Вибрации в технологической системе

Работа и мощность резания

Силы резания в условиях несвободного резания

В условиях несвободного резания при точении равнодействующую силу сопротивления резанию раскладывают на три составляющие:

‑ главную силу резания, которая действует в направлении скорости главного движения;

‑ радиальную силу резания, приложенную в вершине лезвия и направленную по радиусу траектории главного движения резания;

‑ осевую силу резания, т. е. силу подачи.

По главной силе резания условно производят расчеты прочности и жесткости резца, а также расчеты необходимой мощности на осуществление процесса резания.

При определении прогиба детали, прочности и жесткости отдельных деталей станка за основу принимают радиальную силу резания, а прочность и жесткость механизма подачи станка рассчитывают по осевой силе резания.

При точении жаропрочныx сталей радиальная сила резания может быть больше, чем главная сила резания. Это же наблюдается и при точении практически всех материалов с малыми сечениями среза. С увеличением главного угла в плане угла и с уменьшением главного переднего угла отношение радиальной силы резания к главной силе резания уменьшается, а отношение осевой силы резания к главной силе резания увеличивается.

Для точного определения составляющих силы резания используют эмпирические уравнения, полученные экспериментальным путем.

Зная силы резания, можно определить мощность, необходимую для процесса резания, т. е. эффективную мощность. Если при точении главную силу резания измерять в Н, а скорость резания – в м/мин, то эффективная мощность в кВт будет равна

В процессе резания в технологической системе могут возникать колебания, называемые вибрациями. Технологическая система в общем случае представляет совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения, предметов производства и исполнителей, предназначенная для выполнения того или иного технологического процесса или операции. Технологическая станочная система может служить для обработки конкретной поверхности детали или, как одна из многих подсистем, входить в общую систему для обработки детали, а в дальнейшем ‑ сборки машины.

Чаще всего деталь имеет низкочастотные колебания, а инструмент ‑ высокочастотные. При возникновении вибраций снижается качество обработанной поверхности и период стойкости инструмента.

В ходе работы станка возникает несколько различных видов колебаний ‑ вынужденные, параметрические, релаксационные и самовозбуждающиеся или автоколебания.

Вынужденные колебания возникают вследствие наличия в системе внешней периодической силы, вызывающей колебательный процесс с частотой, равной частоте возмущающей силы. Причиной появления возмущающей силы могут быть силы, обусловленные процессом резания (прерывистость, неравномерность припуска), а также силы, возникающие в технологической системе вне зоны резания (дисбаланс вращающихся частей станка, детали и инструмента, дефекты зубчатых и ременных передач станка, передача колебаний станку от других работающих поблизости станков и т. д.).

Параметрические колебания возникают при наличии какого-либо переменного параметра, создающего эффект, аналогичный действию переменной силы. Обычно таким параметром является переменная жесткость узла или детали. Например, наличие шпоночной канавки на валу или переменная жесткость подшипников качения приводит к тому, что при вращении прогибы вала периодически изменяются, хотя внешняя сила постоянна. Параметрические колебания вследствие переменной жесткости по своему характеру близки к вынужденным колебаниям.

Релаксационные (прерывистые) колебания возникают при медленных перемещениях узлов станочной системы. Релаксационные колебания, приводя к неустойчивому перемещению узлов, могут вызвать значительные динамические нагрузки на узлы станка и режущий инструмент, а также погрешности при обработке деталей.

Наиболее характерной формой колебаний являются автоколебания. Они возникают при всех известных видах обработки. Любое случайное возмущение (толчок) приводит к возникновению собственных затухающих колебаний системы. Эти колебания всегда сопровождаются изменением среза (обычно только толщины среза) и скорости резания или скорости скольжения стружки по передней поверхности инструмента. Это вызывает соответствующее изменение силы резания и ее составляющих. В определенных условиях возникшие колебания могут перейти в незатухающие автоколебания. Энергию для их поддержания сообщает переменная сила резания.

В реальной упругой системе в процессе резания может существовать много причин, вызывающих автоколебательный процесс. Наиболее существенное влияние имеют первичные механизмы возмущения автоколебаний, вызванные координатной связью системы СПИД, имеющей несколько степеней свободы, с процессом резания, и специфической зависимостью силы резания от скорости. Первичный механизм возбуждения автоколебаний вследствие действия координатной связи системы, имеющей несколько степеней свободы, можно представить следующим образом.

Наличие большого количества степеней свободы в системе приводит к тому, что колебания инструмента относительно заготовки представляют результат сложение нескольких связанных между собой поступательных или крутильных колебаний. В системе с двумя степенями свободы складываются два поступательных колебательных движения.

Между этими колебаниями существует тот или иной сдвиг по времени, поэтому результирующая траектория относительного движения инструмента и заготовки имеет форму замкнутой кривой (теоретически ‑ эллипса). Движение инструмента по траектории 1-2-3-4-5-6 изменяет толщину среза, а, следовательно, и силу резания так, что при движении в сторону действия силы резания толщина срезаемого слоя больше, чем при движении инструмента навстречу силе резания. При этом в положениях 1, 2 и 3 направление колебаний совпадает с силой резания, а в положениях 4, 5, 6 ‑ противоположно. Так как на пути 1-2-3 сила резания в среднем больше, чем на пути 4-5-6, она совершает некоторую положительную работу, поддерживающую колебательный процесс. Эта работа характеризуется площадью диаграммы сила резания-перемещение резца.

Вибрации нарастают до тех пор, пока не устанавливаются стабильные автоколебания с частотой, определяемой свойствами системы СПИД.

