6.6. Вибрации при резании металлов
При некоторых условиях процесс резания теряет устойчивость и сопровождается вибрацией. Вибрации при резании - колебания одного или нескольких элементов технологической системы (ТС). Вибрация - это вредное явление, так как сопровождается звуком, ухудшающим условия труда людей; приводит к выкрашиваниям и поломкам режущего инструмента, снижает его стойкость, снижает качество обработки, являясь причиной образования волнистости и шероховатости, повышает динамическую нагрузку станков и способствует их преждевременному износу и поломке.
По физической природе вибрации при резании металлов делятся на два типа: вынужденные колебания и автоколебания.
Вынужденные колебания возникают и происходят под действием вынуждающей периодической силы с частотой, равной частоте внешней вынуждающей силы. Причинами вынужденных колебаний являются:
неравномерность припуска;
прерывистый характер процесса резания, например при фрезеровании либо при обработке прерывистой обрабатываемой поверхности;
дисбаланс вращающихся деталей станка, приспособления, инструмента;
элементный характер образования стружки, когда сила резания изменяется от минимального до максимального значений при образовании каждого элемента стружки;
периодичность образования и разрушения нароста;
колебания в механизме привода станка, возникающие вследствие циклической погрешности изготовления зубчатых колес, плохом состоянием ременных передач и т.п.;
передача колебаний от рядом стоящего оборудования.
Для устранения передачи колебаний от рядом стоящего оборудования точные станки необходимо установить на индивидуальном фундаменте.
Причины вынужденных колебаний многообразны. Выше приведены далеко не все. Для исключения вынужденных колебаний надо устранить их причину. Если устранить причину вынужденных колебаний не представляется возможным, то необходимо режим резания выбрать так, чтобы собственная частота колебаний элементов ТС не была равна частоте возмущающей силы. В противном случае наступит резонанс, характеризующийся наибольшей амплитудой колебаний. Методику определения режима резания, исключающего резонанс, можно уяснить на следующем примере.
Пусть необходимо обточить вал на токарном станке. При определении оптимального числа оборотов n шпинделя станка необходимо учесть, что вследствие погрешности формы поперечного cечения вала и неточной установки его на станке при повороте на один оборот сила резания изменится от максимального до минимального значения, что явится вынуждающей силой. Частота ее определяется числом оборотов в минуту – n.
,
с-1.
Частота собственных колебаний обрабатываемого вала или стержня резца определяется по формуле
,
с-1,
где L - длина колеблющейся части вала или резца, мм;
E - модуль упругости материала вала или резца, кг/мм2;
m - погонная масса вала или резца;
С - коэффициент, зависящий от способа крепления детали: С=1,85 для крепления вала в патроне токарного станка или резца в суппорте; С = 3,14 для обработки вала в центрах, С = 5,4 при закреплении вала в патроне с задним центром или при обработке в патроне с помощью люнета;
J - центральный момент инерции сечения вала или резца.
Число оборотов шпинделя станка, при котором наступает нежелательное явление резонанса, определяется таким образом
,
об/мин.
Число оборотов необходимо выбирать таким, чтобы оно значительно отличалось от вычисленного значения.
Автоколебания - это вибрация, происходящая автоматически, когда внешняя вынуждающая периодическая сила отсутствует, а сила, создающая колебания, возникает в процессе колебания. При обработке резанием автоколебаниям обычно подвержены либо инструмент, либо обрабатываемая заготовка. Колебания заготовок происходят, как правило, с низкой частотой и сопровождаются звуками низкого тона. Колебания инструмента - это высокочастотные колебания, сопровождающиеся звуками высокого тона. По этим признакам можно определить доминирующую колебательную систему, колебания элементов которой являются более значительными по сравнению с колебаниями других элементов ТС.
Установлено, что частота автоколебаний равна собственной частоте доминирующей колебательной системы и зависит от ее жесткости и массы. Режим резания не оказывает влияния на частоту автоколебаний. Амплитуда автоколебаний зависит от факторов процесса резания: режима резания, геометрии инструмента, характеристик ТС. Она, как правило, тем больше, чем больше сила резания.
Движения в колебательном процессе могут быть разнообразными: происходить в одном, двух и трех направлениях, могут быть поступательными и вращательными. Например, вершина проходного токарного резца в режиме автоколебаний совершает движения как в радиальном, так и в тангенциальном направлениях, описывая траекторию в виде эллипса, большая ось которого близка к направлению скорости резания.
Автоколебания имеют сложную физическую природу, основу которой составляет механизм возбуждения.
Механизм возбуждения - это физическое явление, порождающее колебательное движение в ТС, т.е. первопричина автоколебаний. Установлено несколько физических явлений, порождающих колебания, основными из которых являются:
уменьшение силы трения при увеличении скорости скольжения;
отставание изменения силы резания от изменения толщины срезаемого слоя;
движение лезвия инструмента по волнообразной поверхности резания, образованной в результате автоколебаний.
Экспериментально доказано, если с увеличением скорости скольжения трущихся тел сила трения между ними уменьшается, то при благоприятных условиях такая зависимость между силой трения и скоростью обуславливает автоколебания. В этом нетрудно убедиться, выполнив эксперимент на модели, предложенной голландским ученым Ван-дер-Полем. Схема её показана на рис.6.17. Она состоит из барабанов 1 и 3, на которые натянуто полотно 2, груза 5, установленного на полотне и соединённого с неподвижной стенкой пружиной 4.
