Жесткость и вибрации при токарной обработке

Жесткость и вибрации при токарной обработке

Обработка металла на токарных станках при определенных условиях может сопровождаться возникающими вибрациями. При этом падает качество изготовления, приходит в негодность режущий инструмент, узлы станка подвергаются интенсивному износу.

Особенно актуальна эта проблема для современного оборудования, работающего с большой производительностью и на высоких скоростях резания.

Основные сведения

Рассматривая условия возникновения вибраций, нужно учитывать жесткость всей обрабатывающей системы. А это: сам токарный станок, фундамент под станком, приспособления для различных условий точения, обрабатывающий инструмент, сама деталь и технология резания (СПИД-система).

При работе под нагрузкой происходит отклонение всех элементов системы от центральной оси вращения ненагруженного станка. Чем выше жесткость узлов станка и обрабатываемой детали, тем меньше величина их отклонений и тем лучше качество обработки: форма детали и шероховатость максимально приближены к заданным значениям. Жесткость системы также ограничивает максимальную массу заготовки

При недостаточной жесткости возникают вибрации, станок начинает «дробить», что приводит к понижению качества обработки. При этом, не всегда справедливо, что чем больше усилие резания, тем выше погрешность обработки. Вибрация может появляться и из-за сильного занижения рекомендованных технологией режимов резания, когда режущая кромка инструмента выходит за расчетные режимы и резание металла не происходит

На жесткость всей системы влияют временные факторы. В процессе обработки уменьшается сечение обрабатываемой детали, что приводит к снижению ее прочностных характеристик. Заготовка подвергается большему отклонению от оси вращения, при этом вибрации усиливаются.

Причины возникновения вибраций

  • Колебания, вызванные работой соседнего оборудования. Эти нежелательные возмущения передаются через грунт, стенные и потолочные перекрытия. Устранение таких явлений заключается в усилении фундаментов, отрыва фундамента станка от общего фундамента цеха при помощи антивибрационных материалов (например песка), установке амортизационных прокладок.
  • Дисбаланс различных частей токарного станка. Устраняется балансировкой или заменой изношенных вращающихся частей станка. Сбалансированность заготовки достигается установкой дополнительных грузов.
  • Технологические отклонения при изготовлении зубчатых передач оборудования. При этом возникают возмущающие систему механические силы, передающиеся на силовые элементы станка. В ременных передачах возникновению вибраций способствуют некачественные сшивки.
  • Прерывистый характер резания. Частое чередование режимов обработки приводит к толчкам и вибрациям. Если такая работа станка обуславливается технологическим режимом, то для устранения нежелательных явлений необходимо преднамеренное увеличение прочности детали.
  • Собственные колебания при обработке. Вполне сбалансированная обрабатывающая система может без видимых на то причин вызывать сильные вибрации. Это связано с явлением резонанса. Собственная частота колебаний работающего станка совпадает с частотой колебаний окружающего оборудования, самого здания. Для устранения такого явления нужно изменить режим резания и возможно технологию.

Вибрация, измеряемая частотой колебаний в секунду, характеризуется жесткостью системы. При увеличении этого параметра, частота колебаний увеличивается, а амплитуда уменьшается. Вибрация становится менее заметной.

Факторы, влияющие на интенсивность вибраций

  • При увеличении скорости резания интенсивность вибраций в первый момент возрастает (примерный график – на рисунке справа). По достижении скорости резания 80-150 м/мин вибрация начинает затихать. Конкретное значение скорости резания, при которой вибрация уменьшает свои значения, зависит от совокупности параметров режущей системы.
  • Увеличение ширины среза усиливает амплитуду колебаний (вибраций).
  • Увеличение подачи инструмента или толщины среза вызывает некоторое уменьшение вибраций.
  • Применение резцов с небольшими углами, позволяющими производить большие подачи на высоких скоростях, приводит к увеличению амплитуды нежелательных колебаний.
  • Уменьшая угол резания, можно добиться снижения интенсивности колебаний.

Методы уменьшения вибраций

При уменьшении вибраций происходит повышение точности изготовления деталей. Анализ технологического процесса позволяет определить погрешности обработки. На основе этих данных определяются методы устранения нежелательных процессов в обрабатывающей системе:

  • Мероприятия по повышению жесткости:
  1. Уменьшение величины выхода пиноли задней бабки.
  2. Уменьшение вылета резца.
  3. Затягивание клиньев суппорта и зажим каретки.
  4. Загрузка поперечного суппорта.
  • Увеличение подачи, скорости резания.
  • Выбор наиболее подходящего резца и его правильной заточки.
  • Обработка металла резцами с противовибрационной фаской. Принцип действия основан на трении фаски о поверхность детали, приводящем к уменьшению колебаний. Этот способ возможен при определенных сочетаниях размеров детали (длины и диаметра), формы резца, технологических режимов обработки.
  • Балансировка дополнительных приспособлений с установленной деталью.
  • Балансировка трехкулачковых патронов с планшайбой.
  • Установка противовесов при точении несимметричных деталей.

Может возникнуть ситуация, когда ни одна из описанных выше мер не приводит к уменьшению вибраций. В этом случае устанавливаются виброгасители. Во фрикционных виброгасителях вибрацию гасят поджатые пружинами кулачки. В гидравлических виброгасителях все нежелательные колебания поглощаются рабочей жидкостью.

