CC BY
112
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
51. Балановский А.Е. Плазменное поверхностное упрочнение специальных сталей // Металлургия машиностроения. 2009. № 5. С. 24-30.
52. Балановский А.Е. Плазменные технологии в промышленности: состояния и перспективы // Заготовительное производство в машиностроении. 2007. № 6. С. 22-26.
53. Балановский А.Е. Плазменные технологии в промышленности: состояния и перспективы // Заготовительное производство в машиностроении. 2007. №. 9. С. 32-36.
54. Ву Ван Гюи, Балановский А.Е., Кондратьев В.В. О поверхностном модифицировании стальных литых заготовок при плазменно-дуговом переплаве // Металлургия машиностроения. 2017. № 1. С. 9-15.
55. Оценка применения продуктов переработки отходов кремния в качестве ультрадисперсных
активирующих флюсов для дуговой сварки / Н.Н. Иванчик и др. // Вестн. Иркут. гос. техн. ун-та. 2016. Т. 20. № 12 (119). С. 165-172.
56. Винокуров Д.И., Гозбенко В.Е. Создание и моделирование новых самзочных композиций из отходов химического производства // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 1. С. 148-156.
57.Применение смазки для системы колесо-рельс,решение проблемы износа с использованием отходов производства / Б. Тувшинтур и др. // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 3 (27). С. 23-31.
58. Гозбенко В.Е., Карлина А.И., Каргопольцев С.К. Главные координаты в решении задач вертикальной динамики транспортного средства // Системы. Методы. Технологии. 2016. № 3 (31). С.58-62.
УДК 681.5.08; 621.91.01 Алейников Дмитрий Павлович,
аспирант кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. 8-902-568-1733, e-mail: [email protected] Лукьянов Анатолий Валерианович, д. т. н., профессор кафедры «Физика, механика и приборостроение», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-904-543-0366, e-mail: [email protected] Лукьянов Дмитрий Анатольевич, к. т. н., ведущий технолог технологической службы органа управления ВСЖД - филиала ОАО «РЖД»,
тел. 8-904-110-0255, e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРОВ
D. P. Aleynikov, A. V. Lukyanov, D. A. Lukyanov
RESEARCH AND VIZUALIZATION OF AMPLITUDE-FREQUENCY CHARACTERISTICS
OF METAL-WORKING CENTER
Аннотация. Одной из проблем производства является высокая вибрация металлообрабатывающего оборудования при обработке деталей фрезерованием. К основным причинам возникновения высокой вибрации относятся неверный подбор режимов резания и резонансы при обработке. В статье приведены результаты применения методов исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) обрабатывающих центров, основанных на согласованном измерении вибрации и частоты вращения шпинделя станка. Вибрация при разгоне шпинделя станка измеряется и регистрируется системой виброударозащи-ты, дополнительно оснащенной оптическим датчиком частоты вращения шпинделя. Для определения амплитудно-частотных характеристик обрабатывающих центров используется программа «AFCMC», разработанная в среде LabVIEW 12.0. Метод позволяет получать спектральную диаграмму для скоростей вращения шпинделя на отдельных заданных этапах. Диаграмма представляет собой трехмерный график, на котором изображена зависимость уровней вибрации как функции частоты вращения от скорости вращения. Программа «AFC MC» позволяет также получать график АЧХ в координатах среднеквадрати-ческое значение (СКЗ) виброускорения (виброскорости) - частота вращения шпинделя. Данный график позволяет выявить области режимов работы станка с высоким общим уровнем вибрации. Полученные данные позволяют корректировать режимы обработки на границе возникновения высоких вибраций и разрушающих сил. Контроль этих параметров и вибрации, в частности, позволит определять техническое состояние станка в реальном времени, а значит, и реализовать эффективную стратегию обслуживания и ремонта станков с учетом фактического состояния.
Ключевые слова: вибрация обрабатывающих центров, обработка данных вибрации, вибродиагностика, нерезонансные режимы обработки.
