Отчёт по НИР

Рисунок 4 – Амплитуда колебаний фрез с равномерным шагом зубьев

В случае неравномерности шага зубьев снижение колебаний может осу-

ществляться путем срезания вибрационных следов, расположенных на поверхно-

сти резания. Это следует из того, что зубья фрезы, имеющие малый по отношению к основной части зубьев окружной шаг, а, следовательно, и меньшую подачу на зуб, удаляют с поверхности резания вибрационные волны, образованные предыду-

щими зубьями. При оптимальном неравномерном расположении зубьев происхо-

дит уменьшение общей энергии вибрации этих фрез по отношению к энергии виб-

рации фрез с равномерно расположенными зубьями. Встречается различное выпол-

нение зубьев по периметру: равномерное чередование большего и меньшего шагов,

случайный характер выполнения разношаговости, ступенчатая разношаговость. На рисунке 5 показана модель колебаний фрезы с переменным шагом, когда перемен-

ный шаг образуется путем чередования большего и меньшего шагов. В этом случае

Рисунок 5 – Амплитуда колебаний фрез с неравномерным шагом зубьев

Лист

вибрационные следы, образуемые её зубьями, смещаются относительно друг друга.

Таким образом, увеличения амплитуды колебаний не происходит, а из-за срезания вибрационных следов последующими зубьями с увеличенным шагом она умень-

шается.

Однако исследования показали, что фрезы с переменным шагом полезны только в зоне высоких скоростей (зона С) для смещения зон высокой зоны стабиль-

ности, но они значительно не увеличивают абсолютный предел устойчивости. Эти инструменты более интересны в промежуточной зоне (зона В), где эта нерегуляр-

ная геометрия может увеличить стабильность.

3.3Применение инструмента с канавками для деления стружки

Эти инструменты имеют волнистые канавки, которые производят периоди-

ческие изменения локальных радиусов и угла. Благодаря такому профилю эти ин-

струменты нельзя использовать для отделочных работ.

Зазубренные режущие кромки могут создавать неоднородную геометрию стружки вдоль каждой канавки и между различными канавками. Временная за-

держка в любой точке вдоль режущей кромки может отличаться из-за амплитуды зубчатой волны и скорости подачи. Процесс является периодическим с интерва-

лами вращения шпинделя.

Рисунок 6 – Фрезы со стружколомами

Когда толщина стружки меньше амплитуды зубчатых волн, некоторые участки канавок не соприкасаются с материалом. В результате количество задер-

Лист

жек увеличивается, а зазубрины ослабляют регенерацию, что приводит к увеличе-

нию пределов стабильности. При увеличении подачи также увеличивается контакт материала с зубчатыми канавками.

При правильном подборе подачи операции черновой обработки, выполняе-

мых такими фрезами, требуют меньший крутящий момента из-за больших значе-

ний локальной толщины стружки, что приводит к меньшему увеличению локаль-

ной удельной силы резания.

3.4Применение фрез с переменным шагом спирали

Винтовые инструменты с непостоянными или чередующимися углами наклона спирали вносят непрерывные изменения в локальные углы наклона вдоль оси инструмента. Эта геометрия вызывает непрерывное изменение задержки между канавками, что нарушает регенеративный эффект.

Для инструментов с переменной спиралью методы, основанные на времен-

ной области, предсказывают важные изменения стабильности в лепестках низкого порядка (зоны A и B) с фрагментацией нестабильных зон на несколько островов.

Лист

4 Настройка параллельной обработки несколькими инструментами

4.1Применение специального позиционирования инструмента при параллель-

ном точении

При параллельном точении эффект переменной спирали может быть создан за счет оптимального расположения режущих кромок, когда несколько инструмен-

тов работают на одной поверхности.

Рисунок 7 – Подавление автоколебаний при параллельном точении

Если взаимное расположение режущих кромок оптимизировано, регенерация может будет нарушена. Автоколебания можно подавить, настроив угловое позици-

онирование инструментов, которые режут одну и ту же поверхность. Эксперимен-

тальные результаты подтвердили, что зависимость предела стабильности процесса от радиального угла проявляется только в том случае, если динамическая связь обоих инструментов через конструкцию станка принимается во внимание. Парал-

лельные токарные станки имеют такую связь, когда обе револьверные головки за-

креплены на одной колонне.

4.2Обработка заготовки несколькими шпинделями с различными частотами вра-

щения

Серьёзная проблема автоколебаний может возникнуть при параллельном фрезеровании, когда две или более фрезерных головок воздействуют на одну и ту же заготовку или один и тот же станок. Регенеративный эффект зависит от фазы

Лист

между последующими проходами зубьев, и он может быть усилен или ослаблен соотношением различных скоростей вращения шпинделей. Таким образом, регене-

рация может быть нарушена путем вращения двух шпинделей с разными скоро-

стями. Этот метод аналогичен обработке фрезами с неравномерным шагом, но он более выгоден, поскольку разницу частот вращения легко регулировать контролле-

рами частот вращения шпинделей и адаптировать к частоте автоколебаний.

Лист

5 Применение методов изменения скорости вращения шпинделя

Такого рода методы изменяют период прохождения зубьев, что позволяет ва-

рьировать период между модуляциями толщины стружки, которые создают реге-

неративную нестабильность.

5.1Дискретная настройка частоты вращения шпинделя.

Этот метод основан на двух гипотезах, которые верны для одного доминиру-

ющего режима: высокая стабильность связана с условиями резонанса для одной из гармоник частоты прохождения зуба, а частота автоколебаний близка к собствен-

ной частоте критического режима. Метод предлагает новую скорость вращения шпинделя , которая может быть настроена близко к программируемой скорости с помощью числа лепестков .