Для снижения вибраций при обработке длинномерных деталей применяются более простые способы. При обточке тонкостенной трубы ее заполняют песком или опилками. На длинный вал, зажатый в центрах, навешивают груз, принимающий на себя все колебания.

Большая роль в повышении качества выпуска продукции отводится токарю. Он правильно должен выбрать режим работы исходя из свойств заготовки (ее жесткости), характеристик станка (мощность электропривода), параметров заточки рабочего инструмента.

Получить консультацию

по инструменту, методам обработки, режимам или подобрать необходимое оборудование можно связавшись с нашими менеджерами или отделом САПР

Также Вы можете подобрать и приобрести режущий инструмент и оснастку к станку, производства Тайваня, Израиля

Отправляя заявку, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности

Суппорт токарного станка и его устойчивость к вибрации

Суппорт токарного станка — это узел, который необходим для крепления инструмента и автоматического или ручного его перемещения на станке. Чаще всего суппорт состоит из резцедержателя и дополнительных деталей типа салазок, которые обеспечивают нужное направление движения инструмента.

Суппорты бывают разные и отличаются в зависимости от:

  • вида обработки — токарные, шлифовальные и др.
  • типа резцедержателя — резцовые, револьверные
  • расположения на станке — верхние, передние и т. п.
  • направления и характера движений — продольные, поперечные, качающиеся.

Суппорт универсального типа выполняет движение в нескольких направлениях. Точность движения и жёсткость суппорта в большей степени определяют качество токарного станка.

Почему возникает вибрация суппорта токарного станка? Одной из причин возникновения автоколебаний при резании является изменение площади срезаемого слоя и силы резания вследствие наличия координатной связи между процессом резания и движениям по разным координатам упругой системы станка. На рис. 1 приведена расчетная схема упругой системы резец–суппорт токарного станка. Если на резцедержатель суппорта токарного станка воздействовать силой Р1, изменяя угол ее приложения, то можно найти такой угол α1, при котором будут отсутствовать угловые смещения резцедержателя. При изменении точки приложения силы Р2 аналогичное условие можно получить при угле α2. Точка пересечения линий действия сил Р1 и Р2 определяет положение центра жесткости (ЦЖ) суппорта. Направление от вершины резца к центру жесткости суппорта определяет положение оси максимальной жесткости с1, а перпендикулярное ему направление определяет положение оси минимальной жесткости с2, так как к упругим смещениям вдоль оси добавляются угловые смещения вследствие крутильной податливости суппорта токарного станка вокруг центра жесткости. Оси η1 и η2 называют главными осями жесткости. Если нагрузка упругой системы проходит через центр жесткости, то ее перемещения осуществляются только по главным осям жесткости. Главные оси жесткости для этого случая нагрузки являются нормальными (главными) координатами упругой системы, перемещения по которым рассматриваются как независимые, и поэтому для каждой из главных координат упругой системы суппорта можно составить независимые дифференциальные уравнения движения. Такое представление о центре жесткости системы и главных осях жесткости положено в основу расчета устойчивости эквивалентной упругой системы, имеющей не менее двух степеней свободы.

В соответствии с индексами главных координат η1 и η2 обозначим характеристики жесткости с1 и с2, коэффициенты демпфирования h1 и h2, а также приведенную массу системы m1 и m2. Предполагается, что масса движется только в направлениях главных координат η1 и η2, свойства упругих звеньев системы с1 и с2 пропорциональны смещениям η1 и η2 системы, а силы вязкого трения, действующие одновременно с силами упругости, пропорциональны относительным скоростям η1(отн) и η2(отн). За начало обобщенных координат принята вершина резца, ось у направлена по нормали к обрабатываемой поверхности, ось z – перпендикулярна к ней. Внешняя нагрузка Р выполняет функцию силы резания и действует под углом α к оси z, а угол β устанавливает связь между направлением действия силы резания Р и осью η1.

Для одномассовой упругой системы резец–суппорт токарного станка с двумя степенями свободы (рис. 1), система дифференциальных уравнений движения в направлении главных координат может быть представлена в виде (Формула 1).

Связь обобщенных координат y и z с главными координатами η1 и η2 осуществляется следующей системой уравнений (Формула 2).

Рис. 1. Расчетная схема упругой системы суппорта с двумя степенями свободы

Жесткость и вибрации при токарной обработке

В процессе резания металла при определенных условиях могут возникать вибрации, которые ухудшают качество обработанной поверхности и являются одной из причин выкрашивания режущей кромки резца. При появлении сильных колебаний работа на токарном станке становится невозможной.

Борьба с вибрациями приобрела особую остроту в последнее время при работах с высокими режимами резания и особенно с большой скоростью.

Вибрации возникают в результате периодически повторяющейся внешней возмущающей силы либо вследствие прерывистого характера самого процесса резания.

