2. Упругая система станка

Основным исходным положением динамики станков является представ­ление о замкнутости динамической системы станка. Эта замкнутость опре­деляется взаимодействием элементов упругой системы (УС) станокприспо­соблениеинструментдеталь (СПИД) с рабочими процессами, т.е. с про­цессами резания, трения, электромагнитными, гидродинамическими, тепло­выми и т.п. (рис. 10.1, а).

Для анализа рабочих процессов пользуются разбиением замкнутой системы на эквивалентные элементы. В частности, для анализа динамики процесса резания эквивалентная упругая система ЭУС включает собственно упругую систему, процесс трения и процессы в двигателе (рис. 10.1, б).

Рис. 10.1. Схемы: а) замкнутой и б) одноконтурной динамической системы станка

Установлено, что частота колебаний мало зависит от режимов реза­ния и геометрических параметров инструмента, а определяется в основном жесткостями и массами элементов системы СПИД. С увеличением жесткости и уменьшением массы частота колебаний увеличивается. Поэтому при уве­личении вылета резца частота колебаний его режущей кромки уменьшается. Амплитуда колебаний зависит как от массы и жесткости колеблющегося элемента, так и от геометрии инструмента, режимов резания, физико-ме­ханических свойств обрабатываемого и инструментального материалов.

Система СПИД является многомассовой системой с большим числом степеней свободы. Поэтому в резании наблюдается очень широкий частот­ный спектр колебаний. Различают колебания низкочастотные, близкие по частоте к значениям собственных частот шпиндельной группы станка; и высокочастотные, по частоте близкие к собственным частотам колебаний инструмента. К первой группе относятся колебания с частотой 20200 Гц, ко второй группе  10004000 Гц. При использовании сборных инструмен­тов с механически закрепляемыми режущими пластинами наблюдаются коле­бания с частотами 10 кГц и выше, близкими к собственным частотам коле­баний режущих пластин и элементов их крепления. Наличие в резании ши­рокого частотного спектра колебаний приводит к тому, что траектория реального относительного движения инструмента и детали является очень сложной. Поэтому при анализе колебательных явлений рассматривают коле­бания отдельных элементов системы СПИД в направлениях координатных осей Z, X и Y, совпадающих с направлениями составляющих сил резания.

3. Влияние условий и режима резания на параметры колебаний

Наиболее полно изучено влияние условий обработки на низкочастот­ные колебания, поскольку изменение частоты и амплитуды этих колебаний может проводиться с помощью простейших виброизмерительных приборов, а также по вибрационным следам на обрабатываемой поверхности.

При обработке сталей амплитуда автоколебаний увеличивается при увеличении скорости резания в диапазоне наростообразования, а при дальнейшем увеличении скорости резания  уменьшается. При этом увели­чение переднего угла приводит к снижению максимального значения ампли­туды колебаний и смещение его в зону более низких скоростей резания. Увеличение толщины срезаемого слоя ведет к снижению амплитуды колеба­ний, а увеличение ширины среза  к резкому ее увеличению. Задний угол (при достаточно больших его значениях) мало влияет на амплитуду коле­баний, а влияние главного угла в плане проявляется через изменение толщины и ширины срезаемого слоя. Увеличение радиуса при вершине также приводит к соответствующему изменению соотношения между толщиной и ши­риной среза и, следовательно, к увеличению амплитуды колебаний.

Многие исследователи полагают, что колебания отрицательно сказываются на стойкости режущих инструментов. При этом основной причиной снижения стойкости считается циклическое изменение фактической скорости резания и нагрузки, действующей на режущую кромку. Схема изменения скорости резания и интенсивности износа при колебаниях представлена на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Изменение: а) износа резца и б) скорости резания за пе­риод колебаний

Кривая 1 на рис. 10.2,б представляет изменение скорости резания за один период колебаний, а прямая 2 соответствует расчетной скорости v_o. Интенсивность износа, соответствующая расчетной скорости, представля­ется тангенсом наклона прямой OL. С увеличением действительной скорос­ти резания происходит увеличение интенсивности износа до значения, оп­ределяемого точкой В. Здесь скорость резания v максимальна, соответствующая ей интенсивность износа, представленная наклоном касательной ВМ  тоже максимальна. Дальнейшее уменьшение скорости резания уменьша­ет интенсивность износа до величины, определяемой касательной СК, угол наклона которой меньше, чем угол наклона линии OL. Это означает, что уменьшение скорости резания при отрицательной полуволне колебаний уменьшает интенсивность износа. В результате одного цикла колебаний инструмент получает износ _В больший, чем износ  при скорости v_o. Из­менение стойкости Т_В инструмента при колебаниях по сравнению со стой­костью Т_о инструмента при спокойном резании определяется выражением

_, (10.2)

где f  частота колебаний, А  амплитуда колебаний, =2f.

Согласно уравнению (10.2) колебания с любой частотой и амплитудой приводят к снижению стойкости режущего инструмента. Однако, известны результаты исследований, в которых установлено, что колебания инстру­мента положительно влияют на его стойкость.

