10. Вибрации при резании конструкционных материалов
При определенных условиях процесс резания теряет устойчивость. Потеря устойчивости технологической системы характеризуется возникновением вибраций - вредных периодических колебательных движений. Колебания инструмента относительно заготовки (или, наоборот, заготовки относительно инструмента) вызывают периодическое изменение толщины срезаемого слоя и сил резания, изменениевеличины и характера нагрузок на станок, возрастающих в несколько раз по сравнению с устойчивым резанием. При вибрацияхвозникает шум, утомляющий рабочих, ухудшается качество обработанной поверхности. Стойкость инструмента, особенно твердосплавного и минералокерамического, значительно снижается. Знакопеременные динамические нагрузки снижают долговечность станка. При возникновении вибраций приходится уменьшать режимы резания, вследствие чего снижается производительность и полностью не используется мощность станка.
Возникновение вибраций при обработке резанием характеризуется возмущающими силами и свойствами упругой системы; соотношение между этими параметрами определяет как возможность возникновения вибраций, так и их интенсивность, т.е. амплитуду и частоту.
Колебания (вибрации) при резании бывают, как правило, двух типов: вынужденные, когда причиной колебаний является периодически действующая возмущающая сила, и автоколебания, совершающиеся без воздействия внешней периодической возмущающей силы (колебания, самовозбуждающиеся в процессе стружкообразования).
Вынужденные колебания возникают вследствие наличия в технологической системе внешней периодической силы, вызывающей колебательный процесс с частотой, равной частоте возмущающей силы. Эти силы могут быть разделены на две группы:
- переменные силы, обусловленные процессом резания, возникающие при снятии неравномерного припуска, прерывистом характере резания и т.п.;
- переменные силы, возникающие в системе вне зоны резания. К этой группе относятся колебания, вызванные дефектами механизмов станка: перекосом осей, погрешностями зубчатых или клиноременных передач, повышенными люфтами и т.п.; дисбалансом его отдельных вращающихся частей: заготовок, приспособлений, инструментов и т.п., а также колебаниями, передаваемыми на станок от других работающих машин.
Способы борьбы с вынужденными вибрациями хорошо известны - необходимо устранить действие периодической возмущающей силы.
Это достигается балансировкой инструмента (шлифовальных кругов, фрез, резьбовых головок) и заготовок, виброизоляцией фундаментов станков и т.д.. Значительно более сложной задачей является гашение вибраций, имеющих автоколебательный характер.
Автоколебания - процесс, при котором переменная сила, поддерживающая колебательное движение, создается и управляется самим движением и при прекращении этого движения исчезает. Автоколебания характеризуются тем, что они возникают и поддерживаются источниками энергии, не обладающими колебательными свойствами. Частота автоколебаний почти не зависит от режимов резания, а определяется, главным образом, жесткостью системы и величиной колеблющихся масс.
Интенсивность вибраций при резании металлов, характеризуемая высотой вибрационных волн, зависит от многочисленных факторов: элементов режима резания, геометрических параметров инструмента, жесткости системы СПИД, демпфирующей способности обрабатываемого материала и материала инструмента. Интенсивность вибраций растет с увеличением ширины "b" и уменьшением толщины "а" срезаемого слоя. Существует "критическая зона" скоростей резания, в пределах которой усиливаются автоколебания. Ширина "критической зоны" зависит от жесткости системы, параметров "b" и "а" срезаемого слоя, геометрии инструмента и свойств обрабатываемого материала.
Колебательная система является системой с распределенными параметрами и поэтому имеет бесконечное число степеней свободы. Для упрощения задачи рассматривают ее, как систему с конечным числом степеней свободы. В металлорежущем станке обычно рассматривают две основные (доминирующие) колебательные системы: систему заготовки (заготовка, шпиндель, пиноль и др.) и систему инструмента (инструмент, резцедержатель, суппорт и др,).
Обе системы имеют различные частоты собственных колебаний. Поэтому автоколебания при резании делят на два вида: вибрации первого рода - низкочастотные (50-300 Гц) колебания заготовки, вызывающие звук низкого тона и создающие грубую волнистость обработанной поверхности, и вибрации второго рода (до 3 000 Гц) колебания инструмента, сопровождающиеся звуком высокого тона и создающие мелкую рябь на обработанной поверхности.
Причинами возникновения автоколебаний при резании могут быть: уменьшение сил трения при увеличении скорости резания, образование и срыв нароста, периодический процесс упрочнения материала, запаздывание сил резания при перемещениях инструмента.
