Наукові доповіді Національного університету біоресурсів і природокористування України

Вплив вібрацій на якість обробки та знос інструменту під час різання металів

Олександр Бринюк, Ярослав Гречанюк
Завантажити статтю
Анотація

Метою дослідження було всебічне оцінювання впливу вібраційного навантаження на інтенсивність зношування ріжучого інструменту, стабільність різального процесу, теплові характеристики зони контакту та якість обробленої поверхні під час фрезерування металевих матеріалів. Експериментальна частина охоплювала порівняння трьох конструкцій інструментів: базового зразка без демпфування, конфігурації з пасивним демпфером та інструмента з адаптивною вібраційною вставкою. Дослідження проводилось за фіксованих параметрів подачі, глибини різання та швидкості обертання, із застосуванням методів віброаналізу, тепловізійного контролю, контактної профілометрії та динамометричного вимірювання сил різання. Згідно з отриманими результатами, використання адаптивної вставки забезпечило комплексне підвищення стабільності процесу різання та ресурсу інструменту. Середній радіальний знос зменшився на 43 % (з 0.192 мм до 0.109 мм), що супроводжувалося зниженням пікової температури в зоні контакту з 244 °C до 202 °C (-42°C) та зменшенням сумарної сили різання на 25.7 %. Динамічні характеристики також покращилися: середньоквадратичне прискорення вібрацій знизилося на 47,5 % (з 2,45 м/с² до 1.27 м/с²), а інтегральна спектральна енергія – утричі (з 12.6 м²/с⁴ до 4.2 м²/с⁴). Параметр шорсткості зменшився з 1.35 мкм до 0.63 мкм, що відображає покращення якості обробленої поверхні. Морфологічний аналіз виявив перехід від безперервної до сегментованої стружки, що свідчить про зниження теплових та механічних навантажень у зоні різання. Загальний індекс стабільності процесу знизився з 1.00 до 0.43, що підтверджує ефективність активного демпфування в умовах коливального навантаження. Результати підтверджують ефективність адаптивного демпфування для зменшення динамічного навантаження, підвищення точності та покращення енергетичної рівноваги фрезерування. Практична цінність дослідження полягає у можливості впровадження отриманих результатів у виробничих цехах машинобудівних, авіакосмічних та приладобудівних підприємств, а також у дослідницьких лабораторіях, що займаються оптимізацією процесів високоточної механічної обробки металів

Ключові слова

вібраційне навантаження, адаптивне демпфування, шорсткість поверхні, сила різання, морфологія стружки, індекс стабільності

