§ 12. Вибрации

Важной проблемой обработки реза­нием, имеющей большое практическое значение, является вибрация техноло­гической системы станка (СПИД). Вибрация влияет на качество обрабо­танной поверхности, увеличивает интенсивность износа инструмента я яв­ляется причиной возникновения зву­ков высокой частоты.

Механизм вибрации при резании. Виды вибраций.Металлорежущий ста­нок, режущий инструмент и обрабаты­ваемая деталь — это система, имею­щая большое число степеней свободы. Станок можно представить схемати­чески в виде системы с большим коли­чеством пружин1,2,....9(рис. 17),

Рис. 17. Схема вибраций станка: а— изменение толщины среза,6 —модель упругой системы станка

каждая из которых обладает опреде­ленной жесткостью, демпфирующими (гасящими) свойствами и собствен­ными частотами колебаний.

Пружины 1,2, 3,....9уравновеши­вают силу резания, возникающую между резцом10и заготовкой11. Им­пульс силы, вызывающей вибрацию, вызывает колебательные движения пружин и исключительное перемеще­ние резца10и заготовки11.Направ­ление перемещения этого движения будет зависеть от вибрирующих эле­ментов (пружин) данной системы.

При обработке точением в динами­ческих условиях возможны следующие разновидности вибраций: вибрации державки резца, вибрации резцедер­жателя или суппорта, вибрации заго­товки между центрами, крутильные колебания заготовки и шпинделя, виб­рации центров и пиноли, передней или задней бабки, вибрации станины. Виб­рации могут происходить в вертикаль­ной и горизонтальной плоскостях, па­раллельно или перпендикулярно направлению подачи. Таким образом, за­готовка или резец могут перемещаться относительно друг друга в любом направлении.

Возникновение вибраций в установившемся режиме резания может вызвать различные отклонения: скорости резания (колебания скорости резания), подачи, глубины срезаемого слоя, изменение положения режущей грани резца к поверхности заготовки (т. е. изменение переднего и заднего углов и углов наклона режущей кром­ки). Из теории резания известно, что любое из этих отклонений может изменить силы, действующие на вершину резца. В зависимости от направления и фазы отклонений (совпадающие или не совпадающие по времени с другими колебаниями) эти силы могут гасить возникшие колебания или воз­буждать вибрации.

Обычно система, выведенная импульсом силы из равновесия, вибриру­ет с затуханием. Такой вид колебаний, обычно не достигающих резонансной частоты технологической системы станка, называется вынужденны­ми колебаниями. Однако если изменение сил резания значительно и не поддается .гасящему (демпфирующе­му) эффекту системы, они могут вызвать рост амплитуды колебаний: устанавливается равновесие возбуждающих и гасящих сил системы, вибрации. не затухают — этот вид самовозбуждаемых вибраций называется автоколебаниями. Особенностью само­возбуждаемых вибраций является то, что их частота совпадает с одной из собственных частот технологической системы станка.

Вынужденные колебания возника­ют из-за периодичности действия воз­мущающей силы. Причинами их появ­ления могут быть удары, прерывистый характер процесса резания, дисбаланс вращающих частей технологической системы станка, дефекты в механиз­мах станка, неравномерность припуска на обработку, передача вибраций станку от других машин, молотов, прессов, работающих поблизости. Уст­ранение вынужденных колебаний не является большой трудностью. Найти источник вибраций, как правило, не­трудно. После его устранения вибра­ции прекращаются.

Автоколебание — явление более сложное и часто возникающее при ре­зании металлов. Самовозбуждаемые вибрации (автоколебания) возникают при отсутствии видимых внешних причин. Причины автоколебаний кроются в самом процессе резания. Они созда­ют переменную силу и поддерживают автоколебательный процесс. Основны­ми причинами появления автоколеба­ний являются непостоянство нароста, приводящее к изменению в процессе резания угла резания и площади по­перечного сечения среза, непостоянст­во силы трения сходящей стружки о резец и резца о заготовку, неравно­мерное упрочнение срезаемого слоя по его толщине.

