3.9. Вибрации при резании материалов

Процесс резания при определенных условиях теряет устойчи­вость, что характеризуется возникновением периодических колеба­тельных движений - вибраций всех элементов технологической системы (станка, приспособления, инструмента, детали). Колеба­ния инструмента относительно заготовки за один ее оборот приво­дят к периодическому изменению глубины резания, а следователь­но, и сил резания, что значительно увеличивает износ инструмента. В десятки раз возрастают нагрузки на станок, приводящие к повы­шенному износу его движущихся деталей и узлов и снижению дол­говечности. Уменьшается точность изготовления деталей, ухудша­ется качество обрабатываемой поверхности: появляется волни­стость, возрастает шероховатость. Возникает шум, утомляющий рабочих. Снижается производительность и полностью не использу­ется мощность станка, так как приходится снижать режимы реза­ния. Особенно сильно негативное влияние вибраций проявляется при резании труднообрабатываемых материалов (жаропрочных и нержавеющих сталей, титановых сплавов и др.).

Различают два основных вида колебаний при резании: выну­жденные и автоколебания.

Причиной вынужденных колебаний являются внешние пе­риодически действующие возмущающие силы. Они могут бьггь вызваны:

-неуравновешенностью вращающихся частей станка, при­способлений, заготовки и инструмента;

-прерывистым процессом резания (при фрезеровании, стро­гании, обработке прерывистых поверхностей и т. д.);

• вибрациями близко расположенного оборудования (прессов, молотов, компрессоров и т. д.);

• дефектами передач станка (зубчатых, ременных и т. д.);

• пульсацией жидкости в трубопроводах станков с гидропри­водом и др.

При резонансе, т. е. степени совпадений частоты собственных колебаний технологической системы с частотой возмущающей си­лы, интенсивность вынужденных колебаний возрастает. Для устра­нения вынужденных колебаний нужно устранить причины, вызы­вающие периодически действующую силу. Для этого осуществля­ют балансировку вращающегося инструмента (шлифовальных кру­гов, фрез, резьбовых головок и др.) и заготовок, изолируют фунда­менты станков от вибраций и т. д. При вынужденных колебаниях частота колебаний определяется частотой вынуждающей силы.

При автоколебаниях (незатухающих и самоподдерживаю- щихся) источник возбуждения находится в самой технологической системе. В процессе резания амплитуда и частота колебаний опре­деляются свойствами самой системы, и возбуждение носит посто­янный характер. Источник энергии при автоколебаниях не облада­ет колебательными свойствами. Сила, поддерживающая колеба­тельные движения, создается и управляется самим движением и при его прекращении исчезает.

Причинами автоколебаний технологической системы могут быть изменения сил резания за счет:

• неоднородности механических свойств обрабатываемого материала;

• образования и срыва нароста;

-уменьшения сил трения на передней поверхности инстру­мента при увеличении скорости в процессе резания;

• действия следов вибрации от предыдущего рабочего хода;

• упругих деформаций заготовки и инструмента;

• изменения площади поперечного сечения срезаемого слоя и т. д.

Интенсивность автоколебаний, характеризуемая их амплиту­дой (высотой волн), зависит от режимов резания, геометрии инст­румента, жесткости технологической системы и деформирующих способностей материалов инструмента и заготовки. При увеличе­нии ширины «Ь» (или глубины резания () и уменьшении толщины «а» срезаемого слоя (или подачи 5) амплитуда вибраций А возрас­тает (рис. 3.12) при постоянной частоте/

Амплитуда колебаний А снижается, а частота/остается неиз­менной с ростом главного угла резца в плане ср (рис. 3.13).

Автоколебания усиливаются в пределах определенной «кри­тической зоны» скоростей (рис. 3.14), ширина которой зависит от ширины «Ь» и толщины «а» срезаемого слоя, свойств обрабаты­ваемого материала и жесткости технологической системы. При по­стоянной скорости резания снижение значений переднего угла у приводит к увеличению амплитуды колебаний. Скорость, соответ­ствующая максимальной амплитуде колебаний, уменьшается при росте значений переднего угла у от отрицательных значений до по­ложительных.

