# Повышение качества изготовления крупногабаритных изделий со смещенным центром тяжести, на токарном станке с ЧПУ на основе анализа параметров вибрации и динамической балансировки

Проведена динамическая балансировка изделия со смещенным центром тяжести на первоначальной стадии черновой обработки, определены слабые в плане «вибрационной» нагруженности места системы станок-приспособление-инструмент-деталь (СПИД), поставлены новые задачи научно-исследовательской работы

| Поле | Значение |
|---|---|
| Автор | Антонычев Станислав Владимирович |
| Организация | ООО «Энергопромсервис» |
| Раздел | Физика |
| Опубликовано | 10.10.2026 |
| Идентификатор | AX-136324 |
| Лицензия | CC BY 4.0 |
| Ключевые слова | вибродиагностика, балансировка изделий со смещенным центром тяжести |

Полный текст (PDF): https://arxivorg.ru/upload/iblock/8fe/a563oj8k7t2whqld9djo1dh3apwkjw0x/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D1%8F%20%D0%A1%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BA%D0%B8.pdf
Источник (HTML): https://arxivorg.ru/physics/povyshenie-kachestva-izgotovleniya-krupnogabaritnykh-izdeliy-so-smeshchennym-tse/
Архив: арХиворг.ру — открытый архив научных препринтов на русском языке.

## Полный текст

1 УДК 533.6.013.423 ГРНТИ 81.83.20 С . В . Антонычев 1  , соискатель E - mail : 25111976 @ list . ru  1 Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова , г. Ижевск , Россия Повышение качества изготовления крупногабаритных изделий со смещенным центром тяжести, на токарном станке с ЧПУ на основе а нализа параметров вибрации и динамической балансировки Аннотация. Проведена динамическая балансировка изделия со смещенным центром тяжести на первоначальной стадии черновой обработки , определены сла- бые в плане «вибрационной» нагру женности места системы станок - приспособле- ние - инструмент - деталь (СПИД) , поставлены новые задачи научно - исследова- тельской работы . Ключевые слова: вибро диагностика , балансировка изделий со смещенным центром тяжести Введение В настоящее время и зготовление крупногабаритных изделий со сме- щенным центром тяжести на токарных станках с ЧПУ затруднено по ряду причин [1 , 2 ] : 1. Увеличение числа оборотов шпинделя станка приводит к повышен- ным вибрациям и сокращает ресурс узлов станка. 2. Динамическая балансировка изделия в специальном приспособле- нии не даёт должного результата, так в процессе обработки изделия сре- зается большая масса металла, которая приводит к разбалансировке. 3. Овальность обточенной детали получается при биении шпинделя вследствие разбалансировк и . Из литературы по технологии обработки деталей со смещенным цен- тром тяжести, на токарном станке известно лишь одно изобретение “Ме- таллорежущий станок для обработки заготовок со смещенным центром тяжести” [2]. Данное устройство для динамической балансировки выполнено в виде охватывающей шпиндель в плоскости, перпендикулярной оси его враще- ния и жестко соединенной с ним, кольцевой емкости, в полости которой размещены легкоплавкий тяжелый сплав и электронагревательные коль- цевые элементы. Станок работает следующи м образом.

