ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ НА КАЧЕСТВО ФРЕЗЕРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНА И ПУТИ БОРЬБЫ С ВИБРАЦИЯМИ

Введение

По мере того как повышаются требования к точности и производительности обработки металлов резанием, вибрации стали наиболее серьезным ограничением к обеспечению этих показателей. Выявление физических причин возмущения вибраций технологических систем при резании металлов является до сих пор актуальным. С самого начала развития науки о резании нет единого и окончательного представления о причинах возникновения вибраций.

Известно, что в технологическую систему при механической обработке входят такие элементы как станок, приспособление, инструмент и деталь (система СПИД). Эта система должна быть виброустойчивой и не допускать значительных колебаний. Колебания инструмента при механической обработке снижают качество обработанной поверхности, возрастает шероховатость и появляется волнистость.

Колебания при всех известных видах механической обработки делятся на вынужденные и самовозбуждающиеся. Вынужденные колебания возникают из-за периодичности действия возмущающей силы. Устранение вынужденных колебаний не вызывает особых трудностей, так как при устранении обнаруженной причины колебаний вибрации прекращаются. В то же время самовозбуждающиеся колебания (автоколебания) происходят при отсутствии каких-либо видимых внешних причин. У таких колебаний периодически действующая сила, поддерживающая колебательный процесс, создается и управляется самими колебаниями. Таким образом, при устранении колебаний исчезает и сила, возбуждающая и регулирующая колебания.

Вместе с тем, вибрации при механической обработке можно использовать так, чтобы они положительно влияли на качество обработанной поверхности и сам процесс резания, в частности применять вибрационное резание труднообрабатываемых материалов. Во время обработки создаются искусственные колебания инструмента с регулируемой частотой и заданной амплитудой в определенном направлении, источниками искусственных колебаний служат механические вибраторы или высокочастотные генераторы.

Целью статьи является выполнить анализ и раскрыть причины возникновения автоколебаний при обработке металлов фрезерованием, рассмотреть влияние вибрации на качество обработанной поверхности деталей из титановых сплавов и способы борьбы с вибрациями.

Классификация моделей самовозбуждения автоколебаний при резании

Несмотря на большое количество теоретических исследований, до сих пор нет единого мнения о физической природе автоколебаний. Можно предположить, что сложность и неоднозначность физических процессов, происходящих при резании металлов, возникновение и поддержание автоколебаний определяется рядом физических явлений, которые могут действовать одновременно. Некоторые из них могут превалировать, это зависит от конкретных условий и состояния упругой системы станка. Среди условий можно выделить жесткость системы СПИД, режимы резания и вид обработки, а также свойства обрабатываемого материала.

Таким образом, существующие модели автоколебаний при резании можно условно разделить на три большие группы. В первую группу входят модели, в основе которых лежит статическая или динамическая двузначность силы резания. Выявление причин данной двузначности производится с помощью систем с одной степенью свободы. Во вторую группу входят теории, основанные на представлении технологической системы в виде системы с двумя или более степенями свободы, где автоколебания объясняются наличием координатной связи между ними. В третью группу входят теории, основанные на идее «вторичного возбуждения автоколебаний», когда потеря устойчивости объясняется наличием волнистого следа на обработанной поверхности и является следствием предыдущего вибрационного прохода инструмента.

Следует отметить, что такое деление во многом носит условный характер. Реальный процесс резания может сопровождать одновременно несколько механизмов самовозбуждения, относящихся к выше­описанным группам. Это затрудняет анализ динамической картины и порождает неоднозначную трактовку физической природы возникновения автоколебаний при резании [1, 6].

Причины возмущения вибраций технологических систем при резании металлов

Есть основания полагать, что физический механизм возмущения автоколебаний действует предположительно в следующей последовательности.

При любом случайном возмущении, при резании или выходе режущих лезвий из контакта с изделием, неравномерности припуска, прерывистости обработки, неоднородности обрабатываемого материала, радиальном биении заготовки или инструмента и др., происходит возникновение собственных затухающих колебаний технологической системы. При этом сечение среза и скорость резания изменяются, так как зона резания является последним звеном упругой технологической системы, и это всегда приводит к соответствующему изменению силы резания и ее составляющих.