Abstract. One of the problems of production is the high vibration of metal-working equipment for machining by milling. The main causes of high vibrations are incorrect selection of cutting conditions and resonances in the processing. The article presents the results of research methods of amplitude-frequency characteristics (AFC) of metal-working centers based on consistent measurement of
vibration and spindle speed. Vibration during spindle acceleration is measured and recorded by control system of vibration and force with an optical sensor of the spindle speed. To determine the amplitude and frequency characteristics of the machining centers the program «AFC MC» developed in LabVIEW 12.0 is used. The method allows to obtain a spectral diagram for spindle speeds at certain predetermined stages. The diagram represents a three-dimensional graph showing the dependence of the vibration level as a function of the speed of rotation rate. The program «AFC MC» also allows to get the amplitude-frequency graph in the coordinates of (RMS) of acceleration (root-mean square) and the spindle rotation rate. This chart allows to identify the areas of machine operation modes with the highest overall levels of vibration. The data obtained allow to adjust treatment regimens on the border of the emergence of high vibrations and destructive forces. Control of these parameters and vibration, in particular, allows to determine the technical condition of the machine in real time, and hence to realize an effective strategy for maintenance and repairs of machines based on the actual condition.
Keywords: vibration of metal-working centers, processing of vibration data, vibration diagnostics, non-resonant modes ofpro-
cessing.
Введение
Одной из проблем производства является высокая вибрация металлообрабатывающего оборудования при обработке деталей фрезерованием [1-7]. Вибрации всегда сопровождают любой процесс механической обработки и являются одним из негативных факторов [8, 9]. Основными причинами возникновения высокой вибрации являются износ узлов станка, сбой управляющих программ, неверный подбор режимов резания и резонансы при обработке, ошибки операторов, критический износ и поломка инструмента [10, 13]. Результатом высокой вибрации является шум, плохое качество обрабатываемой поверхности, уменьшение периода стойкости инструмента, а также преждевременный износ узлов станка.
Упругая система станка характеризуется статической жесткостью - склонностью к перемещению инструмента относительно заготовки под действием составляющей силы резания Р, динамической податливостью - склонностью к перемещению от колебаний, вызванных возмущающей периодической силой. Последняя характеристика отражает важное свойство, состоящее в том, что деформации в станке зависят не только от величины действующих при обработке сил, но и от параметров ее колебаний. При совпадении частот этих колебаний с частотой собственных колебаний станка и его узлов возникают значительные и опасные резонансные колебания. Снижается точность, повышается шероховатость обработки, снижается до 60 % стойкость инструмента и сокращается срок службы подшипников и станка в целом [14, 15].
Динамическая модель фрезерного станка
Процесс фрезерования сопровождается вибрациями и характеризуется следующими особенностями:
- прерывистостью процесса резания;
- возможным дисбалансом и биением фре-
зы;
- различным количеством зубьев, одновременно участвующих в работе, и др.
Прерывистый процесс фрезерования вызывает периодическое изменение сил резания Р ) с
где п - частота вращения фре-
частотой т„ =— .
р 60
зы; г - число зубьев фрезы. Это приводит к вынужденным колебаниям в упругой системе станка.
При попутном фрезеровании концевой фрезой сила резания Р на одном зубе фрезы (режущей
кромке) изменяется от максимального значения при врезании до нуля при выходе зуба из контакта с заготовкой.
Когда число одновременно работающих зубьев увеличивается до 2 и более, график колебаний силы изменяется. Число одновременно работающих зубьев может быть рассчитано по формуле
Г т Л
m =
Ф
+ -
a„
вариантами схем резания: встречное и по-
путное;
360 nd • ctgp где ф - угол контакта фрезы с заготовкой, опре-
2 • a р
деляемый по формуле cosф = 1--; ae - ши-
d
рина фрезерования; Р - угол наклона винтового зуба фрезы; aр - глубина фрезерования; d - диаметр фрезы. Следовательно, перечисленные факторы, так же как n и z, будут влиять на параметры вынужденных колебаний в станке.
Графики изменения сил резания несут разнообразную информацию об инструменте, станке и процессе фрезерования. По их характеру можно диагностировать износ и поломку зубьев, наличие зазора в механизмах подачи и др.
Однако в процессе обработки управлять вынужденными колебаниями возможно только путем изменения частоты вращения фрезы. Нужно исключить возможность совпадения частот вращения шпинделя с частотой собственных колебаний узлов станка, т. е. исключить резонанс и околорезонансные колебания. Эксперименты показывают, что собственные частоты колебаний отдельных
z
узлов фрезерного станка находятся в диапазоне частот возбуждаемых колебаний при работе с многозубой фрезой. Поэтому важной задачей снижения динамических нагрузок является определение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) силовой схемы станка и его шпинделя.