2 Заготовку со смещенным центром тяжести закрепляют в зажимных элементах и приводят шпиндель во вращение до закритической частоты, превышающей частоту его свободных круговых колебаний, и одновре- менно нагревая тяжелый сплав электронагревательными э лементами до текучего состояния. При этом в полости кольцевой емкости происходит динамическое пе- рераспределение массы тяжелого сплава, выравнивающее общую степень несбалансированности системы. Затем, поддерживая постоянные обо- роты шпинделя, отключают нагре вательные элементы от источника пи- тания и по достижении затвердевания тяжелого сплава, фиксирующего сбалансированное состояние системы, снижают обороты шпинделя до ра- бочих и производят обработку заготовки. Данн ый способ балансировки совершенно не подходит при изготов- лении цапфы лапы бурового долота (диаметр 660,4 мм), поскольку уста- новлено, при 520 об./мин уже выходит из строя подшипник качения цен- тра задней (упорной) бабки станка , тем самым добиться закритической частоты, превышающей частоту его свободных круговых колебаний не представляется возможным. Данное исследование положило свое начало в июле 2022 года после обращения в адрес ООО «Энергопромсервис», г.Москва к рупнейш его разработчик а и производител я инструментов для бурения о возможност и оказания услуг по получени ю набора балансировочных грузов и мест установки на токарном приспособлении, позволяющем в дальнейшем вы- полнять токарную черновую и чистовую обработку цапфы лапы бурового долота ( диаметр 660,4 мм ) , на м ногоцелево м токарн ом стан ке с ЧПУ мо- дели PUMA 480 L (рис.1) , с заданными параметрами шероховатости по- верхност и (таблица 1). Таблица 1 . Планируемые р ежимы обработки деталей и параметры шероховато- сти поверхностей после динамической балансировки деталей в специальном приспособлении Операция Число обо- ротов шпинделя – n , об./м ин Подача резца на один оборот детали – S , мм/об. Шерохов а- тость, мкм черновая обработка цапф ы лапы бурового долота ( диаметр 660,4 мм ) , 500 0,2 0 - 0,35 Ra 3,2 0 чистовая обработка цапф ы лапы бурового долота ( диаметр 660,4 мм ) , 500 0,1 0 - 0,2 0 Ra 0,63

3 В настоящее время на токарную обработку детали уходит 6 часов. При этом черновая обработка проходит при оборотах шпинделя не выше 20 0 об./мин, а ч и стовая при оборотах не выше 2 5 0 об./мин. При возникнове- нии значительных вибраций работу, как правило, приходится прекра- щать. Рис. 1 . Ц апф а лапы бурового долота ( диаметр 660,4 мм ) в специальном приспо- соблении Вибрация токарного станка, ее причины может быть разделена на сле- дующие группы: • собственные колебания узлов станка; • колебания, возникающие от частоты вращения шпинделя; • колебания, возникающие от дефектов опор качения шпинделя; • колебания, возникающие в процессе резания заготовки. В настоящей статье излагаются методы устранения колебаний, возни- кающих от частоты вращения шпинделя при разбалансировке. Динамическая балансировка пров едена в период с 5 по 7 октября 2022 г. специалистом II уровня по вибрационному анализу машин Антон ы ч е- вым С. , при помощи прибора «А гат - М », пре дназначенного для измерения

4 параметров вибрации и числа оборотов, а также для спектрального ана- лиза вибрационных сигналов в целях диагностики технического состоя- ния технологических машин, и проведения динамической балансировки вращающегося оборудования в с обственных опорах ( номер в ГРСИ РФ: 29452 - 05 , в составе : б лок измерительный БИ070 - М; два вибропреобразо- вателя АС - 102 - 1А ; ф отоотметчик лазерный КР - 020Л , и мпульсный моло- ток с наконечниками ). Прибор « Агат - М » соединили (кабелем) с компьютером, что позво- л и ло выполнить обработку полученных сигналов с использованием про- граммного обеспечения « Диамант - 2 », системы прогнозируемого обслу- живания механического оборудования, разработанного фирмой «Диамех 2000». Укажем до пустимые амплитуды колебания для основных станков: • Токарные, сверлильные, строгальные станки 5 - 10 мкм, • Фрезерные, расточные станки 3 - 7 мкм, • Шлифовальные, прецизионно - расточные станки 1 - 3 мкм, • Отделочные станки до 1 мкм, Станки, имеющие амплитуду колебаний выше 20 мк м , следует счи- тать неисправными или работающими с вибрациями недопустимой вели- чины. Результаты вибрационных и спытаний детали со смещённым цен- тром тяжести Испытания пров е д ены на токарном станке PUMA 480 L в условиях реального резания и в реальном времени. В качестве заготовок использо- вали предварительно фрезерованные детали под черновую, получисто- вую и чистовую обработки. Число оборотов шпинделя токарного станка варьировалось n = 160, 200, 240, 280, 320, 360, 400, 500 и 550 об /мин. Чтобы максимально точно провес т и испытания, поочередно на под- шипниках передней и задней бабк и станка были установлены два акселе- рометра АС - 102 - 1А : один в вертикальной (точка А) другой в горизонталь- ной (точка Б ) плоскост и . На рис унке 2 показаны точки измерения вибрации на подшипниковых опорах, в двух взаимно - перпендикулярных плоскост ях по параметру виб- роперемещения (мкм).

