Wear of Milling Insert with Complex Groove / G.Tan, G.Liu, G.Li // Int. J. Adv. Manuf. Technol. – 2009. – Vol. 44. – Р. 631–637.
Mrkvica I.Comparison of Round Insert’s Lifetime When Milling Inconel 718 / I.Mrkvica, M.Janoš // Key Eng. Mater. – 2014. – Vol. 581. – Р. 26–31.
Dilipak H. The Investigation of The Effects of Number of Inserts, Cutting Speed and Feed Rate on Surface Roughness in Milling of AISI D3 / H.Dilipak, A.Gezgin // Steel. J. Polytech.-Politek. Derg. – 2010. – Vol. 13. – Р. 29–32.
Виговський Г.М. Аналіз впливу схем розташування формоутворюючих різальних елементів на процеси відтиск торцевих ступінчастих фрез / Г.М. Виговський, О.А. Громовий, М.М. Плисак // Технічна інженерія. – 2023. – Вип. 1 (91). – C. 42–49. DOI:10.26642/ten-2023-1(91)-42-49.
Виговський Г.М. Підвищення працездатності торцевих фрез для чистової обробки плоских поверхонь : автореф. дис. … к.т.н. : 05.03.01 Процеси механічної обробки, верстати та інструменти / Г.М. Виговський. – К., 2000. – 16 с.
Виговський Г.М. Процес різання торцевими ступінчатими фрезами з косокутною геометрією різальних частин, що оснащені надтвердими матеріалами / Г.М. Виговський, П.П. Мельничук // Вісник ЖІТІ. – 1998. – № 7. – С. 73–81.
Patent No. 2,761,196. Face mill / Graves C.O., Hans E. – 4 Sep. 1956.
Patent No. 8,550,753. Face mill for fine milling / Sture S. – 8 Oct. 2013.
Деклараційний патент на винахід № 40156 A Україна. Спосіб плоского фрезерування торцевими фрезами / Виговський Г.М., Громовий О.А., Лоєв В.Ю., Мельничук П.П. – Заявл. 17.07.2000. ; Опубл. 16.07.2001.
Пат. № 158589 Україна. Торцева ступінчаста фреза / Виговський Г.М., Балицька Н.О., Глембоцька Л.Є., Мельник О.Л., Плисак М.М., Громовий О.А. – Заявл. 01.07.2024 ; опубл. 26.02.2025.
Удосконалення конструкції торцевої ступінчастої фрези для фінішної обробки плоских поверхонь деталей / Г.М. Виговський, М.М. Плисак, Л.Є. Глембоцька, А.В. Голубовський // Технічна інженерія. – 2024. – № 1 (93). – С. 45–51. DOI: 10.26642/ten-2024-1(93)-45-51.
Prediction of a chatter stability of thin-walled parts during high-speed milling considering a variation of dynamic characteristics based on surface roughness measurement / M.Damous, N.Zeroudi, A.Chellil and other // Int J Adv Manuf Technol. – 2023. – Vol. 127. – Р. 5729–5744. DOI: 10.1007/s00170-023-11945-6.
Iglesias A. Optimisation of face milling operations with structural chatter using a stability model based process planning methodology / A.Iglesias, J.Munoa, J.Ciurana // Int J Adv Manuf Technol. – 2014. – Vol. 70. – Р. 559–571. DOI: 10.1007/s00170-013-5199-z.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Георгій Миколайович Виговський, Микола Миколайович Плисак, Юрій Олегович Коваль
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автор, який подає матеріали до друку, зберігає за собою всі авторські права та надає відповідному виданню право першої публікації, дозволяючи розповсюджувати даний матеріал із зазначенням авторства та джерела первинної публікації, а також погоджується на розміщення її електронної версії на сайті Національної бібліотеки ім. В.І. Вернадського.