Собственные затухающие колебания могут перейти в незатухающие автоколебания, если изменение силы резания отстает во времени относительно изменения сечения среза или если с увеличением скорости происходит уменьшение радиальной составляющей силы резания. Энергию, необходимую для поддержания колебаний, создает переменная сила резания. Таким образом, отставание изменения силы резания от изменения сечения среза и падающая характеристика силы резания от скорости и являются основными первичными источниками возбуждения автоколебаний. Существует еще ряд менее значительных причин первичного возбуждения автоколебаний, они могут влиять на интенсивность автоколебаний только при определенных условиях.

Необходимо отметить, что существует и вторичное возбуждение автоколебаний, которое происходит при работе по волнообразному следу, оставленному на поверхности резания инструментом при предыдущем проходе или обороте заготовки. Так как почти все процессы резания идут при работе по следу, то вторичное возбуждение усиливает интенсивность колебаний. Автоколебания имеют форму «биений», т. е. происходят с периодическим изменением амплитуды.

Неустойчивость процесса резания, например, образование и скалывание элементов стружки, периодические срывы наростов и другие явления, сопровождающие процесс резания, в некоторой степени влияет на автоколебания. Эти явления нарушают общую устойчивость процесса резания, но происходят с частотой, существенно отличающейся от частоты автоколебаний. Частота установившихся автоколебаний всегда будет близкой к собственной частоте доминирующей колебательной системы или несколько ее превышать из-за нагружения системы при резании и повышения ее жесткости. Поэтому данные физические явления, которые сопровождают процесс резания, не являются физическими причинами возбуждения и поддержания автоколебаний [3, 4, 11].

Влияние автоколебаний на качество обработанной поверхности

Установлено, что наряду со стойкостью инстру­мента и производительностью обработки автоколебания в сильной степени влияют на качество обработанной поверхности. При увеличении амплитуды автоколебаний пропорционально ухудшаются параметры шероховатости, растет высота волнистости обработанной поверхности. При различных видах фрезерования волнистость обработанной поверхности полностью определяется величиной амплитуд и биениями вибраций [7]. Для того, чтобы определить зависимость волнистости и шероховатости обработанной поверхности от интенсивности автоколебаний, проводились специальные исследования применительно к процессам фрезерования дисковыми, пазовыми, цилиндрическими, концевыми и торцовыми фрезами, нарезания резьбы метчиками, резцовыми головками и резьбовыми фрезами.

В результате многочисленных экспериментальных исследований параметров волнистости и шероховатости поверхности получены эмпирические зависимости высоты волнистости от амплитуды автоколебаний и среднеарифметического отклонения профиля от элементов режима резания, геометрии инструмента и амплитуды колебаний.

Рисунок 1. Зависимость волнистости поверхности от величины амплитуд автоколеба­ний при работе пазовыми фрезами

На рис.1 представлены результаты опытов в виде точек, где по оси абсцисс отложены амплитуды колебаний, а по оси ординат – высота волнистости по дну паза в продольном направлении, где она была максимальной. Несмотря на то, что опыты проводили при различных жесткостях оправок, износе инструмента и подачах s_z, все опытные точки расположены в определенной области, вдоль одной общей прямой, проходящей приблизительно через начало координат.

Зависимость высоты волнистости (Wz) от амплитуды автоколебаний (A) при работе дисковыми пазовыми фрезами может быть выражена зависимостью

W^ʹ_z = Cw_z A^λwz,                             (1)

где коэффициенты Cw_z = 0,3 и λwz = 1.

В таблице представлены результаты двухфакторного эксперимента, где входными факторами были амплитуда и частота автоколебаний, а в качестве выходных параметров исследованы кроме стойкости инструмента Т шероховатость Ra и волнистость Wz обработанной поверхности при фрезеровании титанового сплава ВТ20 концевыми фрезами, оснащенными твердым сплавом ВК8.

Таблица 1.