5 Рис. 2. Точки измерения вибрации. Вертикальная (точка А) / горизонтальная (точка В) Принятые обозначения диагностических узлов: 1 – подшипник ш пиндел я передней бабки станка, со стороны ремен- ной передачи 2 – подшипник шпинделя передней бабки станка , со стороны приспо- собления 3 – подшипник вращающ егося центр а задней (упорной) бабки станка Экспресс - диагностика состояния подшипников шпиндел я передней и задней бабки станка на холостом ходу не выявила никаких дефектов. С о- стояни е подшипников качения оценено по форме сигнала виброускоре- ния и пиковому значению виброускорения, м/с 2 . На каждом из обследуемых подшипниковых узлов, в поперечном направлении выполнялись измерения временного сигнала виброускоре- ния (м/с 2 , максимальное значение амплитуды виброускорения в сигнале – ПИК ) в полосе частот от 80 до 8000 Гц (продолжительность - 100 мс, длина выборки – 2048 точек) [ 3, 4 ]. Перед балансировкой анализ вибрации показал, что максимальная вибрация была зафиксирована на подшипнике вращающегося центра зад- ней (упорной) бабки станка (в вертикальном направлении) при увеличе- нии числа оборотов шпинделя . На рис унке 3 представлена зависимость вибрации в данной точке от оборотов шпинделя при «разгон е » до 400 об./мин . В идно, что вибрация , начинает расти, и выходит за норму в 10 мкм уже после 160 об./мин.

6 Рис. 3 . Зависимость вибрации подшипник а вращающегося центра задней (упор- ной) бабки станка, в вертикальном положении от оборотов В ходе работ было установлено, что изменение у сили я прижима де- тали задним вращающ имся центром станка PUMA 480 L совершенно не влияет на радиальное биение последнего . Значения виброперемещения полученные при 400 об./мин с увеличени ем давления прижима представ- лены ниже: 15 бар = 205 мкм 25 бар = 208 мкм 38 бар = 201 мкм К недостаткам вращающегося центра задней (упорной) бабки можно отнести радиальное биение , не позволя ющее форсировать режимы реза- ния . Если по техническим требованиям данная погрешность недопу- стима, практикуется финишная обработка с применением неподвижного центра на щадящих режимах. Результаты динамической балансировки детали со смещённым центром тяжести Балансировка с установленной под черновую обработку деталью вы- полнена одноплоскостная , достаточно популярным и точным методом

7 фазной балансировки «векторных построений» [ 5 , 6 ] . Число оборотов шпинделя токарного станка при этом состав ило 40 5 об/мин. Масса токарного приспособления 210 кг, масса детали до обработки 144,3 кг. После обработки деталь весит 104,8 кг. В результате балансировки при черновой обработке цапфы лапы бу- рового долота ( диаметр 660,4 мм ) , на токарном станке PUMA 480 L на торце специального приспособления с градуированной шкалой было уста новлено 2 балансировочных груза одинаковой массы (316 грамм каж- дый). Один груз установлен на угол 90 ° второй в угле 190 ° . Вектор вибрации частоты вращения ( 6, 75 Гц ) подшипник а шпинделя передней бабки станка, со стороны приспособления (характеризующий величину дисбаланса) уменьшился с 21 мкм / 35 ° до 7 мкм / 15 ° . Наблю- дение за параметрами вибрации (в точках 1,2) в процессе черновой обра- ботки изделия показало, что со съёмом метал ла параметр вибропереме- щения постепенно отклоня е тся от нормы . Получистовая и чистовая обработка изделия проходила без баланси- ровочных грузов. Так как балансировочные расчеты показали, что балан- с ир на специально м приспособлени и был изготовлен с учетом массы из- делия (под получистовую и чистовую обработки). Рис. 4 . Б алансировочны й груз, установленный на торце специального приспо- собления с градуированной шкалой

