МЕТОДЫ ГАШЕНИЯ ВИБРАЦИЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ ОСЕВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

VIBRATION DAMPING METHODS FOR AXIAL TOOL PROCESSING

Guselnikov Vladimir Andreyevich

Master's Student, Department of machinery manufacturing equipment and technologies, Toghliatti state University,

Russia, Toghliatti

Voronov Dmitry Yurevich

Scientific supervisor, candidate of Sciences in Techinics, associate professor, Toghliatti state University,

Russia, Toghliatti

АННОТАЦИЯ

Обозначена проблема снижения качества отверстий при сверлении. Рассмотрены способы, технологии, патенты, применяемые для снижения вредного воздействия вибраций на качество обработки осевым инструментом.

ABSTRACT

The problem of reducing the quality of holes during drilling is outlined. Methods, technologies, and patents are considered to reduce the harmful effects of vibrations on the quality of processing with an axial tool.

Ключевые слова: сверление; осевой инструмент; вибрации;

Keywords: drilling; axial tools; vibrations.

Введение

Обработка осевым инструментом является одним из самых распространённых типов механической обработки. Только на операцию сверления приходится до 40% всех операций, выполняемых при обработке металлов резанием [1]. При этом в таких отраслях как авиационная промышленность и приборостроение доля операций выполняемых осевым инструментом значительно выше. Так, пассажирский самолёт содержит от 1 до 3 миллионов отверстий, необходимых для присоединения элементов обшивки, каркаса, управления, прокладки кабельных и пневматических систем. В приборостроении доля точных отверстий так же велика из-за необходимости крепления большого количества датчиков, разъёмов, крепёжных отверстий. Из-за этого повышение качества обработки осевым инструментом является одной из наиболее актуальных задач технологии машиностроения.

Тем не менее, существует ряд факторов, снижающих качество поверхности обрабатываемых отверстий, а также точность размеров и форм. Самым главным из этих факторов являются вибрации, неизбежно возникающие в процессе резания. Из-за них возникают микроудары, оставляющие дефекты как на поверхности изделия, так и на поверхности режущего инструмента, что так же ухудшает качество последующей обработки.  Целью данной работы является обзор основных методов снижения вибраций, применяемых в машиностроении. Для повышения качества обрабатываемых поверхностей применяются методы, как по снижению негативных воздействий вышеописанных факторов, так и способы по снижению колебаний.

Геометрические факторы

Для исключения факторов, связанных с геометрическими особенностями сверла, применяется комплекс мер по расчёту рациональных углов инструмента. Это позволяет снизить возникающие осевые и радиальные усилия, что напрямую сказывается на амплитуде возникающих колебаний. Так же это снижает износ поверхности режущей кромки, что стабилизирует чистоту поверхности и повторяемость параметров отверстий в готовых изделиях.

Так же, при коррекции факторов, связанных с геометрией сверла, проводится подрезание перемычки. Это снижает жёсткость непосредственно режущей части сверла, но при этом позволяет сохранить её для основного массива инструмента. При этом значительно уменьшаются осевые силы и трение, что благоприятно сказывается на процессе резания.

Корректировка режимов резания при помощи методов активного и адаптивного контроля

Для корректировки режимов резания применяются различные методы, связанные с построением систем уравнений и выделению областей пересечения значений этих уравнений, с целью определения наиболее рациональных режимов. Это позволяет значительно снизить возникающие радиальные и осевые силы, нагрев материала, износ инструмента и при этом сохранить производительность процесса.

Помимо обработки деталей на более точных станках существует так же комплекс мер, позволяющий значительно снизить колебания в системе. Так, широкое распространение получили программно-аппаратные комплексы активного и адаптивного контроля. В обоих случаях станок оснащается системой датчиков и устройств, позволяющих корректировать режимы резания по мере нагрева инструмента, его износа, появления вибраций и иных негативных факторов.

Активный контроль в общем случае осуществляется при помощи акселерометров, которые передают данные на управляющий блок. В зависимости от частоты, выбирается режим, позволяющий наиболее эффективно гасить колебания, в результате чего управляющий сигнал передаётся на пьезоэлектрические актуаторы или электромагнитные приводы, которые генерируют колебания в противофазе, что снижает колебания в системе на 50-80% [2]. Адаптивный контроль осуществляется при помощи акселерометров, но при этом воздействует не на сторонние устройства, а на управляющую систему станка, изменяя показатели подачи и скорости вращения шпинделя [3].