/.Гц.А. ыкм

Рис. 3.12. Зависимость частоты/и амплитуды А вибраций от толщины а и ширины Ь срезаемого слоя (по данным ЦНИИТМАШ)

/, Гц; А, мкм

о о		-в-—	—у-	-в——	/
					А

О 20 40 60 80 100 ф°

Рис. 3.13. Зависимость частоты и амплитуды вибраций от главного угла в плане

Рис. 3.14. Зависимость интенсивности вибраций от скорости резания V и переднего угла у

В металлорежущем станке можно выделить колебательные системы заготовки (заготовка, шпиндель и др.) и инструмента (ин­струмент, резцедержатель, суппорт и др.), имеющие различные частоты собственных колебаний. Поэтому различают два вида ав­токолебаний:

а) низкочастотные (/"= 50 — 500, Гц), возникающие при обра­ботке на низких скоростях и сопровождаемые звуком низкого тона с частотой, близкой к частоте колебаний заготовки;

б) высокочастотные колебания (/ = 800 - 6000, Гц) инстру­мента, возникающие при обработке на высоких скоростях, с часто­той, близкой к частоте колебаний инструмента, сопровождаемые звуками высокого тона (свистом).

Низкочастотные колебания создают грубую волнистость, а высокочастотные - мелкую рябь на обработанной поверхности.

В. А. Кудинов и И. Тлустый объясняют процесс возникнове­ния автоколебаний следующим образом. Резец начинает совершать движения по эллипсу после того, как он будет выведен из равнове­сия по какой-либо случайной причине (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Траектория относительного движения вершины резца при вибрациях

При движении резца навстречу силе резания на участке 1 толщина стружки и сила резания будут меньше, чем при обратном движении в направлении силы резания на участке 2. Сила резания по перемещению изменяется неоднозначно, она как бы подталки­вает систему в такт колебаний. Амплитуда колебаний возрастает до такого значения, которое соответствует состоянию энергетиче­ского равновесия, когда энергия, поступающая в колебательную систему, равна энергии, расходуемой на преодоление сил сопро­тивления, т. е. устанавливается режим автоколебаний.

Также действует эффект обработки по следу - изменение сил резания при обработке волнистой поверхности, полученной после резания с автоколебаниями на предыдущем ходе. Первичные авто­колебания складываются со вторичными уже вынужденно резо­нансными колебаниями.

Для борьбы с автоколебаниями нужно: грамотно выбирать режимы резания, геометрию инструмента; правильно устанавли­вать заготовку и инструмент на станке; повышать жесткость тех­нологической системы; уменьшать массы элементов колебатель­ных систем; применять виброгасители.

Геометрические параметры инструмента (ср, ф_Ь у, а, А.) нужно выбирать с учетом жесткости технологической системы. Напри­мер, увеличение угла ф с 30° до 90° позволяет иногда повысиггь предельную глубину резания по вибрациям в 8 раз.

С целью гашения низкочастотных автоколебаний Д. И. Рыж­ков предложил формировать на резце «виброгасящую фаску» / (рис. 3.16) с отрицательным передним углом а* = - (80...85°) ши­риной 0,1-0,3 мм. Искусственное притупление лезвия дает эффект работы слегка изношенного резца.

Рис. 3.16. Резец с виброгасящей фаской

Резец необходимо устанавливать по оси обрабатываемой за­готовки; если же он будет установлен выше оси, то вибрации воз­растут.

Для увеличения демпфирующей способности (способности га­сить вибрации) технологической системы применяют средства, по­глощающие энергию колебательного движения искусственными со­противлениями: демпфирующие прокладки, корпуса инструментов изготавливают из материалов с большим декрементом затухания (на­пример, из чугуна) и вводят в систему специальные виброгасители.

В виброгасителях динамического действия, которые, имея не­большую массу, упруго закрепляются на колеблющемся звене, ис­пользуется метод колебания в одинаковой частоте. Это приводит к тому, что возникает сила, противоположно направленная и равная силе, возбуждающей колебания, которая их гасит.

В виброгасителях ударного действия достаточно большая масса М ударяет о вибрирующий элемент, рассеивая часть энергии и уменьшая его вибрацию (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Расточные оправки с двумя вариантами виброгасителей ударного действия

В виброгасителе конструкции Д. И. Рыжкова (рис. 3.18), при­крепляемом вертикально к резцу, гашение вибраций достигается за счет соударения втулки 2 и корпуса 1, а также рассеяния энергии в резьбовых соединениях и пружине 3, закрытой крышкой 4.

Рис. 3.18. Виброгаситель конструкции Д. И. Рыжкова

При увеличении жесткости технологической системы повы­шается собственная частота колебаний системы, что примерно ли­нейно увеличивает работу ее затухания. Для повышения жесткости системы применяют жесткие инструменты, приспособления для крепления инструмента и заготовок, используют рациональные схемы обработки и другие мероприятия.