Технические науки / 8. Обработка материалов в машиностроении

к.т.н. Марданов Р.Х.

Казанский государственный аграрный университет, Россия

Вибрации при обработке резанием

В процессе обработки заготовок могут возникать периодические колебания отдельных элементов системы СПИД большой частоты, называемые вибрациями. Вибрации понижают точность и долговечность станка и приспособления, ухудшают качества обработанной поверхности, повышают износ и выкрашивание инструмента и вследствие этого снижается производительность обработки. При резании труднообрабатываемых материалов вибрации имеет особое значение. В этом случае процесс резания протекает наиболее неустойчиво.

При обработке резанием возникновение вибраций характеризуется возмущающими силами и свойствами упругой системы. В зависимости от физического существа механизма возбуждения действующего на систему СПИД, возмущающие силы вибраций могут создавать колебания различных видов и прежде всего вынужденные колебания и автоколебания («самовозбуждающиеся» колебания). Кроме этого, при некоторых видах механической обработки существенное значение иногда приобретают другие виды колебаний, обусловленные изменением одного из параметров системы СПИД, например жесткости по времени, а также собственные затухающие колебания, возникающие при мгновенном приложении и снятии силы. Это происходит при выходе или врезании режущей кромки инструмента в материале. Учитывая последнее, например, для ликвидации поломок сверл, оснащенных твердым сплавом, при выходе инструмента из отверстия рекомендуют выключать механическую подачу или ее значительно снижать.

Вынужденные колебания возникают вследствие наличия в системе СПИД внешних периодических сил. Эти переменные силы можно разделить на две группы:

1. Силы, возникающие в процессе резания;

2. Силы, возникающие в системе СПИД вне зоны резания.

Наибольшие затруднения при обработке резанием жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов вызывают самовозбуждающиеся колебания — автоколебания. Отличительной особенностью их является отсутствие внешней периодической силы.

Сущность процесса возникновения автоколебаний при обработке резанием можно объяснить, разделив систему СПИД на следующие составные части: источник энергии; механизм возбуждения; колебательная система; стабилизатор амплитуд.

При работе любой реальной системы энергия колебаний постоянно рассеивается из-за неизбежных потерь. Убыль энергии постоянно пополняется источником, от которого известная порция энергии за каждый период подается в колебательную систему.

При обработке резанием причинами возникновения автоколебаний являются:

а) наличие в системе СПИД физического явления, создающего механизм возбуждения колебаний;

б) определенное соотношение между возмущающими силами, создаваемыми механизмом возбуждения в процессе резания, и характеристиками самой системы (жесткость, сопротивление и масса).

Оно должно быть таким, чтобы при некоторых деформациях системы работа сил возмущения превышала работу, расходуемую системой. Если эта зависимость в системе наблюдается начиная с малых амплитуд (положения равновесия), то система обладает мягким самовозбуждением, если только с определенной величиной, то самовозбуждение будет жестким. Величина установившейся амплитуды автоколебаний в обоих случаях будет определена равенством указанных выше работ.

В настоящее время установлено большое число физических явлений, создающих в системе СПИД механизм возбуждения колебаний и обусловливающих возникновение автоколебаний. Все известные физические явления, способные создавать первичное возмущение автоколебательного процесса, могут быть подразделены на три группы:

- явления, вызванные собственно процессом резания;

- специфическими свойствами упругой системы СПИД;

- совместным взаимодействием факторов, определяющих процесс резания и упругие свойства системы.

Основными средствами устранения вибраций или уменьшения их интенсивности, т.е. обеспечения устойчивости движения резания, являются:

1) правильный выбор жесткости, сопротивления и массы системы СПИД;

2) максимальное использование ее динамических свойств при построении схемы выполнения обработки;

3) правильный выбор геометрии заточки инструмента и режимов резания;

4) применение виброгасителей.

Реальная упругая система СПИД для любого вида обработки резанием состоит из бесчисленного множества парциальных систем, отвечающих числу степеней свободы указанной системы, причем во многих из них может существовать значительное число физических процессов, служащих механизмом возмущения колебаний. Однако каждый конкретный вид обработки резанием в зависимости от параметров системы, схемы обработки, режимов резания, геометрии инструмента и других факторов, определяющих процесс резания, имеет, как правило, один, реже два определяющих механизма возбуждения вибраций, возмущающих колебательный процесс в одной-двух, обычно связанных между собой, парциальных системах.

Анализ отечественного и зарубежного опыта показывает, что при использовании средств гашения вибраций прежде всего улучшается качество поверхности, повышается производительность механической обработки, возрастает стойкость инструмента, ликвидируются случаи выкрашивания режущих кромок. Следует отметить, что фактически используемые заводами значения скоростей резания и стойкости приближаются к нормативным только при работе инструментами в условиях больших жесткостей, при отсутствии вибраций, а также при качественном изготовлении инструментов.