Причинами вибрации первого рода могут служить: колебания, передаваемые от других вибрирующих станков или машин через грунт; неуравновешенность вращающихся частей станка, патрона, детали; некачественная передача вращательного движения (швы на ремне, биение зубчатых колес, муфт и других деталей передач). Такие вибрации устраняются созданием самостоятельного фундамента с виброизоляцией в виде деревянных брусьев, шлака или ре- зинометаллнческих опор, балансировкой неуравновешенных частей, заменой плоскоременной передачи на клнноременную, заменой в станке некачественных деталей передач.

Читайте также:  Главные передачи

Прерывистость самого процесса резания, вызывающая колебания, является результатом неравномерного припуска на обработку, наличия твердых включений в обрабатываемом металле, периодического образования нароста, прерывистости обрабатываемой поверхности, недостаточной жесткости крепления детали и резца, периодического скалывания элементов стружки. Вибрации такого рода устраняются повышением жесткости крепления детали и резца, устранением зазоров в подшипниках шпинделя и направляющих суппорта, установкой резца немного выше оси детали, увеличением или уменьшением скорости резания, увеличением подачи и уменьшением глубины резания, увеличением углов резца в плане.

При обработке длинных гладких валов колебания детали можно устранить применением виброгасящего подвижного люнета с упругим креплением кулачков.

Противовибрационным средством является также особая заточка резцов, предложенная токарем-новатором Д. И. Рыжковым. Такой резец отличается от обычного наличием на главной задней поверхности фаски шириной 0,1—0,3 мм с отрицательным задним углом (—5) — (—10°), Фаска является как бы дополнительной опорой детали.

Для создания нормальных условий резания иногда достаточно устранить вибрации только резца, что достигается, например, посредством специального виброгасителя ударного действия конструкции Д. И. Рыжкова. Виброгаситель состоит из болта 4, втулки 1, пружины 2 и колпачка 3, Такой виброгаситель можно закреплять непосредственно ввертыванием болта 4 в тело резца или

в специальную скобу, прикрепляемую к стержню резца. Последний способ укрепления более универсальный.

Принцип действия рассматриваемого виброгасителя заключается в том, что колпачок 3, поджатый пружиной 2, во время колебаний отклоняется в сторону, противоположную отклонению резца. Это объясняется действием сил инерции. В результате энергия колебаний резца поглощается колпачком, и вибрации прекращаются. Виброгаситель настраивается на режим работы регулировкой натяжения пружины 2 посредством болта 4.

Вопросы для повторении

1. Укажите причины вибраций “fipH точении.

2. Какими способами можно устранить вибрации при точении?

3. Объясните принцип действия виброгасителя ударного действия.

Токарный станок и токарное дело. Столярные работы. — Приспособление для выделки тел вращения из дерева и других твердых материалов

Токарные станки с ЧПУ. Наладка и эксплуатация токарных станков.

Гидро- и пневмоприводы токарных станков. Автоматизация и механизация токарной обработки.

Автоматизация и механизация токарной обработки. 17.1. Общие сведения.

19.3. Конструктивные особенности токарных станков с ЧПУ.
Фрезерное дело. Основные сведения о фрезеровании.

Слесарное дело.
Наиболее многочисленную группу металлорежущих станков составляют токарные станки ( 45).

Токарный станок токарное дело. Точеные изделия находятся во множестве между египетскими древностями, а станки … Т. станки с маточным винтом.

Двухстоечные токарно-карусельные станки. 22.2 Подвесной пульт управления станка модели 1512.

Электрическая схема токарного станка. Рассмотренные выше элементы составляют электрооборудование станка, а взаимодействие их определяется
Фрезерное дело.

Слесарное дело.
Рассмотрим конструкцию широко применяемого при обработке металлов резанием инструмента — токарного резца.

§ 7. Приспособления и приемы токарно-расточных работ. Способы обработки деталей штампов. § 1. Рабочее место слесаря-инструментальщика по штампам.

Вибрации нарушающие нормальную работу станка

Вибрации нарушающие нормальную работу станка

Вибрации возникают наиболее часто при скоростном точении и скоростном фрезеровании. Основные причины вибраций при точении и способы их устранения заключаются в следующем.

Почти всегда одной из причин вибраций является плохое состояние станка или неправильное закрепление детали и резцов, в частности:

а) слабина в направляющих кареток и суппортов (изза плохой подтяжки клиньев или износа);

б) слабина в подшипниках шпинделя или в пиноли задней бабки;

в) слабина во вращающемся заднем центре или плохой его поджим;

г) слабые кулачки патрона, слабый и неустойчивый хомутик или его небрежное закрепление;

д) неправильная зацентровка заготовок (недостаточная глубина центрового углубления, его перекос и т. д.);

е) слишком большой вылет резцов или неплотное прилегание их к опорной плоскости суппорта;

ж) при закреплении тяжелых деталей болтами и прихватами в планшайбе или на угольнике — зажим только в одной точке. Давление должно быть распределено равномерно; с этой целью иногда можно применять свинцовые или кожаные прокладки;

з) при работе фасонными резцами с большой шириной резания вибрации часто возникают потому, что конструкция державки не обеспечивает достаточной жесткости крепления. Иногда для увеличения жесткости системы отказываются от вставных резцов (круглых или призматических) и делают их цельными, по типу проходных; такое решение может быть целесообразным только в условиях единичного и мелкосерийного производства.