Например, стойкость концевых фрез из твердого сплава ВК8 с увели­чением амплитуды колебаний в начале увеличивается, достигая максимума при А=1517 мкм, затем уменьшается. При резании труднообрабатываемых материалов часто на инструмент специально накладывают ультразвуковые колебания, при этом улучшаются условия резания и увеличивается стой­кость инструмента, максимум которой соответствует определенному значе­нию амплитуды колебаний. По-видимому, влияние колебаний на износ и стойкость инструмента не всегда однозначно. Это влияние обусловлено не только отношением скорости колебательного движения и скорости резания, но и действующими при этом нагрузками, величиной коэффициента трения и законами изменения этих факторов во времени. Изменение износостойкости и коэффициента, трения при изменении скорости носит экстремальный ха­рактер. Поэтому зависимость стойкости инструмента от динамического состояния системы СПИД, и в частности от параметров колебаний, тоже может быть экстремальной. Эта гипотеза нашла свое отражение в стойкостной модели, предложенной А.Д. Шустиковым на основе анализа исследо­ваний по стойкости и прочности инструмента с позиций динамики процесса резания. Схема стойкостной модели представлена на рис.10.3.

Рис. 10.3. Эквивалентная упругая система по связи со стойкостью инструмента

Входными параметрами стойкостного элемента W_t являются: с одной стороны, скорость резания v и скорость относительного смещения резца и заготовки ; с другой стороны, постоянная Р_с и переменная Р составля­ющие силы резания. Выходным параметром будет удаленная при износе мас­са материала резца или, в частном случае, фаска износа по задней по­верхности h₃. Из рис.10.3 видно, что сама динамическая характеристика резания W_р не остается постоянной в процессе обработки, поскольку ме­няется, по крайней мере, один из входных параметров процесса резания  фаска износа h₃. При изменении фаски износа меняется постоянная времени заднего угла, и как результат этого  величина . В таком ви­де стойкостная модель содержит в себе те противоречия, которые сущест­вуют во взглядах различных авторов на механизм влияния колебаний на стойкость и прочность инструмента. Эти противоречия являются результа­том сложности комплекса явлений, сопровождающих процесс резания, что подтверждается местом стойкостного элемента в приведенной модели. Из­вестно, что при колебаниях усадка стружки, сила и температура в зоне резания несколько уменьшаются, т.е. напряженное состояние режущей кромки может быть более благоприятным, чем при «спокойном» резании. С другой стороны, относительное смещение резца и заготовки увеличивает путь резания (трения), что приводит к уменьшению периода стойкости. Оптимальная стойкость находится где-то на стыке этих противоречий.

Результаты многих работ позволяют проводить в первом приближении оценку качества сборных инструментов без резания. Для этого необходимо определить на специальном стенде спектр колебаний сборного инструмента (его амплитудно-частотную характеристику) и иметь сведения о влиянии частоты и амплитуды колебаний на работоспособность данного инструмен­тального материала. Амплитудно-частотная характеристика, т.е. зависи­мость отношения смещения элемента к величине силы, вызвавшей это сме­щение, при изменении последней по гармоническому закону, позволяет вы­явить потенциально неустойчивые формы колебаний и оценить возможный уровень амплитуд на резонансных частотах.

Частоты и амплитуды колебаний системы СПИД зависят от многих фак­торов, часть которых, например износ инструмента, меняется во време­ни. Поэтому, целенаправленно управлять колебаниями в процессе резания чрезвычайно трудно. На практике стараются интенсивность вибраций свес­ти к минимуму. Интенсивность автоколебательного процесса зависит от соотношения работы сил, поддерживающих колебания, и работы сил сопро­тивления системы. Следовательно, для того, чтобы уменьшить интенсив­ность вибраций, необходимо уменьшить силы, возбуждающе колебания, и одновременно увеличить силы сопротивления системы.

Наиболее действенным способом увеличения сил сопротивления явля­ется повышение технологической жесткости всех звеньев системы СПИД, уменьшение зазоров в подшипниках, направляющих, гайках ходовых винтов и т.п.

В тех случаях, когда жесткость детали или инструмента настолько мала, что безвибрационная работа невозможна, применяются различные ти­пы виброгасителей, рассеивающих энергию за счет сил трения, гидродина­мического сопротивления жидкости, деформации пружин и т.д. Однако лю­бой виброгаситель способен подавить колебания на какой-либо одной час­тоте, а в силу многомассовости и замкнутости системы СПИД колебания могут возникать на разных частотах. Поэтому действие виброгасителей часто является малоэффективным.

Уменьшение сил, возбуждающих колебания можно осуществить путем соответствующего изменения геометрических параметров инструмента, выбора режимов резания. Относительно геометрии инструмента можно привес­ти следующие рекомендации: а) увеличить главные и вспомогательные углы в плане; б) увеличить передний угол; в) уменьшить радиус при вершине резца и величину заднего угла.

Для уменьшения низкочастотных автоколебаний не следует работать в зоне скоростей резания, характеризующейся наростообразованием; реко­мендуется увеличивать подачу и уменьшать глубину резания.