4.10 Вибрации при резании

В процессе резания в технологической системе (станок – приспособление–инструмент–заготовка) могут возникать колебания, называемые вибрациями.

Практика показала, что при различных условиях обработки в технологической системе могут появляться колебания различной частоты. Чаще всего заготовка имеет низкочастотные колебания, а инструмент – высокочастотные. Наличие вибраций снижает качество обработанной поверхности и период стойкости инструмента.

В процессе резания возникает несколько видов колебаний – свободные, вынужденные, параметрические, релаксационные и автоколебания.

Свободные (собственные) колебания – это такие колебания, которые возникают вследствие начального отклонения тела от наложения равновесия, а затем поддерживаются силами упругости системы. Наличие сил сопротивления приводит к затуханию свободных колебаний.

Вынужденные колебания – это колебания, которые вызываются переменным внешним воздействием. Например, при обтачивании заготовки с эксцентриситетом.

При резании наблюдаются следующие виды возмущающих сил:

1. Периодическое возмущение от соседних станков, цехового транспорта, передаваемое на данный станок через грунт. Частота этого возмущения невелика – до нескольких десятков герц.

2. Центробежная сила от вращающихся неуравновешенных масс станка (патроны, шкивы и др.). В этом случае частота возмущения в герцах равна частоте вращения в секундах (об/с); f = n, c^-1.

3. Возбуждение от прерывистого характера процесса резания при применении многозубого режущего инструмента (например, при фрезеровании f = n·z, где z – число зубьев фрезы).

4. Возбуждение колебаний при снятии переменного припуска. Это приводит к переменности силы резания (например, при обтачивании заготовки с эксцентриситетом f = n, c^-1).

5. Возбуждение колебаний от переменных сил, возникающих в зубчатых передачах привода станка, а также в зубчатых подшипниках качения узлов станка.

В зубчатых передачах колебания возникают в связи с периодическим изменением числа зубьев, передающих крутящий момент, а также из-за погрешностей окружных шагов зубьев колес.

Подшипниковые вибрации возникают в результате некруглости и разноразмерности тел качения (шариков, роликов), погрешностей сборки подшипникового узла, а также из-за загрязнения смазки и износа тел качения.

Параметрические колебания – такие колебания, которые происходят за счет изменения параметра (параметров) системы во времени. Например, жесткости при шлифовании вала со шпоночной канавкой.

Релаксационные (прерывистые) колебания возникают при медленных перемещениях узлов станочной системы. Релаксационные колебания приводят к неустойчивому, скачкообразному перемещению узлов станка, вызывают значительные динамические нагрузки на режущий инструмент и приводят к погрешности обработки.

Автоколебания (самовозбуждающиеся) – это такие колебания, в которых потери энергии пополняются за счет периодического притока энергии от источника, не обладающего колебательными свойствами. При резании в автоколебательную систему энергия поступает от двигателя главного движения. Причем поступление энергии в систему управляется самим движением, а период колебаний и амплитуда не зависят от начальных условий.

При резании в общем случае возможен процесс смешанного характера, представляющий собой результат положения свободных, вынужденных, параметрических колебаний и автоколебаний. Их можно выявить с помощью спектрального анализа.

Для борьбы с вибрациями необходимо:

• повышать виброустойчивость и динамические характеристики металлорежущих станков. Особенно важной является эта проблема для станков с ЧПУ, т.к. возникновение колебаний, особенно релаксационных, нарушает взаимодействие управляющего исполнительного сигналов, нарушает структурный принцип ЧПУ и является недопустимым;

• разрабатывать применительно к конкретным технологическим операциям специальные виброгасящие устройства различных принципов действия (ударного, фрикционного, гидравлического, и др.). Применение виброгасителей существенно снижает интенсивность автоколебаний при точении, растачивании, развертывании и фрезеровании;

• разрабатывать виброустойчивые конструкции режущего инструмента и оснастки, выбирать виброустойчивые диапазоны режимов резания;

• исследовать и разрабатывать методы и средства управления уровнем интенсивности автоколебаний для снижения износа режущего инструмента и повышения производительности, точности и качества обработки;

• контролировать техническое состояние оборудования.