2. Вибрации могут вызываться неблагоприятной геометрией резцов — слишком малым главным углом в плане, большим радиусом закругления вершины, отрицательным передним углом при работе с невысокими скоростями резания и на недостаточно жестких станках, большими задними углами и т. д. Устранение вибраций нередко достигается путем уменьшения задних углов резца или установки его лезвия выше линии центров на величину (0,01:0,02) D, где D — диаметр детали; последнее особенно полезно для уменьшения вибраций резцов заднего суппорта на многорезцовых полуавтоматах.

При черновом и получистовом точении достаточно надежным средством устранения вибраций обрабатываемой детали является заточка на резце так называемой виброгасящей фаски, предложенной новатором Д. И. Рыжковым: вдоль главного режущего лезвия образуется узкая фаска (0,1—0,3 мм), имеющая как бы отрицательный задний угол от — 5 до— 10° (точнее, отрицательный передний угол чФ =—80;—85°). Нужно иметь в виду, что при такой заточке снижается стойкость резцов.

3. Вибрации возникают в случае неправильной формы заготовки, приводящей к несбалансированности системы патрон — деталь вследствие больших центробежных сил при работе с высокими скоростями. Для устранения дисбаланса необходимо предусмотреть в соответствующих местах патрона противовесы.

4. Вибрации могут вызываться неправильными размерами и формой стружкозавивателя, не обеспечивающими непрерывного и спокойного завивания стружки.

5. Вибрации часто возникают при работе широкими резцами с поперечной подачей; это особенно относится к обработке канавок. В ряде случаев целесообразно обрабатывать канавку за два прохода — сначала узким резцом, а затем более широким.

Если обработка широким резцом ведется с заднего суппорта многорезцового станка, то вибрации могут быть устранены путем применения тангенциальных резцов со скошенным режущим лезвием. Такие резцы врезаются постепенно, работая в каждый момент времени только частью режущего лезвия.

6. При работе на многорезцовых станках вибрации можно уменьшить путем применения в одной многоин струментной наладке резцов, имеющих неодинаковую геометрию, например различные углы в плане, увеличенный радиус закругления вершины на одном или нескольких резцах и т. д.

7. В некоторых случаях вибрации устраняются путем увеличения подачи или уменьшения глубины резания.

Основными причинами возникновения вибраций при фрезеровании являются:

1. Большое биение шпинделя станка; оно должно быть устранено путем подтяжки подшипников или ремонта станка.

2. Чрезмерное биение зубьев фрезы, крупный шаг зубьев, недостаточный угол наклона винтовой канавки (для цилиндрических и концевых фрез).

3. Большая слабина в направляющих стола станка (необходимо подтянуть клинья, иногда перешабрить направляющие).

4. Недостаточная жесткость зажимного приспособления (см. гл. VI, стр. 206).

5. Фрезеруемая поверхность расположена далеко от плоскости стола станка и от конца шпинделя (последнее приводит к большому вылету фрезерной оправки). Приспособление для зажима детали должно быть сконструировано так, чтобы его опорные плоскости и зажимы располагались возможно ближе к плоскости стола и к концу шпинделя.

6. Недостаточная жесткость станка и несбалансированность шпинделя и фрезы. Надежным средством уменьшения вибраций в этом случае является применение массивных маховиков, которые должны располагаться возможно ближе к фрезе. Маховики особенно полезны, когда приходится работать фрезой, имеющей слишком малое число зубьев (например, на маломощном станке), вследствие чего процесс фрезерования протекает неравномерно.

Во всех случаях, как при точении, так и при фрезеровании, большое значение имеет тщательная установка станка. В некоторых случаях требуется наличие фундаментов.

Рекомендованные выше способы устранения вибраций не всегда дают надлежащие результаты, а некоторые из них в отдельных случаях могут оказаться неприемлемыми (вследствие особых условий выполнения операций) или вызывать снижение производительности и уменьшение стойкости режущих инструментов. Поэтому заслуживает большого внимания возможность предотвращения или значительного уменьшения вибраций, возникающих при резаний металлов, с помощью специальных устройств, получивших название виброгасителей.

Действие виброгасителей основано на повышении сопротивления резким колебаниям сил, действующих в системе станок — приспособление — инструмент — деталь.

Существует много разнообразных конструкций виброгасителей; некоторые из них довольно сложны, но имеются также сравнительно простые, удобные и достаточно надежные виброгасители, которые получают широкое применение в заводских условиях. Ниже описываются две конструкции таких виброгасителей. Виброгаситель ударного действия конструкции предназначен главным образом для токарных и расточных станков. Он состоит всего из четырех деталей: болт запрессовывается до головки во втулку, а пружина помещается в кольцевую полость между стержнем болта и втулкой; затем на втулку навинчивается крышка до полного прохода.

Динамический виброгаситель конструкции И. Н. Демидова предназначен для фрезерных станков. Он состоит из центрального диска, жестко насаженного на фрезерную оправку, и двух боковых дисков, которые соединяются с ним только силами трения.

К диску приклепаны прокладки из феррадо или другого фрикционного материала. Сила трения между дисками регулируется натяжением пружин посредством винтов, которые закрываются пробками.