= 60 × ав , (2)

Метод пытается найти резонанс итеративно на основе экспериментального измерения частоты автоколебаний ав. На каждом шаге скорость вращения шпин-

деля изменяется таким образом, чтобы одна из гармоник частоты прохождения зубьев совпадала с измеренной частотой автоколебаний. При установлении новой частоты вращения шпинделя автоколебания могут исчезнуть или их частота изме-

нится, обеспечивая входные данные для следующей итерации. Теоретически про-

цедура завершается, когда автоколебания устраняется или частота автоколебаний не меняется после двух последовательных итераций. После того как найден ста-

бильный срез глубина резания может быть увеличена путем повторения итераци-

онного процесса. Этот процесс можно проследить итерацию за итерацией на диа-

грамме стабильности.

Эта процедура может быть применена в автономном режиме с использова-

нием процедуры обучения для процесса резания, где измеряется частота автоколе-

баний и задаётся новая скорость вращения шпинделя.

Лист

Рисунок 8 – Итерационная процедура для дискретной настройки скорости вращения шпинделя.

Метод требует алгоритма для определения автоколебаний. При низких часто-

тах автоколебаний могут быть использованы также внутренние сигналы ЧПУ.

Следует отметить, что если собственная частота основного режима получена обычным ударом, то скорость вращения шпинделя может быть непосредственно определена вблизи резонанса основного режима без каких-либо итерационных про-

цессов. Метод прост в реализации, но у него есть важные ограничения. Он полезен в зоне высоких скоростей (зона С), где преобладают чистые режимы.

5.2Непрерывная настройка скорости вращения шпинделя

Метод создает временную зависимость в задержке, которая может улучшить стабильность. Одной из сильных сторон метода является гибкость по сравнению с неравномерными инструментами с нерегулярными спиралями, поскольку пара-

метры метода могут быть легко изменены.

Метод основан на введении возмущения в команду скорости вращения шпин-

деля. Существуют различные методы изменения скорости вращения шпинделя,

включая синусоидальный, треугольный, прямоугольный, случайный или непре-

рывное линейное возмущение. Синусоидальный сигнал оказался наиболее эффек-

тивным методом по сравнению с другими. Однако было обнаружено, что этот ме-

тод не подходит для подавления автоколебаний при высокоскоростной обработке

Лист

сплавов с низкой твёрдостью и для общего торцового фрезерования твёрдых мате-

риалов. Данный метод эффективен для операций черновой обработки материалов с низкой обрабатываемостью или в случаях, когда вибрации создаются менее жёст-

ким зажимным устройством.

Установлено, что процесс фрезерования предпочтительнее стабилизировать за счёт увеличения амплитуды изменения скорости вращения шпинделя, в то время как частота изменения самой скорости не оказывает существенного влияния на ди-

намическое поведение системы.

Положительный эффект метода ограничивается диапазонами низких скоро-

стей вращения шпинделя (зоны A и B). В этих ситуациях небольшие изменения в скорости вращения шпинделя могут создать большие изменения в задержке между последовательными волнами. Поэтому колебания амплитуды скорости вращения шпинделя менее 20% могут повысить стабильность в этих зонах без каких-либо соответствующих вторичных эффектов.

Лист

6 Применение активного демпфирования

Активные методы демпфирования основаны на измерении параметра, свя-

занного с вибрациями, его обработке, а затем на подаче управляемого силового сиг-

нала в ответ на измеренный сигнал с помощью исполнительного механизма. Таким образом, к вибрирующей структуре прикладывается динамически коррелирован-

ная внешняя энергия. Наиболее используемыми технологиями в активных систе-

мах являются пьезоэлектрические и электромагнитные актуаторы. Также исполь-

зовались другие материалы (электрострикционные и магнитострикционные) и

жидкости. Умные жидкости в основном используются в полуактивных устрой-

ствах, которые по сути являются пассивными устройствами, где свойства могут быть настроены в реальном времени, но они не могут непосредственно вводить управляемую силу.

Классификацию активных систем можно провести в зависимости от того, как они расположены в потоке силы:

Последовательное применение – привод расположен внутри силового потока станка и должен выдерживать силы резания. Поэтому для этих элементов требуется высокая жёсткость. Любая поломка привода приводит к остановке станка.

Параллельное применение – привод расположен вне силового потока. Таким образом, сохраняется статическая жёсткость исходной конструкции. Для получе-

ния эффекта сила должна быть приложена в том месте, где целевой режим имеет большую амплитуду смещения.

6.1Активное подавление структурных автоколебаний

Структурные вибрации характеризуются низкочастотными колебаниями,

обычно в диапазоне от 20 до 200 Гц, крупных компонентов станка. Использование активных методов оправдано, поскольку они могут справиться с изменениями ди-

намики станка в зависимости от меняющейся позиции резания.

Лист

Рисунок 9 – Активное подавление автоколебаний с помощью машинных приводов

Демпферы из корректирующей массы, также известные как инерционные приводы, используют инерционную силу, создаваемую ускорением подвешенной массы, которая соединена параллельно с основной конструкцией. Эта активная си-

стема, способна гасить несколько режимов одновременно. Демпфирующие массы,

реализованные с помощью электромагнитных технологий, были использованы для повышения предела устойчивости с помощью прямой обратной связи по скорости,

которая увеличивает демпфирование структурных режимов. Демпферы также мо-

гут быть реализованы с помощью электрогидравлического привода, который мо-

жет генерировать большое усилие при компактной конструкции.

6.2Применение активных инструментов

Рисунок 10 – Расточной резец с магнитореологической жидкостью

Расточные резцы требуют подавления автоколебаний благодаря присущей им гибкости. Для этого в основном использовались пьезоэлектрические актуаторы.

Лист