Отчёт по НИР

Лист

Введение

Автоколебания при обработке резанием представляют собой самовозбужда-

ющиеся вибрации, оказывающие негативное влияние на: стойкость инструмента,

производительность, качество обработки и размерную точность. Автоколебания делятся на первичные, возбуждаемые при первом проходе инструмента, и на вто-

ричные, возникающие при срезании волнистой поверхности, оставленной на по-

верхности резания при предыдущем проходе инструмента.

Причинами появления первичных колебаний являются:

1.Зависимость коэффициента трения на передней поверхности инструмента от скорости, перемещающейся по ней стружки.

2.Отставание изменения силы резания от изменения толщины срезаемого слоя.

3.Координатная связь перемещений инструмента по взаимно перпендикуляр-

ным осям координат, которая приводит к движению колеблющийся инструмент по

замкнутой эллипсообразной траектории.

4.Изменение кинематических углов инструмента при колебаниях. Причины по-

явления автоколебаний связаны с повторным возбуждением периодически изменя-

ющейся толщиной стружки, вызванной волнистостью на поверхности резания,

оставшейся после предыдущего прохода инструмента. Колебания, вызванные этой причиной, называют регенеративными автоколебаниями

Силы, возникающие при резании, подвергают станок и инструмент крайне высоким нагрузкам. Следовательно, главной целью является оптимизация объема снимаемого материала за единицу времени, максимальное увеличение стойкости инструмента и минимизация нагрузки на станок.

Лист

Рисунок 1 – Влияние возникновения автоколебаний на качество получаемых поверхностей при различных видах обработки (chatter – влияние автоколебаний; stable – нормальное резание)

Появление автоколебаний в станках может иметь катастрофические послед-

ствия, так как они препятствуют получению требуемой чистоты поверхности и уменьшают срок службы инструментов и механических компонентов. Эти вибра-

ции возникают при широком спектре операций механической обработки, и он по-

прежнему является одним из основных ограничений производительности.

Лист

1 Причины возникновения автоколебаний при механической обработке

1.1Низкий коэффициент трения в направляющих системы

Растущие потребности в точности станков привели к эволюции систем направляющих. Первые станки имели направляющие скольжения, которые обеспе-

чивали относительно высокое демпфирование за счёт трения. Для повышения точ-

ности и скорости, стали применяться роликовые или аэростатические направляю-

щие. Такие направляющие имеют низкое демпфирование, и поэтому ставят под угрозу стабильность процесса обработки.

1.2Уменьшение массы конструкции станков

Уменьшение собственной массы станков в целях экономии материалов и про-

изводственного пространства приводит к уменьшению жёсткости их колебатель-

ной системы. При уменьшении жёсткости уменьшаются собственные частоты ко-

лебаний системы и повышается вероятность возникновения автоколебаний.

1.3Применение скоростного резания

Развитие технологий механической обработки позволило значительно увели-

чить скорость резания и производительность съёма материала. Твердосплавные ин-

струменты, заменившие инструменты из быстрорежущей стали в большинстве об-

ластей применения, могут обеспечить скорость резания в 3-5 раз выше. Более вы-

сокие частоты вращения шпинделей в сочетании с облегченными конструкциями станков увеличивают риски совпадения рабочих частот с собственными частотами системы в процессе работы.

1.4Изготовление нежёстких деталей

Применяемые в современном производстве и изготовляемые детали стано-

вятся всё более лёгкими и, одновременно, менее жёсткими, чтобы минимизировать затраты на производство или расход топлива на транспортировку.

Аэрокосмическая промышленность является лучшим примером того, где де-

тали должны быть настолько лёгкими, насколько это возможно. Требование мини-

Лист

мизации массы, наряду с тонкими стенками, делает эти детали значимым источни-

ком автоколебаний.

Рисунок 2 – Возникновение автоколебаний при обработке тонких деталей

Вследствие перечисленных факторов автоколебания являются и будут яв-

ляться одной из важнейших проблем металлорежущей промышленности.

Автоколебания, как вид самовозбуждающейся вибрации, зависят от многих факторов, таких как динамическая жёсткость конструкции и/или инструмента, па-

раметры резания, характеристики заготовки и инструмента.