Матрица планирования и результаты экспериментов

В результате соответствующих расчетов получены адекватные математические модели, отображающие зависимость высоты волнистости и среднеарифметического отклонения профиля от интенсивности автоколебаний

W^ʹ z = 23,5 + 15,5x₁, - 3,2x₂;                   (2)

Ra = l,4 + 0,6x₁ - 0,06x₂,                       (3)

где: x₁ = [(A- 60)/45,5] мкм; x₂ = [(f - 600)/200] Гц.

Анализ уравнений (2) и (3) позволяет заключить, что для процесса фрезерования амплитуда автоколебаний решающим образом влияет на волнистость и шероховатость обработанной поверхности. Влияние частоты автоколебаний в 5-10 раз слабее, чем влияние амплитуды.

Итак, на обе характеристики поверхности амплитуда и частота влияют по-разному: повышение амплитуды приводит к увеличению Wz и Ra, а увеличение частоты колебаний – к уменьшению волнистости и шероховатости поверхности.

Рисунок 2. Зависимость высоты волнистости Wz обработанной поверхности, амплитуды автоколебаний А и величины биений колебаний ∆А от жесткости системы инстру­мента при фрезеровании титанового сплава ВТ20 концевыми фрезами

На рис. 2 показаны зависимости высоты волнистости обработанной поверхности W_z, а также амплитуды автоколебаний А и величины биений колебаний ∆A = А_max – А_min от жесткости системы инструмента при фрезеровании титанового сплава ВТ20 концевыми фрезами. Все представленные кривые имеют совершенно идентичный характер. Высота волнистости Wz, полученная путем обработки профилограмм, хорошо согласуется с величиной W^ʹz, определенной расчетом по формуле (2). Это еще раз подтверждает правильность указанной зависимости [4].

Способы борьбы с вибрациями

Известны основные пути борьбы с вибрациями: снижение вибрации в источнике возникновения; уменьшение вибрации по пути распространения от источника. Повышение жесткости технологической системы как через повышение конструктивной жесткости станка в целом, так и через увеличение жесткости его отдельных узлов осуществляется при изготовлении оборудования. Снижение вибрации на пути распространения происходит при использовании для конкретных условий производства виброгасящих устройств ударного действия, динамических, фрикционных, гидравлических и др., при этом существенно снижается уровень интенсивности автоколебаний при различных видах фрезерования. Также вибрация может быть устранена путем изменения скорости или глубины резания, геометрии режущей части инструмента, правильным выбором СОЖ и материала заготовки, подбором неравномерности шага зубьев инструмента, а также путем улучшения условий схода стружки. В некоторых случаях является благоприятным переход со встречного на попутное фрезерование [2, 4, 5, 10].

Надо обратить внимание, что динамическая нестабильность технологической системы при работе на интенсивных режимах фрезерования обусловлена, в основном, вторичным возбуждением (регенерацией) автоколебаний под действием вибрационного следа на поверхности резания. Во время регенерации автоколебаний их фаза относительно колебаний следа устанавливается самопроизвольно независимо от начальных условий, что говорит о самоорганизации технологической системы.

Нарушение этой самоорганизации принудительным изменением фазы автоколебаний, например, с помощью периодического плавного изменения скорости резания, дает новую возможность эффективного управления динамической устойчивостью технологической системы [8, 9].

Заключение

В заключение можно сказать, что на качество фрезерованной поверхности деталей из титана влияет амплитуда автоколебаний, повышение параметров амплитуды приводит к увеличению волнистости и шероховатости, а увеличение частоты колебаний – к уменьшению.

Устранение вынужденных колебаний при фрезеровании не вызывает особых трудностей при выявлении источника колебаний. Регенеративные автоколебания, которые серьезно сдерживают производительность при фрезеровании, требуют глубокого изучения для выработки обоснованных предложений по их подавлению. К тому же остаются неизученными причины и механизм их самоорганизации. Имеются противоречия по выбору начальной фазы регенеративных автоколебаний с целью их подавления, а параметры модуляции скорости резания предлагается назначать опытным путем или полагаясь на интуицию. Необходима разработка прогрессивного виброустойчивого режущего инструмента и оснастки, назначение виброустойчивых зон режимов резания и других методов снижения интенсивности вибрации.