Если ведущему барабану 1 сообщить вращение с некоторой линейной скоростью, то полотно 2 за счет силы трения F переместит груз 5 в крайнее правое положение, в котором сила трения покоя и сила натяжения пружины Р будут равны - груз 5 остановится и возникнет скольжение. Если скорость скольжения будет больше V1 (см. рис.6.18), то сила трения уменьшится и груз 5 под действием силы натяжения пружины будет перемещаться по полотну влево до тех пор, пока уменьшающаяся сила трения не будет уравновешена уменьшающейся силой натяжения пружины. Груз 4 остановится, вследствие чего сила трения примет максимальное значение, полотно 2 снова переместит груз 5 в крайнее правое положение. Так будут происходить автоколебания груза 5.
|
Рис.6.17. Схема устройства модели Ван – дер – Поля для возбуждения автоколебаний |
Аналогичные элементы можно выделить в ТС: роль полотна выполняет стружка или вращающаяся обрабатываемая заготовка, груза - лезвие инструмента, пружины - упругие элементы ТС (см. рис.6.19).
|
|
Рис.6.18. График изменения силы трения в зависимости от скорости скольжения |
Рис.6.19. Элементы-аналоги модели Ван – дер – Поля при резании |
Экспериментально
установлено, что изменение силы резания
отстает по времени на некоторую величину
ТР
от изменения толщины срезаемого слоя.
Если зависимость между силой и толщиной
выразить формулой Р
= ка,
то дополнительное перемещение лезвия
в срезаемый припуск за счет колебания
на величину
приведет к увеличению силы резания. Но
лишь через некоторое время ТР
после
того как резец совершит перемещение в
колебательном процессе на величину
,
сила резания примет значение
.
Величина ТР
называется постоянной времени
стружкообразования и определяется
выражением
,
где С - постоянная величина, среднее значение которой равно 1,3.
Отставание изменения силы резания от изменения толщины срезаемого слоя во времени на величину ТР является одной из основных причин возникновения автоколебаний при резании.
Автоколебания приводят к образованию волнистости поверхности резания, что является источником возбуждения вторичных колебаний, усиливающим автоколебания в целом.
Чтобы возбудить автоколебания, необходимо вывести технологическую систему из состояния равновесия, подобно тому, как это происходит с маятником. Обработку резанием сопровождает множество явлений, выводящих ее из равновесия: неравномерность припуска, неоднородность материала, колебания и др., которые служат первоисточником автоколебаний. После этого вступает в действие механизм возбуждения и при благоприятных условиях, когда энергия, рассеиваемая в процессе колебаний посредством трения и преобразования ее в тепло, не превышает поступающую от источника энергию, происходят устойчивые колебания одного или нескольких элементов технологической системы. Определенно установлено, что факторы процесса резания могут оказывать влияние только на амплитуду автоколебаний. Факторы процесса резания, увеличивающие при своем изменении силу резания, увеличивают при этом и амплитуду автоколебаний. Так, увеличение глубины резания, прочности обрабатываемого материала, уменьшение переднего угла и угла в плане приводят к увеличению амплитуды.
Скорость резания оказывает неодинаковое влияние на амплитуду в разных интервалах ее изменения. Зависимость амплитуды от скорости (см. рис.6.20) имеет экстремальный характер. При скорости Vа амплитуда максимальна и тем больше, чем меньше передний угол. При скорости Vа обработку производить не рекомендуется. При этой скорости обработка сопровождается звуком наибольшей громкости.
Увеличение подачи приводит к уменьшению амплитуды автоколебаний. Это объясняется тем, что при этом возрастают размеры зоны стружкообразования и протяженность контакта стружки с лезвием инструмента, являющихся основными очагами рассеивания энергии колебаний посредством внутреннего и внешнего трения.
Как уже было сказано вначале, вибрация – автоколебания – вредное, нежелательное явление при обработке. Поэтому необходимо знать способы устранения или уменьшения ее. Основными из них являются следующие.
При проектировании станков, инструментов, приспособлений необходимо оптимизировать их динамические характеристики, обеспечив необходимую жесткость на основе динамических расчетов.
Выбор режима резания и геометрии заточки режущих инструментов необходимо производить с учетом виброустойчивости ТС.
Нередко целесообразно применять при обработке специальные устройства – виброгасители.
|
|
Рис.6.20. Влияние скорости резания (линии 1 и 2) и подачи (линия 3) на амплитуду автоколебаний: 1 – для γ1; 2 – для γ2 < γ1 |
Рис.6.21. Устройство виброгасителя
|
На рис.6.21 показан виброгаситель, изобретенный Д.И. Рыжковым, который устанавливается непосредственно на резец. Он состоит из винта 1, пружины 3 и втулки 4. Здесь имеется две колебательные системы: первая состоит из резца 2 и винта 1, вторая - из втулки 4 и пружины 3. Динамические характеристики первой нерегулируемые, второй регулируемые. Вращая винт 1, можно настроить вторую систему так, что частота её собственных колебаний будет отличаться от частоты собственных колебаний системы резец-винт, и шайба, ударяясь при начавшихся автоколебаниях резца в момент их возбуждения, будет препятствовать их продолжению.
Рис.6.22. Кольцо – виброгаситель
на расточной оправке
Виброгаситель, показанный на рис.6.22, представляет собой груз 1, свободно установленный на оправке 2 расточного станка. При начавшихся автоколебаниях оправки в момент возбуждения груз 1, ударяясь об оправку 2, будет препятствовать их продолжению.