Лист

2 Анализ методов подавления автоколебаний, возникающих в процессе меха-

нической обработки

Одной из основных целей анализа является определение наиболее подходя-

щего метода подавления автоколебаний для каждого конкретного случая. Наиболее подходящий метод должен быть выбран путем рассмотрения различных аспектов проблемы автоколебаний, которые можно классифицировать по критериям:

1.Обрабатываемость

Некоторые методы подавления автоколебаний основаны на изменении усло-

вий резания. Материалы с хорошей обрабатываемостью резанием дают возмож-

ность изменять скорость резания для предотвращения автоколебаний. При плохой обрабатываемости, диапазон частот вращения шпинделя ограничен, и задача со-

стоит в том, чтобы переместиться в более стабильные зоны.

2.Относительное расположение на диаграмме стабильности

Качественное расположение процесса автоколебаний на диаграмме устойчи-

вости является ключевым фактором для выбора оптимального метода подавления автоколебаний. Относительное положение нестабильного процесса определяется от-

ношением между частотой автоколебаний ак и частотой прохождения зубьев з.

Физически оно определяет количество полных волн за период, создаваемых автоколебаниями. Можно выделить четыре относительные зоны в соответствии с этим соотношением:

Зона A: зона демпфирования процесса ( > 10).

В этой зоне демпфирование процесса имеет большое значение, и поэтому вы-

сокое увеличение устойчивости достигается за счет трения между боковой поверх-

ностью инструмента и волнистой поверхностью заготовки. В этой зоне, чем ниже

Лист

скорость вращения шпинделя, тем выше граница устойчивости.

Зона B: промежуточная зона (10 > > 3).

Граница стабильности близка к границе абсолютной стабильности во всем диапазоне частоты вращения шпинделя. Это особенно верно для высоких значений демпфирования.

Рисунок 3 – Диаграмма стабильности процесса резания

Зона C: зона высоких скоростей (3 > k > 0,5).

В этой зоне стабильность может быть резко повышена за счет выбора скоро-

сти вращения шпинделя, совпадающей с одним из карманов стабильности.

Зона D: зона сверхвысокой скорости (0,5 > k).

Стабильность может быть улучшена путём увеличения скорости вращения шпинделя. Пределы обрабатываемости и мощность шпинделя в сочетании с нали-

чием мод на высоких частотах обычно ограничивают этот вариант.

Каждый режим имеет диапазон частоты вращения шпинделя где он может создавать автоколебания. Если частота прохождения зубьев низка по отношению к собственной частоте режима, процесс демпфирования может стабилизировать про-

цесс резания. С другой стороны, если частота прохождения зубьев в несколько раз выше собственной частоты, режим вероятно создаст проблемы с автоколебаниями.

Лист

3 Применение режущего инструмента со специальной геометрией

Процесс резания может быть стабилизирован подбором геометрии инстру-

мента или режущей кромки, которые увеличат демпфирование.

3.1Применение инструмента со спиралевидными режущими кромками

Обычные спиральные фрезы имеют постоянную задержку, непосредственно связанную с частотой прохождения зубьев. Спираль вносит угловую задержку в точках резания вдоль оси, которая снижает силу резания. Если спиралевидная форма всех перьев фрезы постоянная, среднее значение динамической силы оста-

ётся постоянным, а гармоники динамической силы уменьшаются.

Эффективность применяемой спирали зависит от соотношения между крити-

ческой глубиной резания и осевым расстоянием между двумя соседними кромками инструмента. Если глубина резания кратна осевому шагу, динамическая сила фре-

зерования постоянна и двухпериодные автоколебания не могут возникнуть.

Хотя сверление и точение являются операциями непрерывного резания, двух-

периодные автоколебания все же могут возникнуть, когда геометрия детали со-

здаёт прерывистое резание. В таких случаях спиральные кромки также могут по-

мочь в уменьшении автоколебаний.

3.2Применение фрез с переменным окружным шагом

Переменный шаг зубьев, является одним из основных параметров, с помо-

щью которых пытаются воздействовать на возмущение технологической системы.

Вследствие того, что при фрезеровании процесс резания идет при работе по следу,

вторичное возбуждение усиливает интенсивность колебаний, а установившиеся ко-

лебания наступают после прохода 8-20 зубьев для многолезвийного инструмента.

Поэтому на модели колебаний для фрез с постоянным шагом амплитуда колебаний постепенно возрастает.

Лист