Возникновению автоколебаний дополнительно способствует отставание изменения силы резания от толщины среза. Такое отставание наблюдается при обработке самых различных материалов. В диапазоне режимов резания, в котором работают быстрорежущие и твердосплавные инструменты, оно находится в пределах 3-5 мкс. При постоянной толщине среза условию равновесия системы соответствует определенная и постоянная сила резания. Зона вторичной деформации стружки, прилегающая к зоне пластического контакта, формируется не мгновенно, и для установления равновесия сил требуется некоторое время. Если автоколебательная система случайно выведена из равновесия, мгновенная толщина среза будет непрерывно периодически изменяться, и установление равновесного состояния не успевает за этим изменением.

В зависимости от положения осей жесткости системы СПИД возможно три состояния технологической системы: устойчивый процесс резания, автоколебательные процессы при резании и подрывание. Последнее является следствием апериодической неустойчивости динамической системы станка. В этом случае в результате случайного толчка возникает нарастающее в одном направлении отклонение инструмента. Он все глубже врезается в материал, и, в конечном итоге, происходит поломка инструмента или обрабатываемой детали.

Возникновению автоколебаний способствует также изменение силы трения стружки о переднюю поверхность инструмента и обрабатываемой детали о заднюю. Известно, что при высоких скоростях резания силы трения уменьшаются по мере роста скорости. Случайное ускорение скольжения в этом случае снижает силу трения и ведет к дальнейшему возрастанию ускорения до тех пор, пока система не перейдет по инерции в положение, при котором внешние упругие связи разовьют силу, вызывающую замедление скольжения. Описанное явление характерно для автоколебательных процессов, протекающих со значительными амплитудами.

Резание по следу предыдущего вибрационного прохода инструмента вызывает вторичное усиление автоколебаний из-за изменения толщины среза и фактических рабочих углов резания при колебаниях инструмента. В случае если энергия возмущения колебаний меньше энергии сопротивления системы, вибрации отсутствуют. В противном случае, процесс резания по следу обработки вызывает вынужденные колебания с резонансной частотой, равной частоте собственной колебательной системы. Вследствие того, что практически все реальные процессы резания идут при работе по следу, вторичное возбуждение усиливает интенсивность автоколебаний.

Кроме рассмотренных основных причин возбуждения автоколебаний, существует еще ряд второстепенных, менее значительных, которые проявляются только в строго определенных условиях. К ним относятся изменение рабочих углов инструмента при колебаниях, а также поперечного сечения среза при упругом закручивании сверл, зенкеров, метчиков и других стержневых инструментов.

На колебания при резании в некоторой степени влияет и собственная неустойчивость процесса резания: периодические срывы наростов, образование и скалывание элементов стружки, схватывание и налипание обрабатываемого материала по задним поверхностям инструмента и другие явления, сопровождающие процесс резания. Однако частота всех этих явлений существенно отличается от частоты автоколебаний, которая всегда близка к собственной частоте доминирующей колебательной системы. Поэтому указанные физические явления не могут служить причинами возбуждения и поддержания автоколебаний.

Физическая модель возникновения и развития установившейся формы автоколебаний при резании лезвийным инструментом может быть следующей:

1) любые случайные толчки выводят из равновесия упругую систему СПИД и приводят к изменению толщины среза;

2) отставание изменения силы резания от изменения толщины среза переводит возникшие собственные затухающие колебания в незатухающие автоколебания, где поддерживающую их энергию создает изменяющаяся синхронно, но сдвинутая по фазе сила резания;

3) возникающие на поверхности резания вибрационные следы, начиная со второго оборота детали при точении или с работы второго зуба многолезвийного инструмента, будут при каждом колебании передавать в систему дополнительную энергию;

4) через определенный промежуток времени наступает равновесие между энергией возбуждения, поступающей в систему, и энергией, рассеиваемой при колебаниях, и устанавливается определенный уровень автоколебаний.

Однако в реальных процессах не наблюдаются установившиеся автоколебания в полном смысле этого слова. Автоколебания, как правило, происходят с периодическим изменением амплитуд.

На амплитуду колебаний оказывает влияние ряд факторов. Увеличение толщины срезаемого слоя или подачи уменьшает амплитуду колебаний, а ширины срезаемого слоя или глубины резания ‑ увеличивают ее.

Влияние скорости резания на амплитуду колебаний имеет экстремальный характер. Максимальная амплитуда зависит от рода обрабатываемого материала и условий работы. Интенсивность вибраций зависит от переднего угла инструмента. При отрицательных его значениях амплитуда колебаний резко возрастает. Чем меньше передний угол, тем больше зона скоростей, при которых возникают вибрации.

С изменением главного угла в плане изменяется толщина и ширина срезаемого слоя, и в соответствии с этим ‑ амплитуда колебаний. С увеличением главного угла в плане амплитуда колебаний уменьшается, поскольку при этом уменьшается ширина среза и увеличивается толщина среза. Частота автоколебаний не зависит ни от угла в плане, ни от толщины среза.

Автоколебательный процесс оказывает существенное влияние на протекание процесса резания. В частности, интенсивность изнашивания и период стойкости инструмента существенно зависят от амплитуды колебаний, в то время как влияние частоты на эти параметры значительно меньше.

Для устранения вибраций при резании необходимо:

1) повышать виброустойчивость и динамические характеристики металлорежущих станков и их узлов;

2) разрабатывать применительно к конкретным технологическим операциям специальные виброгасящие устройства различных принципов действия ‑ ударного, фрикционного, гидравлического и др.;

3) разрабатывать виброустойчивые конструкции режущего и вспомогательного инструментов и оснастки, выбирать виброустойчивые диапазоны режимов резания;

4) исследовать и разрабатывать методы и средства управления уровнем интенсивности автоколебаний в целях повышения периода стойкости инструмента, производительности и качества обработки;

5) контролировать техническое состояние оборудования.

Дата добавления: 2014-01-15