Исследования, проведенные А. И. Кашириным, А. П. Соколовским, Л. К. Кучмой и другими, показали, что частота колебаний не зависит ни от режима резания, ни от геометрии инструмента, а определяется жест­костью и массой технологической сис­темы станка, возрастая при увеличе­нии жесткости и уменьшении массы. В то же время амплитуда колебаний в отличие от частоты зависит не толь­ко от массы и жесткости колебатель­ной системы, но и от рода обрабаты­ваемого материала, геометрических параметров инструмента и режима ре­зания. Постоянство частоты и пере­менность амплитуды колебаний при изменении условий резания свиде­тельствует об автоколебательной при­роде колебаний.

Факторы, влияющие на вибрации

Влияние жесткости технологиче­ской системы станка.Как уже указы­валось, частота колебаний не зависит ни от режима резания, ни от геометрии инструмента, а определяется жест­костью и массой системы станка. Чем выше жесткость системы, тем меньше условий для возникновения вибраций. Если меньше вылет резца, шпинделя с патроном, пиноли задней бабки, то жестче система, реже вибрации и, на­оборот, чем больше вылет резца или пиноли задней бабки и шпинделя, тем больше возможностей появления и увеличения вибраций. Так, добавление наружных опор в виде люнетов, под­вижных и неподвижных, при обточке длинных прутков (валиков) значи­тельно увеличивает жесткость систе­мы — вибрации прекращаются. Для устранения вибраций при растачива­нии в конструкциях расточных скалок применяются демпферы различных форм и типов.

Для уменьшения вибраций точно­го оборудования применяются амор­тизаторы или виброизолирующие фун­даменты. Это особенно необходимо, если около точного оборудования ра­ботает кузнечное или прессовое.

Влияние механических свойств на вибрацию.При обработке вязких ста­лей вибрации больше, при обработке чугунов—меньше. При увеличении твердости и прочности обрабатывае­мого материала вибрации уменьшают­ся, при возрастании относительного удлинения и относительного суже­ния — увеличиваются.

Влияние режима резания.Скорость и глубина резания влияют на вибра­ции больше, чем подача. При увеличе­нии скорости (до определенной вели­чины) вибрации возрастают, а затем уменьшаются. При увеличении глуби­ны резания вибрации (при продоль­ном точении) растут.

Влияние геометриирезца. Чем меньше главный угол в плане, тем интенсивнее вибрация за счет увели­чения радиальной отжимающей силыP_y(см. рис. 16). Аналогичное влияние, но в меньшей степени оказывает и вспомогательный угол в плане : чем меньше угол , тем больше вибрации. Амплитуда колебаний возрастает при увеличении радиуса закругления при вершине резца в плане.

Вибрации зависят от формы перед­ней поверхности резца. Так, дополни­тельно заточенная лунка Rна перед­ней поверхности резца (рис. 18) по

Рис. 18. Резец с виброгасящей фаской и лункой

сравнению с резцами, не имеющими такой лунки, уменьшает вибрации. Это явление, а также заточка отрицатель­ной фаски Ф(0,1—0,3 мм) вдоль глав­ной режущей кромки (рис. 18) ис­пользуются для уменьшения вибраций.

Определение причин вибрации.Оп­ределение причин вибрации произво­дится в определенной последователь­ности. Сначала проверяется жесткость технологической системы станка. Про­веряется отсутствие люфтов в направляющих, регулируется натяжение клиньев, прижимных планок, проверя­ется надежность крепления изделия, инструмента, величины вылетов инст­румента, патрона, шпинделя. Если проверка замеченных неисправностей и последующая регулировка не дали результата, проводится дальнейший поиск возможных причин. Проверяет­ся вибрация электродвигателя приво­да, пульсация гидропривода, при шли­фовании — биение шлифовального круга и др.

При определении источника вынуж­денных колебаний детали и узлы (предполагаемые виновники) последо­вательно исключаются из системы. Различные диагностические приборы и устройства облегчают нахождение причин вибраций и их устранение.