ЦИТУВАТИ
Bryniuk, O., & Hrechaniuk, Ya. (2025). Impact of vibrations on machining quality and tool wear during metal cutting. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 21(5),129-144. https://doi.org/10.31548/dopovidi/5.2025.129
Використані джерела
  1. Akdeniz, E., & Arslan, H. (2024). Experimental study on new tool holder design to reduce vibration in turning operations. Journal of Vibration Engineering & Technologies, 12(4), 6341-6353. doi: 10.1007/s42417-023-01255-2.
  2. Bertolini, R., Andrea, G., Alagan, N.T., & Bruschi, S. (2023). Tool wear reduction in ultrasonic vibration-assisted turning of SiC-reinforced metal-matrix composite. Wear, 523, article number 204785. doi: 10.1016/j.wear.2023.204785.
  3. Chang, B., Yi, Z., Zhang, F., Duan, L., & Duan, J. (2024). A comprehensive research on wear resistance of GH4169 superalloy in longitudinal-torsional ultrasonic vibration side milling with tool wear and surface quality. Chinese Journal of Aeronautics, 37(4), 556-573. doi: 10.1016/j.cja.2023.07.009.
  4. Chen, Z., Feng, P., Wang, J., Feng, F., & Zha, H. (2022). Understanding the abnormal effects of ultrasonic vibration on tool wear and surface generation in Zr-based bulk metallic glass cutting. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 39, 1-17. doi: 10.1016/j.cirpj.2022.07.004.
  5. Chikwendu, O.C., Emeka, U.C., & Obiuto, N.C. (2025). Digital twin applications for predicting and controlling vibrations in manufacturing systems. World Journal of Advanced Research and Reviews, 25(1), 764-772. doi: 10.30574/wjarr.2025.25.1.3821.
  6. Ehsan, S., Ali, M.A., Khan, S.A., Sana, M., Yasir, M., Anwar, S., & Farooq, M.U. (2024). Understanding the effects of cutting conditions on vibrations, surface integrity, machining temperature and tool wear mechanisms in end milling of AISI D2 Steel. Tribology International, 198, article number 109894. doi: 10.1016/j.triboint.2024.109894.
  7. Gomes, M.C., Brito, L.C., da Silva, M.B., & Duarte, M.A.V. (2021). Tool wear monitoring in micromilling using support vector machine with vibration and sound sensors. Precision Engineering, 67, 137-151. doi: 10.1016/j.precisioneng.2020.09.025.
  8. ISO 3685:1993. (1993). Tool-life testing with single-point turning tools. Retrieved from https://www.iso.org/standard/9151.html.
  9. Kam, M., & Şeremet, M. (2021). Experimental investigation of the effect of machinability on surface quality and vibration in hard turning of hardened AISI 4140 steels using ceramic cutting tools. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, 235(5), 1565-1574. doi: 10.1177/09544089211007366.
  10. Kuntoğlu, M., Gupta, M.K., Aslan, A., Salur, E., & Garcia-Collado, A. (2022). Influence of tool hardness on tool wear, surface roughness and acoustic emissions during turning of AISI 1050. Surface Topography: Metrology and Properties, 10(1), article number 015016. doi: 10.1088/2051-672X/ac4f38.
  11. Lan, Q., Chen, B., Yao, B., & He, W. (2024). Tool wear state recognition with deep transfer learning based on spindle vibration for milling process. Computer Modeling in Engineering & Sciences, 138(3), 2825-2844. doi: 10.32604/cmes.2023.030378.
  12. Li, C., Zhao, G., Ji, D., Zhang, G., Liu, L., Zeng, F., & Zhao, Z. (2024). Influence of tool wear and workpiece diameter on surface quality and prediction of surface roughness in turning. Metals, 14(11), article number 1205. doi: 10.3390/met14111205.
  13. Li, K.-M., & Lin, Y.-Y. (2023). Tool wear classification in milling for varied cutting conditions: With emphasis on data pre-processing. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 125(1), 341-355. doi: 10.1007/s00170-022-10701-6.
  14. Liu, X., Xiong, Y., & Yang, Q. (2025). Ultrasonic vibration-assisted machining particle-reinforced al-based metal matrix composites – a review. Metals, 15(5), article number 470. doi: 10.3390/met15050470.
  15. Loveikin, V., Romasevych, Yu., & Kadykalo, I. (2023). Dynamic analysis of the joint movement of the hoisting and slewing mechanisms of a boom crane. Machinery & Energetics, 14(4), 75-85. doi: 10.31548/machinery/4.2023.75.
  16. Maeng, S., Ito, H., Kakinuma, Y., & Min, S. (2023). Study on cutting force and tool wear in machining of die materials with textured PCD tools under ultrasonic elliptical vibration. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, 10(1), 35-44. doi: 10.1007/s40684-022-00416-0.