При этом, переход от устойчивого движения к автоколебаниям происходит следующим образом. Резец, будучи выведен из состояния равновесия, начинает совершать движения по эллипсу (рис.32).
Рис.32. Траектория относительного движения вершины инструмента при автоколебаниях
При движении резца в сторону действия силы резания (участок 2) толщина среза, а следовательно, и сила резания больше, чем при движении резца навстречу силе резания (участок 1). Возникает неоднозначность изменения силы резания по перемещению, т.е. сила резания как бы подталкивает систему в такт колебаниям, что приводит к нарастанию их интенсивности до величины, соответствующей состоянию энергетического равновесия (равенство энергии, поступающей в колеблющуюся систему и расходуемой на преодоление сил сопротивления) и устанавливается режима автоколебаний.
Интенсивность вибраций зависит также от изменения сил резания при обработке волнистой поверхности, образованной автоколебаниями после предыдущего прохода. Таким образом, первичные автоколебания складываются со вторичными резонансными вынужденными колебаниями.
Дифференциальные уравнения автоколебаний нелинейны. Линеаризация их позволяет упростить математический анализ явлений. Решение линейных дифференциальных уравнений позволяет найти условия возникновения автоколебаний. Эту задачу с рядом упрощений для свободного резания решил профессор В.А. Кудинов. Полученные формулы позволяют рассчитать все параметры, определяющие движение вершины резца в процессе автоколебаний и представляющие собой сумму двух движений, сдвинутых по фазе на угол q относительно друг друга:
y = Ay sin wt
z = Az sin (wt + q)
где: Аy и Аz- амплитуды колебаний в направлениях Y и Z. Для вибраций второго рода Аz= (2 - 2,5) Ay.
В устойчивом поле сдвиг фаз между колебаниями в направлениях У и Z отсутствует (q=0). При переходе через границу устойчивости (возникновения вибраций) появляется сдвиг фаз, оба колебания складываются в плоское прямолинейное движение.
10.1. Основные способы и средства борьбы с автоколебательными вибрациями.
Рациональная геометрия инструмента. При точении правильный выбор геометрии инструмента, особенно главного угла в плане (до 90 ) позволяет уменьшить ширину срезаемого слоя в несколько раз без возникновения вибраций. Поэтому выбор геометрических параметров инструмента: углов в плане, переднего, заднего и радиуса при вершине следует вести не только в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала, но также и в зависимости от жесткости технологической системы.
Повышение демпфирующей способности технологической системы. Увеличить демпфирующую способность узлов колебательной системы можно различными путями: применением демпфирующих прокладок, изготовлением корпусов инструментов из материалов с большим декрементом затухания: из чугуна или композиционных материалов, введением в колебательную систему специальных демпфирующих устройств - виброгасителей. К таким устройствам относятся виброгасители, основанные на внешнем трении твердых тел (фрикционные виброгасители) и виброгасители, действие которых основано на сопротивлении и вязком трении жидкости (гидравлические виброгасители).
Повышение жесткости колебательной системы. При увеличении жесткости повышается собственная частота w колебаний системы и поэтому снижается вероятность возникновения вибраций, так как с ростом w, фактически, линейно увеличивается и работа затухания системы. Жесткость системы может быть повышена применением специальных инструментов и приспособлений для их крепления, а также уменьшением биения шпинделя и люфтов суппорта.
Уменьшение масс колебательных систем. Уменьшение масс. колебательных систем, особенно массы детали, повышает cобственную частоту и снижает интенсивность вибраций. Этого можно достигнуть при работе с менее массивными (но достаточно жесткими) патронами, при минимальных вылетах пиноли и инструмента и т.п.
Динамические виброгасители и виброгасители ударного действия. Динамический виброгаситель выполняется в виде небольшой массы, упруго укрепляемой на колеблющееся звено. Эта масса имеет частоту собственных колебаний, равную частоте колебаний системы. Работа динамического виброгасителя основана на том, что масса колеблется в противофазе, т.е. фаза ее отличается от фазы колебаний вибрирующего звена. В результате этого возникает сила, равная, но противоположно направленная силе, возбуждающей колебания.
В виброгасителях ударного действия основным элементом является достаточно большая масса, помещенная с зазорами в корпусе инструмента. При ударах массы о вибрирующую часть системы энергия колебаний рассеивается и поэтому интенсивносгь вибраций уменьшается. Такие виброгасители наиболее эффективны при чистовой обработке.
Ультразвуковой способ демпфирования вибраций, основанный на сообщении режущему инструменту тангенциальных ультразвуковых колебаний малой амплитуды целесообразно применять в условиях очень малой жесткости технологической системы.