В процессе фрезерования угловая скорость оправки в определенные моменты уменьшается или возрастает, вызывая крутильные колебания и вибрацию системы станок — инструмент — деталь. При этом боковые диски, стремясь сохранить постоянную скорость вращения, расходуют энергию колебаний на преодоление сил трения и проскальзывают относительно центрального диска. Чем больше силы резания, тем плотнее должны быть прижаты боковые диски к центральному.

Читайте также:  Влияние режимов работы двигателя на износ деталей ЦПГ

Внедрение таких виброгасителей на Минском автомобильном заводе позволило за счет значительного уменьшения вибраций в 1,5—2 раза повысить режимы резания (подачу), сократить выкрашивания и поломки фрез, улучшить чистоту обработанной поверхности.

Расчет вибраций режущей кромки инструмента при токарной обработке с автоколебаниями жаропрочных сплавов Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Фадин Дмитрий Михайлович, Шуваев Алексей Владимирович

Статья посвящена разработке нелинейной динамической модели процесса токарной обработки, описывающей автоколебания инструмента.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Фадин Дмитрий Михайлович, Шуваев Алексей Владимирович

The calculation of tool tip vibrations when turning superalloys

The article is dedicated to development of nonlinear dynamic model of turning process that describes auto-oscillation of cutting tool.

Текст научной работы на тему «Расчет вибраций режущей кромки инструмента при токарной обработке с автоколебаниями жаропрочных сплавов»

Расчет вибраций режущей кромки инструмента при токарной обработке с автоколебаниями жаропрочных сплавов

Д.М. Фадин, А.В. Шуваев

Статья посвящена разработке нелинейной динамической модели процесса токарной обработки, описывающей автоколебания инструмента.

Ключевые слова: нелинейная динамическая модель, точение, вибрации, жаропрочные сплавы.

The article is dedicated to the development of a nonlinear dynamic model of a turning process describing auto-oscillations of a cutting tool.

Keywords: nonlinear dynamic model, turning, vibrations, superalloys.

Исследования показывают, что на период стойкости режущего инструмента в значительной степени влияют вибрации при резании [1]. Основные характеристики вибраций — частота и амплитуда, зависящие от жесткости, массы и демпфирования технологической системы резания, — также являются функциями режимов резания и свойств обрабатываемого материала. На динамическое поведение инструмента при обработке резанием труднообрабатываемых материалов большое влияние оказывают возбуждаемые автоколебания инструмента. Существуют следующие основные гипотезы причин возбуждения автоколебаний инструмента:

1) нелинейность характеристик сил резания [2]. При этом сила резания считается связанной с режимами обработки и геометрией инструмента аналитическим соотношением следующего вида:

F = KpS KKsVKvbKt, (1)

где S0 — подача; V — скорость резания; b — глубина резания; Kp, KKs, Kt — эмпирические коэффициенты.

Следует отметить, что такая статическая характеристика силы резания не применима для анализа процессов обработки материалов с вибрациями, так как коэффициенты в формуле (1) при вибрациях изменяются с изменением режимов обработки;

2) падающая зависимость коэффициента трения от относительной скорости между стружкой и инструментом, а также между деталью и инструментом [3];

3) регенерация колебаний при движении по следу, образующемуся на поверхности резания в процессе обработки [4].

ФАДИН Дмитрий Михайлович

аспирант кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» (Московский государственный технологический университет «Станкин»)

ШУВАЕВ Алексей Владимирович

аспирант кафедры «Основы конструирования машин» (Московский государственный технологический университет «Станкин»)

В реальных технологических системах при обработке труднообрабатываемых материалов возможно возбуждение автоколебаний по нескольким причинам одновременно [5]. Следовательно, необходимо учесть все описанные выше причины, вызывающие вибрации инструмента.

Кроме статической характеристики силы резания (1), могут быть рассмотрены следующие динамические характеристики:

— линейная динамическая характеристика, представляющая собой зависимость силы резания от толщины срезаемого слоя [4]:

где Кр — эмпирический коэффициент; Н(() — толщина срезаемого слоя в произвольный момент времени t;

— линейная динамическая характеристика с запаздыванием, когда сила резания в настоящий момент времени t пропорциональна толщине срезаемого слоя, измеренного в момент времени t — Тр [4]:

где Tp — время запаздывания;

— нелинейная динамическая характеристика, представляющая собой зависимость силы резания от толщины срезаемого слоя [6]:

F(t) = Kp[h(t) + Kh2(t) + K>h2(t) + K3h2(t)], (4)

где K — эмпирические коэффициенты.

Определение эмпирических коэффициентов и получение решения нелинейной динамической характеристики вида (4) является очень трудоемкой задачей. Для построения вибрационной модели поведения режущей кромки инструмента при обработке труднообрабатываемых сплавов будем использовать линейную динамическую характеристику (2). Характеристика по гипотезе регенеративного возбуждения колебаний при движении по следу от предыдущего прохода хорошо и быстро решается численными методами с помощью ЭВМ.