  17. Marousi, M., Rimpault, X., Turenne, S., & Balazinski, M. (2023). Initial tool wear and process monitoring during titanium metal matrix composite machining (TiMMC). Journal of Manufacturing Processes, 86, 208-220. doi: 10.1016/j.jmapro.2022.12.047.
  18. Nasir, V., Dibaji, S., Alaswad, K., & Cool, J. (2021). Tool wear monitoring by ensemble learning and sensor fusion using power, sound, vibration, and AE signals. Manufacturing Letters, 30, 32-38. doi: 10.1016/j.mfglet.2021.10.002.
  19. Novitskyi, M., & Slipchuk, А. (2024). Features of the use of vibration dampers in the design of vibration-resistant metal cutting tools. In Proceeding of Ⅰst international conference “Applied mechanics” (pp. 52-55). Ternopil: Ivan Pulyuy Ternopil National Technical University.
  20. Omelyanov, O., Polievoda, Y., & Zamriі, M. (2021). Prospects for the use of vibration during cutting material. Vibrations in Engineering and Technologies, 1(100), 104-114. doi: 10.37128/2306-8744-2021-1-10.
  21. Pukhovskyi, E.S. (2022). The effect of vibrations on the stability of a multi-blade tool. Technical Engineering, 2(90), 44-51. doi: 10.26642/ten-2022-2(90)-44-51.
  22. Rahman, A.Z., Jauhari, K., Al Huda, M., Untariyati, N.A., Azka, M., Rusnaldy, R., & Widodo, A. (2024). Correlation analysis of vibration signal frequency with tool wear during the milling process on martensitic stainless steel material. Arabian Journal for Science and Engineering, 49(8), 10573-10586. doi: 10.1007/s13369-023-08397-1.
  23. Rauf, A., Khan, M.A., Jaffery, S.H.I., & Butt, S.I. (2024). Effects of machining parameters, ultrasonic vibrations and cooling conditions on cutting forces and tool wear in meso scale ultrasonic vibrations assisted end-milling (UVAEM) of Ti-6Al-4V under dry, flooded, MQL and cryogenic environments – a statistical analysis. Journal of Materials Research and Technology, 30, 8287-8303. doi: 10.1016/j.jmrt.2024.05.202.
  24. Sarath, S., & Paul, P.S. (2021). Application of smart fluid to control vibration in metal cutting: a review. World Journal of Engineering, 18(3), 458-479. doi: 10.1108/WJE-06-2020-0232.
  25. Silva, F.J.G., Martinho, R.P., Magalhães, L.L., Fernandes, F., Sales-Contini, R.C., Durão, L.M., Casais, R.C.B., & Sousa, V.F.C. (2024). A comparative study of different milling strategies on productivity, tool wear, surface roughness, and vibration. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 8(3), article number 115. doi: 10.3390/jmmp8030115.
  26. Tomashevskyi, O., & Balytska, N. (2023). The process of metal and alloy micro-milling: An analytical review. Technical Engineering, 2(92), 74-88. doi: 10.26642/ten-2023-2(92)-74-88.
  27. Yang, B., Wang, M., Liu, Z., Che, C., Zan, T., Gao, X., & Gao, P. (2023). Tool wear process monitoring by damping behavior of cutting vibration for milling process. Journal of Manufacturing Processes, 102, 1069-1084. doi: 10.1016/j.jmapro.2023.07.077.
  28. Yin, S., Yip, W.S., Dong, Z., Kang, R., & To, S. (2025). Experimental and simulation investigation of ultrasonic elliptical vibration cutting of tungsten alloys in ultra-precision machining. Journal of Materials Research and Technology, 34, 77-89. doi: 10.1016/j.jmrt.2024.12.026.
  29. Yu, F., Zhang, C., Zhu, Q., Liu, C., & Dong, Z. (2023). Investigation of ultrasonic mechanism and development of tool wear model in ultrasonic elliptic vibration assisted cutting of stainless steel. Tribology International, 189, article number 108962. doi: 10.1016/j.triboint.2023.108962.
  30. Zenkin, M., Ivanko, A., & Chernysh, M. (2025). Influence of cutting tool vibrations on the surface quality of cut sheet materials and methods for their minimization. Innovative Technologies and Scientific Solutions for Industries, 2(32), 188-198. doi: 10.30837/2522-9818.2025.2.188.
  31. Zhang, H., Wang, B., Qu, L., & Wang, X. (2024). Optimization of tool wear and cutting parameters in SCCO2-MQL ultrasonic vibration milling of SiCp/Al composites. Machines, 12(9), article number 646. doi: 10.3390/machines12090646.
  32. Zhang, P., Zhang, X., Cao, X., Yu, X., & Wang, Y. (2021). Analysis on the tool wear behavior of 7050-T7451 aluminum alloy under ultrasonic elliptical vibration cutting. Wear, 466-467, article number 203538. doi: 10.1016/j.wear.2020.203538.
  33. Zhuang, K., Shi, Z., Sun, Y., Gao, Z., & Wang, L. (2021). Digital twin-driven tool wear monitoring and predicting method for the turning process. Symmetry, 13(8), article number 1438. doi: 10.3390/sym13081438.