МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ВИБРОУСТОЙЧИВОСТИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СИСТЕМ

METHODS OF INCREASING THE VIBRATION RESISTANCE OF INSTRUMENTAL SYSTEMS

Mikhail Belyaev

Master student, Department of Mechanical Engineering Saint Petersburg Mining University,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрен процесс лезвийной обработки как источник возникновения колебательных процессов, а также способы повышения виброустойчивости инструментальных систем.

ABSTRACT

This article discusses the process of blade processing as a source of oscillatory processes, as well as ways to increase the vibration resistance of tool systems.

Ключевые слова: колебания, автоколебания, вибрации, инструмент, шероховатость.

Keywords: oscillations, self-oscillations, vibrations, tool, roughness.

1. Процесс лезвийной обработки с точки зрения причины возникновения колебательных процессов

В борьбе за повышение долговечности и надежности различных ответственных деталей и механизмов особое внимание уделяют качеству обрабатываемых поверхностей – шероховатости, точности и т.д. На эти параметры может влиять очень большое количество факторов. Чаще всего в процессе резания этим фактором являются колебания небольшой амплитуды, называемые вибрациями. Существует множество путей уменьшения их влияния. Выбор способа, а также понимание как дальше их совершенствовать – актуальная современная проблема в металлообработке. Для начала для понимания сути проблемы и того, с чем боремся рассмотрим причины и следствия их возникновения, а также степень влияния на качество поверхности.

Природа колебаний может быть различной – помимо возникающих при обработке с неравномерным припуском или многолезвийным инструментом вибраций, различных дефектов в зубчатых передачах привода станка, дефектов подшипников шпинделя, недостаточной уравновешенности, и т.д. имеют место автоколебательные процессы. Он представляет из себя устойчивые колебания при отсутствии возмущающих сил. При резании возникают силы резания и силы трения, под действием которых режущая кромка инструмента периодически изменяет свое положение по нормали к обрабатываемой поверхности. В начале перемещения по нормали вызваны зазорами в стыках, а затем деформацией входящей в систему СПИД детали. Колебания режущего инструмента относительно заготовки приводят к периодическому изменению сил резания и толщины удаляемого слоя материала, ведущее к снижению стойкости резца, препятствующее стабильности стружкообразования; также  влияет на величину и характер нагрузок на сам станок (по сравнению с устойчивым резанием), что снижает его ресурс. Даже малые вибрации препятствуют достижению высоких показателей точности и шероховатости поверхности. При их возникновении приходится снижать параметры резания, что ведет к снижению производительности (и не использовании станка на полную мощность), а также к ухудшению экономических показателей из-за удлинения технологическое цепочки, когда при невозможности добиться заданной точности, например, сверлением применяют дополнительно растачивание или развертывание и т.д. [1].

Рисунок 1. Упрощенная схема автоколебаний при резании, 1- лента, 2 – груз.

Также стоит отметить, что в первый момент увеличения скорости резания вибрации возрастают, но при достижении 80–150 м/мин (конкретные значения зависит от совокупности параметров режущей системы) начинает падать. При этом, не всегда справедливо, что чем больше усилие резания, тем выше погрешность обработки.

2. Пути борьбы с колебаниями

Исходя из факторов, описанных в предыдущей главе, можно сразу выделить способы, не ведущие к особым дополнительным затратам на инструмент или в процессе проектирования обработки, или уже в процессе самой обработки.

Например, при подборе инструмента из одной линейки резцов выбрать тот, у которого радиус закругления при вершине меньше, а угол в плане φ – больше (передний и задний углы почти не влияют на возникновение вибраций) и с положительным передним углом; главный угол в плане, близкий к 90^о , увеличит осевую составляющую силы резания, что уменьшит отжатие инструмента, так как максимальная нагрузка будет направлена вдоль его оси; выполнять обработку с глубиной резания превышающей величину радиуса при вершине пластины.

Своевременная замена или перетачивание инструмента, контроль износа и округления режущей кромки также будут способствовать улучшению качества поверхности. Маленький вылет инструмента, пиноли бабки, центров, жесткая заготовка,  – чем выше жесткость системы СПИД и меньше зазоры между ее звеньями и их масса, тем меньше условий для возникновения вибраций и высота ее волны, если она все же возникает. Назначение режимов резания в соответствии с параметрами станков и рекомендациями производителей инструмента, уменьшения скорости резания и подачи и т.д. также смогут их минимизировать.

Помимо всех перечисленных выше способов, есть множество методов с использованием дополнительного оборудования – балансировка дополнительных приспособлений с установленной деталью, балансировка трехкулачковых патронов с планшайбой, установка противовесов при точении несимметричных деталей. Эффективное демпфирование колебаний может быть достигнуто при использовании специальных поглотителей колебаний или виброгасителей, использовании упругих прокладок под поводковые болты или кулачки патрона. Виброгасители могут быть установлены в резцедержателе или непосредственно на резце, их применение ограничено трудностью их размещения в зоне резания. Дополнительно заточенная лунка на передней поверхности резца также уменьшает вибрации по сравнению с резцом без лунки (рис. 4).

Также существуют варианты с использованием борштанг с виброгасителями, специальные антивибрационные оправки для фрезерования, точения и растачивания (рис. 5 а), предназначенные для максимального сокращения вибраций за счет демпфирующего элемента, расположенного внутри корпуса. Еще одним похожим способом такого эффекта добиваются применением различных вибропоглощающих наполнителей, мастик, использованием разнородных материалов в одной конструкции, применением высокодемпфирующих сплавов и материалов и т.д. (рис. 5 б).

а)                                                                             б)

Рисунок 6. а) трехслойная державка (1,2,3 – слои с разным ориентированием зерен материала) ; б) – модель с отверстиями ( Ø​ 10  мм) в державке

В последнее время проводятся исследования по применению виброустойчивой инструментальной системы, основанной на повышении прецезионных поверхностей за счет: анизотропных свойств режущего инструмента (рис. 6 а) –  колебательная волна при переходе границы раздела слоев меняет свое направление, что приводит к рассеянию энергии колебаний [2]; использования для похожего эффекта отверстий в державке (рис.6 б) – волна, проходящая через чередующиеся границы сред (металл – воздух /демпфирующий материал – металл) гасится, частично отражается, изменяет направления движения. В результате происходит затухание колебаний, стабилизирующее положение державки в пространстве и ведущее к повышению качества обработанной поверхности  [3].

3. Выводы

1. Анализ литературных источников по возникновению колебательных процессов в технологической системе позволяет сделать вывод о влиянии автоколебаний на качество обработанной поверхности.
2. Установлено, что на процесс автоколебаний в процессе резания существуют различные способы подавления колебаний. К ним можно отнести статические и динамические методы подавления автоколебаний, как в системе заготовка, так и в системе инструмент.

Список литературы:

1. Аршинов В. А. и Алексеев Г. А. Резание металлов и режущий инструмент. Москва : Машиностроение, 1975. стр. 82-84.
2. Максаров В. В. и Ольт Ю. Ю. Повышение точности изготовления силовых гидроцилиндров механизированных крепей на основе виброустойчивой инструментальной системы // Записки Горного института. №214. стр. 71-84.
3. Рогов В. А. и Горбани С. Вибрационное исследование державок резцов при чистовой обработке // Вестник РУДН, серия Инженерные исследования. - 2014 г.. - №1. - стр. 16-22.
4. Савилов А.В., Пятых А.С. Влияние вибраций на точность и качество поверхности отверстий при сверлении // Вестник ИрГТУ. 2013. № 12 (83). С. 103–111.