Обработка с применением методов полуактивного контроля

Для глубокого сверления так же применяются системы полуактивного контроля, основанные на гашении колебаний в жидкой среде. У фирмы Sandvik существует патент на серию инструментов для глубокого сверления и растачивания Silent Tools [4]. В тело инструмента вмонтирован подпружиненный эксцентрик, закреплённый на двух полуосях и находящийся в масле. При возникновении колебаний, пружины, рассчитанные на определённое усилие, перестают удерживать эксцентрик и он начинает вращаться в противофазе, рассеивая энергию от колебаний, преодолевая сопротивление жидкости.

Существуют так же технологии, основанные на использование магнитореологических жидкостей, в качестве среды, рассеивающей энергию колебаний [5]. Акселерометр и микроконтроллер встроены в инструмент, при возникновении колебаний на катушку подаётся управляющий сигнал, выстраивающий частицы магниторезонансной жидкости в цепочки, что позволяет изменять её плотность. Одновременно с этим в противофазе начинает совершать вращение эксцентрик. Вышеописанные способы применяются так же не только для инструмента, но и для станочных приспособлений.

Изолирование станков от внешних вибраций и применение СОЖ

Для изолирования станков от колебаний, совершаемых стоящим рядом оборудованием и другими станками, а также логистическим транспортом так же применяются специальные демпфирующие опоры и рессорные виброизолированные фундаменты. Они представляют собой дополнительные опоры, чаще всего выполняемые из резины, устанавливаемые на регулировочные башмаки и ножки станка. Так же, в конструкцию могут включаться тарельчатые пружины, для лучшего демпфирования.

 Для снижения негативного воздействия от эффектов, связанных с термодинамикой широко применяются смазывающе-охлаждающие жидкости (далее СОЖ). На старых моделях станков для этого применялось жидкое машинное масло, подававшееся в зону резания, сейчас же активно применяются эмульсионные СОЖ. Их применение позволяет своевременно охлаждать зону резания, снижая при этом трение и вынося стружку из отверстия. Однако для использования СОЖ станок должен быть оснащён системой сбора и фильтрации. Со временем СОЖ теряет свои свойства, наоборот забивая зону резания выпавшими в осадок присадками, поэтому его необходимо своевременно менять. Так же, большая часть эмульсий обладает токсическим действием, поэтому оператор обязан соблюдать меры безопасности при работе с оборудованием, а само оборудование должно быть закрытым и иметь вентиляцию для отвода аэрозолей СОЖ, образующихся при работе.

Повышение однородности материала

Для повышения однородности материала необходимо проводить термическую обработку перед обработкой резанием, например, нормализацию микроструктуры после литья. Для исключения возможности попадания абразивных частиц в поверхностный слой заготовки так же применяется комплекс мер, например, литьё в гипсовые или металлические формы. Однако, данное решение не всегда экономически эффективно, особенно когда необходимо изготовить заготовку для крупногабаритной детали или небольшой серии данных деталей, например, бронзовых втулок или валов-эксцентриков для прессового оборудования.

Список литературы:

1. Hamade R. F., Ismail F. A case for aggressive drilling of aluminum //Journal of materials processing technology. – 2005. – Т. 166. – №. 1. – С. 86-97.
2. Система демпфирования вибраций и станок : пат. US 11898616 США. – № 11,898,616 ; заявл. 23.06.2021 ; опубл. 13.02.2024 / Siemens Aktiengesellschaft. – Текст : электронный. – URL: https://patents.justia.com/patent/11898616 (дата обращения: 10.06.2026).
3. Система и метод мгновенного управления производительностью станка : заявка EP 3961321 A1 Европейского патентного ведомства / Chethan Ravi B R, P.V. Sudev Nair ; заявитель Siemens AG. – Заявл. 27.08.2020 ; опубл. 02.03.2022. – Текст : электронный. – URL: https://patents.google.com/patent/EP3961321A1 (дата обращения: 10.06.2026).
4. Инструмент с демпфированием вибраций : заявка US 20150231706 A1 США / Peter Frank ; заявитель Sandvik Intellectual Property AB. – Заявл. 21.08.2013 ; опубл. 20.08.2015. – Текст : электронный. – URL: https://patents.google.com/patent/US20150231706A1 (дата обращения: 10.06.2026).
5. Найгерт К. В., Целищев В. А. Прикладные свойства магнитореологических жидкостей : учебное пособие [Электронный ресурс] / Уфимск. гос. авиац. техн. ун‐т. – Уфа : УГАТУ, 2021. – URL: https://www.ugatu.su/media/uploads/MainSite/Ob%20universitete/Izdateli/El_izd/2021‐81