Экспериментальные данные для построения вибрационной модели поведения режущей кромки инструмента получены на диагностическом стенде. Стенд разработан на базе токарного станка фирмы Jesco Machinery 1650ENC

с ЧПУ системы Fagor 800TGI и укомплектован трехкомпонентным динамометром 9257 ВА с встроенным усилителем заряда, акселерометром Ю8Иег 8614А1000М1 с усилителем и фильтром сигнала Ю8Иег 5127В, а также трехкомпонентным акселерометром «ГлобалТест АР2043-50» с высокочастотным фильтром сигнала. Стенд обеспечивает автоматизированный прием информации о динамических и вибрационных процессах при резании в реальном масштабе времени и обработку этой информации в целях определения физических критериев, характеризующих состояние технологической операции.

Далее будут рассмотрены вибрационная модель с линейной системой уравнений, основанной на линейной динамической характеристике силы резания, и вибрационная модель с нелинейной системой уравнений, учитывающих фрикционные явления в зоне резания. Вывод о возможности применения данных моделей сделан на основе результатов сравнения расчетных данных с экспериментальными.

Расчетные схемы и основные уравнения, необходимые для построения моделей

При точении инструментом с большим вылетом наименее жестким элементом в технологической системе является державка [7]. Поэтому при расчете колебаний системы можно ограничиться только рассмотрением вибраций державки. Для упрощения расчетов возьмем за основу схему свободного прямоугольного резания (рис. 1, а).

Согласно схеме, изображенной на рис. 1, б, режущий инструмент представляется в виде точечной массы с двумя степенями свободы, совершающей колебания в направлениях Х и Z. В каждом направлении точечная масса подкреплена упругими и демпфирующими элементами. На массу действует также возмущающая сила, являющаяся результатом взаимодействия режущих кромок инструмента с материалом заготовки (сила резания).

По такой же схеме можно вести расчет при использовании и абсолютно жесткого инстру-

Рис. 1. Принципиальная схема процесса ортогонального резания (а) и расчетная схема при свободном

прямоугольном резании (б)

мента, и маложесткой детали, т. е. при обычном точении деталей типа тонкостенных труб и дисков, деталей с большим вылетом из патрона без поджатия задней бабкой. При этом определяются динамические характеристики детали, а не инструмента, но алгоритм расчетов остается таким же.

В условиях динамического равновесия державки с учетом действующих на нее сил резания получим следующие линейные уравнения колебаний режущей кромки инструмента:

где Ихх, И— силы инерции колебательной системы; Их, И7 — массы колебательной системы; х, 7 — скорость перемещений колебательной системы; ех, е7 — коэффициенты трения в системе (коэффициент демпфирования); кх, кг —коэффициенты жесткости колебательной системы; ¥х, — составляющие силы резания, действующие на систему.

При свободном прямоугольном резании, например, когда резец перемещается параллельно оси трубы (рис. 2), во время первого оборота детали инструмент оставляет на гладкой поверхности трубы волнистые следы в результате колебаний державки в направлении подачи Х. Когда начинается второй оборот детали, поверхность уже имеет волнистость и по внутреннему контуру, по которому режет инструмент х(0, и по внешней поверхности резания в результате вибраций во время предыдущего про-

Рис. 2. Схема расчета ширины резания при свободном прямоугольном резании

хода — Т). Тогда динамическую (мгновенную) толщину стружки можно представить, используя линейную динамическую характеристику с запаздыванием:

Поскольку в рассматриваемом случае державка колеблется и в плоскости I, то вибрационная составляющая перемещений в этом сечении AS на следующем обороте будет равна разности перемещений на этом обороте и на предыдущем — Т):

Тогда время запаздывания Т в плоскости х с учетом вибрационной составляющей в плоскости 7 будет определяться как

где Лt =—-; Т0 =—; к — радиус заготовки;

ю0 — частота вращения заготовки. Преобразуя (8) с учетом (7), получим

Тогда динамическая составляющая толщины стружки с учетом вибраций в системе с двумя степенями свободы в двух перпендикулярных плоскостях может быть описана выражением

Выразив (5) через (10), получим зависимость составляющих силы резания от динамической толщины срезаемого слоя Ь:

Жесткость и вибрации при токарной обработке

Общие понятия. При токарной обработке деталей необходимо считаться с жесткостью станка (в основном суппорта, передней и задней бабок), приспособления, резца или другого режущего инструмента, а также обрабатываемой детали или, как говорят, с жесткостью упругой системы станок — приспособление — инструмент — деталь, а еще короче — с жесткостью системы СПИД.

Пример такой системы в нагруженном состоянии схематически показан на рис. 63, на котором линия 00 изображает ось ненагруженного станка. Под действием сил резания передний центр станка смещен (отжат) от своего нормального положения на величину h1, а задний — на величину hz. Под действием той же силы деталь прогнулась, причем стрелка прогиба детали составляет величину h3, а суппорт отжат на величину h4.

Отклонения (отжимы), получающиеся вследствие недостаточной жесткости отдельных составляющих системы СПИД, всегда имеют место, причем величины каждого из них в отдельных случаях различны. Если величина всех отклонений ничтожна, форма детали, а также размеры обрабатываемых поверхностей и шероховатость их получаются соответствующими предъявляемым к ним требованиям. Если жесткость нескольких или хотя бы одной из составляющих рассматриваемой системы недостаточна, получаются неудовлетворительные результаты обработки и возникают вибрации, препятствующие нормальному резанию; станок, как говорят, «дробит». Очевидно, что при небольшой силе резания недостаточная жесткость системы СПИД сказывается в меньшей мере, чем при большой нагрузке.