8 Выводы На сегодняшний день в России не существует технологии интенсифи- кация режимов резания при изготовлении крупногабаритных деталей со смещенным центром тяжести . В связи с чем , новизна данной работы не- оспорима, и заключа е тся в изобретении принципиально нового техниче- ского решения ( интеллектуальн ая систем а [7 - 10] противовесов) , компен- сирующ его большую массу срезаемого с детали металла , обеспечиваю- щего повышение качества обрабатываемой поверхности и увеличения ре- сурса металлорежущих станков, за счет снижения динамических нагру- зок, вызываемых несбалансированными массами обрабатываемых заго- товок со смещенным центром тяжести. С ейчас во всем мире идет гонка по созданию умных систем, где ис- кусственный интеллект пристально следит за всеми быстроизм еняющи- мися процессами, отображает всевозможные данные, ведет архив, про- гнозирует вероятность тех или иных отказов. Иными словами, искус- ственный интеллект невидимое делает видимым при этом поражая своим функционалом и быстродействием. Подбор токарного цент ра для станка, имеющего минимальные ради- альные биения при обработке крупногабаритных изделий, также является ключевым вопросом. Кроме того, необходимо провести дополнительные исследование виб- рации токарного станка на : • собственные колебания узлов станка; • колебания, возникающие от дефектов опор качения шпинделя; • колебания, возникающие в процессе резания заготовки . Список источников 1. Кедров С.С. Колебания металлорежущих станков // – М: Машинострое- ние. 1978 . – 199 С. 2. Авторское свидетельство СССР №1321525 А1. МПК B23B 3/00. Метал л- орежущий станок для обработки заготовок со смещенным центром тяжести / Са- фонов Г.Г., Егоров В.Ф., Назаров К.А., Дяченко В.С., Филиппов П.И. – Заявка 3892637 от 11.05.1985. – Опубл. 07.07.1987. – Бюл. № 25. 3. Антонычев С.В. П риспособление для проверки технического состояния подшипников качения валковой сборки станов холодного пильгерования на ос- нове экспертной системы «СВК - Ариадна» / М.В. Савин, А.А. Аляев, А.В. Дубов- цев // Производство проката. – 2006. – № 1. – С. 41 – 45. – EDN KTNITF . 4. Крючков Ю.С. Влияние зазора на вибрацию и шум подшипников каче- ния // Вестник машиностроения. – 1959. – №8. – С.30 – 39. 5. Антонычев С.В. Балансировка лопастей вентилятора градирни // Элек- трические станции . – 2019 . – №12 . – C .38 – 41. – EDN BEHGSN .

9 6. Гусаров А.А. Колебания и уравновешивание роторов // – Москва: Наука, 1973. – 140 с. 7. Костюков, В.Н. Мониторинг безопасности производства // – М: Маши- ностроение . 2002. – 204 С . 8. Неразрушающий контроль: справ. В 7 т. Т. 7. В 2 кн. Кн. 2. Виброаку- стическая диагностика / Ф. Я. Балицкий, А.В. Барков, Н.А. Баркова и др.; под общ. ред. В.В. Клюева. – М: Машиностроение, 2005. – 829 С . 9. Костюков В.Н. Автоматизированные системы управления безопасной ресурсосберегающей эксплуатацией оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств (АСУ БЭР ™ КОМПАКС®) / Бойченко С.Н., Ко- стюков А.В. – М.: Машиностроение . 1999. – 163 С . 10. Барков А.В. Диагностик а и прогнозирование технического состояния подшипников качения по их виброакустическим характеристикам. // Судострое- ние. – 1985. – № 3. – С .21 – 23. S . V . Antonychev 1  , applicant E - mail: 25111976@list.ru  1 Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russian Federation Improving the quality of manufacturing large - sized products with a displaced center of gravity, on a CNC lathe based on the analysis of vibration parameters and dynamic balancing Abstract. A dynamic balancing of a product with a displaced center of gravity at the initial stage of roughing was carried out, weak places in terms of "vibration" loading of the machine - tool - tool - part ( SPID ) system were identified, and new research tasks were set. Keywords: vibrodiagnostics, balancing products with a displaced center of gravity