Читайте также:  Газобаллонная установка для сжиженного газа

Причины недостаточной жесткости станка, приспособления, режущего инструмента и обрабатываемой детали. Многочисленными опытами установлено, что жесткость станка зависит не столько от жесткости его деталей, сколько от тщательности сборки и регулировки его узлов. Например, детали суппорта некоторых станков, сами по себе достаточно жесткие, при недостаточно качественной сборке образуют нежесткую сборочную единицу — суппорт. Недостаточная жесткость суппорта может быть следствием и других причин: неправильной регулировки клиньев, расположенных между направляющими продольных и поперечных салазок суппорта; непрямолинейности вследствие износа этих направляющих и т. д. В результате действия всех этих причин происходит так называемый отжим суппорта, а следовательно, и резца.

Примерно те же причины могут вызвать и недостаточную жесткость приспособления — 3, 4 или 2-кулачкового патрона или специального приспособления. На их жесткость также влияют качество сборки и износ.

Отжим режущего инструмента в разных случаях обработки деталей на станках также может быть более или менее значительным и различно отражающимся на форме и размерах обрабатываемых деталей. Причины отжима резца — выбор малого сечения его при большой длине свешивающейся части, недостаточно прочное закрепление и т. д.

Жесткость детали обусловливается ее размерами и конструктивными особенностями. Однако существует ряд способов, обеспечивающих возможность резко повысить жесткость обрабатываемой детали в процессе обработки.

Примеры таких способов — использование заднего центра при обработке даже не очень длинных деталей, применение люнетов при обтачивании очень длинных и тонких деталей и т. д.

Изменение жесткости в процессе резания. В процессе обработки да одном и том же станке одной и той же детали жесткость системы СПИД может изменяться.

В процессе обработки силы резания непостоянны ввиду переменного (например, вследствие изменяющейся глубины резания при обдирке отливки) сечения снимаемой стружки и неравномерной твердости материала обрабатываемой детали. Они увеличиваются также по мере затупления резца. Очевидно, что с увеличением сил резания увеличивается отжим суппорта. При неравномерном износе, например направляющих поперечных салазок суппорта, величина отжима будет различной при разных положениях этих салазок.

Недостаточная жесткость задней бабки в большей мере заметна в начале, а передней — в конце обработки вала. Недостаточная жесткость> детали, установленной в центрах, сказывается в наибольшей степени, когда резец снимает стружку в середине ее. Недостаточная жесткость резца особенно ощущается в моменты возникновения наибольших усилий резания.

Явления, возникающие в результате недостаточной жесткости системы СПИД. Предположим, что в центрах токарного станка с жесткими бабками (передней и задней) обрабатывается вал. Под действием сил резания вал будет, очевидно, прогибаться (как бы отходить от резца), причем величина этого прогиба будет наибольшей, когда резец будет снимать стружку в середине длины вала. В результате этого диаметр вала в среднем сечении получится больше, чем у его концов. Вал будет иметь бочкообразную форму, показанную на рис. 64, а в увеличенном виде. Значение величины прогиба, а следовательно, отступления от цилиндричности вала зависят от его размеров, размеров снимаемой стружки, углов резца, формы его передней поверхности и других условий. Форма жесткого вала, обработанного на станке с нежесткими бабками, показана на рис. 64, б. Если обрабатываемый вал закреплен в патроне и не поддерживается задним центром, форма его получается подобно изображенной на рис. 64, в. Такая форма вала получается вследствие его недостаточной жесткости, недостаточной жесткости патрона или передней бабки станка или от одновременного действия этих причин.

Здесь же следует отметить возможность искажения формы обрабатываемой поверхности, получающейся при закреплении детали на станке, что часто наблюдается при обработке тонкостенных деталей. Предположим, например, что стальное упругое кольцо (рис. 65, а) для обработки внутренней поверхности закреплено в трехкулачковом патроне. Под действием зажимного усилия (кулачков патрона) кольцо это примет форму, показанную (преувеличенно) на рис. 65, б. После обработки внутренняя поверхность кольца будет иметь цилиндрическую форму (рис. 65, в). Однако после того как кулачки патрона будут отжаты, кольцо, как говорят, «спружинит», наружная поверхность его станет цилиндрической, а внутренняя, только что обработанная, может оказаться очень далекой от той формы (рис. 65, г), которую она имела, пока кольцо было зажато в кулачках.

Причины возникновения вибраций. Вибрации, возникающие при обработке деталей на токарных станках, приводят к нарушению правильности работы станка, к преждевременному износу инструмента, к повышению шероховатости обработанной поверхности и образованию на ней волн с большим шагом (волнистость).

Вибрации возникают вследствие одной или нескольких причин; главнейшие из них перечислены ниже.

  1. Колебания, передаваемые от других вибрирующих станков и машин через грунт, металлические конструкции междуэтажных перекрытий и т. д. Методы борьбы с такими вибрациями: усиление фундаментов и перекрытий, установка упругих прокладок и т. п.
  2. Колебания, вызываемые небалансированностью (неуравновешенностью) частей станка, патрона или обрабатываемой детали.
  3. Средство борьбы с вибрациями такого типа — балансировка вращающихся частей как самого станка и патрона, так и балансировка закрепляемой на станке заготовки, если она создает неуравновешенность всей вращающейся системы, с помощью дополнительных грузов.
  4. Колебания, вызываемые дефектами передач станков. Неправильно нарезанные или плохо собранные зубчатые передачи в станке вызывают возникновение периодических сил, передающихся на подшипники и направляющие станка, а поэтому могут при известных условиях быть причиной появления вибраций. Таким же образом действуют некачественные сшивки ремней. Средства борьбы с вибрациями этого рода заключаются в устранении дефектов, подобных перечисленным.
  5. Колебания, вызываемые прерывистым характером процесса резания. Во многих случаях метод обработки сам по себе обусловливает колебания сил резания, например когда обрабатываемая поверхность имеет перерывы. Следствием работы по такой поверхности чаще всего являются отдельные толчки, но при регулярном чередовании обрабатываемых участков и перерывов возможно возникновение вибраций. Влияние прерывистости обрабатываемой поверхности на возникновение вибраций должно устраняться в каждом конкретном случае путем искусственного увеличения жесткости обрабатываемой детали.
  6. Собственные колебания при обтачивании, растачивании и т. д. При обтачивании уравновешенной детали, при работе на вполне исправном станке могут возникать сильнейшие вибрации, причем даже при самом внимательном рассмотрении явления не удается обнаружить присутствия каких-либо внешних причин, в частности перечисленных выше. Такие вибрации называются собственными колебаниями (вибрациями) процесса резания.

Частота (число колебаний в секунду) в основном зависит от жесткости системы СПИД. Чем жестче система, тем выше частота колебаний, т. е. меньше вибрации.

Интенсивность (сила) вибраций, измеряемая высотой волн (неровностей) на обработанной поверхности, зависит от ряда причин.

1. Повышение скорости резания сначала вызывает интенсивность вибраций, достигающих наибольшего значения при скорости, обычно находящейся в границах 80—150 м/мин, а затем при дальнейшем увеличении скорости вибрации убывают. Следовательно, условия скоростного резания более благоприятны с точки зрения предупреждения возникновения вибраций.

2. Увеличение ширины среза (глубины резания при обычном продольном обтачивании) вызывает усиление (интенсивность) вибраций.

3. Увеличение толщины среза (подачи) оказывает противоположное действие. При увеличении толщины стружки интенсивность колебаний несколько уменьшается. Однако влияние изменения толщины среза значительно слабее влияния изменения его ширины.

4. Резцы с малыми углами в плане, позволяющие работать с большими подачами при повышенных скоростях резания, часто не могут применяться только вследствие возникающих при их использовании вибраций.

5. С возрастанием переднего угла (т. е. при уменьшении угла резания) интенсивность вибраций уменьшается. Резцы с отрицательными передними углами более склонны вызывать вибрации, чем резцы с положительными углами.

Средства борьбы с вибрациями. Собственные колебания (вибрации) в процессе резания на токарном станке можно предупредить следующими способами.

1. Повышением жесткости составляющих системы СПИД: например, уменьшением вылета пиноли задней бабки, уменьшением вылета резца, затягиванием клиньев поперечного суппорта, при работе на налаженном станке без поперечной подачи, зажимом каретки, при работе только с поперечной подачей, наложением груза на поперечный суппорт и др. Во многих случаях, лишь уменьшая вылет пиноли задней бабки и регулируя степень нажатия заднего центра, удается устранить вибрации.

2. Выбором рациональных режимов резания, резанием на высоких скоростях (или, что менее желательно, на низких) или увеличением подачи.

3. Рациональным выбором резца и правильной его заточкой: применением больших углов в плане, увеличением переднего угла или введением фаски по передней грани при отрицательных передних углах, а также специальной заточкой резца (введением фасок, галтелей и пр)

Примеры такой заточки проходных резцов, у которых на передней поверхности введены дополнительные противовибрационные фаски,показаны на рис. 66. Если резец, изображенный на рис. 66, а, используется при обработке малоуглеродистых сталей марок Ст. 2, Ст. 3, 20Х и др., угол у у него делается равным 20—25°. Для обработки конструкционных и инструментальных сталей, например марок 35, 40, 50, 60, У6, У7, 40Х, ХВГ и др., следует применять резец с углом у = 0 -4- 20°. При обтачивании деталей с пониженной жесткостью этот угол принимается в пределах 25-35°.

Сечение (в главной секущей плоскости) резца с противовибрационной фаской, применяемого при обработке с глубиной резания меньше 1 мм, изображено на рис. 66, б.

Резцы с противовибрационной фаской следует устанавливать на высоте центровой линии станка.

4. Тщательным балансированием приспособления с зажатой в нем деталью.

Нередко, особенно в условиях работы на скоростях 120— 150 м/мин, никакие из указанных выше средств не приводят к унич>тожению вибраций. В таких случаях следует прибегать к применению специальных приборов — виброгасителей.

Ссылка на основную публикацию