Резонансные частоты и величины амплитуд зависят от жесткости силовых элементов и узлов станка. Жесткость играет ключевую роль в динамике станков. Чем выше жесткость, тем выше частота собственных колебаний и сопротивляемость станка развитию колебаний. Однако часто при обработке даже одной заготовки жесткость технологической системы изменяется. Она определяется положением стола или шпинделя относительно точки приложения силы резания. Собственные частоты технологической системы «станок -шпиндель - крепежная оправка - инструмент» определяются их упругоинерционными характеристиками. Замена одного из элементов системы вызывает смещение области оптимальных частот вращения шпинделя. Динамическое поведение фрезерных станков определяется также силовыми взаимодействиями его упругих элементов и инструмента с заготовкой.
При математическом описании динамических процессов, происходящих в упругой системе, неуравновешенности вращающихся узлов, их центробежные и кориолисовы силы условно рассматривают как внешние. Износ режущего инструмента оказывает влияние на силовые воздействия в динамической системе. Для упрощения динамической модели не учитывают факторы, которые мало влияют на результаты. Поэтому любая динамическая модель имеет относительно ограниченную область применения. В то же время любая динамическая модель должна полностью определять ее амплитудно-частотные характеристики.
Каждой принятой динамической модели однозначно соответствует определенная система дифференциальных уравнений, описывающая ее поведение. В зависимости от вида дифференциальных уравнений математические модели могут быть линейными и нелинейными. В линейной динамической модели упругие силы пропорциональны деформациям, силы вязкого сопротивления — скоростям, а силы инерции — ускорениям.
Например, в работе [12] приведена линейная динамическая модель типового вертикально-фрезерного станка 6Р13 (рис. 1), которая посредством пяти дифференциальных уравнений (1) описывает колебания следующих элементов: консоли со станиной (т, с, Ъ); шпинделя с закреплённой в нём фрезой (т2,с2,Ъ2); части зуба фрезы, участ-
вующей в процессе резания (т3, с3, Ъ3); салазок с установленной на них заготовкой ( т , с ,Ъ ); стола (т, с, Ъ).
Приведенная динамическая модель хотя и не является идеальной и не описывает пространственные и угловые колебания, может быть применена в качестве первого приближения для моделирования обработки детали в одной плоскости, причем параметры этой модели (рис. 1) и ее АЧХ должны быть определены для поступательных перемещений узлов станка именно в этой плоскости.
Рис. 1. Динамическая модель типового вертикально-фрезерного станка 6Р13
Дифференциальные уравнения (1), описывающие динамику и колебания станка, имеют вид:
т191 + Ъ191 + с9 " Ъ2 (92 " ) " с2 (92 " 91) +
+ Ъ5 (91 " 9 5 ) + С5(91 - 92) = 0;
т29 2 + Ъ2 (92 - 91) + С2(92 - 91) = 0;
тзЧз + Ъз(9з - 9 2) + с2(9з - 92) = -Р О); (1)
т494 + Ъ4 (94 - 95 ) + с4 (94 - 95 ) = Р ОX
т5 9 5 - Ъ4 (94 - 95 ) - с4 (94 - 95 ) - Ъ5 (91 - 95 ) -
- С5(91 - 95) = 0
Здесь qi - обобщенные координаты; mi, с, Ъг - масса, коэффициент жесткости и коэффициент вязкого сопротивления: для i = 1 - консоли с основанием; i = 2 - шпинделя с патроном; i = 3 -
Машиностроение и машиноведение
фрезы; I = 4 - направляющих (салазок); \ = 5 -стола.
Коэффициенты с^ определяются по формуле с = т ' (2л • / )2, где - частота собственных парциальных колебаний / -х моделируемых узлов; коэффициенты Ъ1 определяются по формуле
b = ■
c ■ m
Qi
где Qt - добротность (величина
пика) собственных парциальных колебаний i -х моделируемых узлов; P(t) - силовое воздействие, возникающее при обработке. Данная модель имеет 5 частот собственных колебаний, тогда как в пространственной модели для тех же 5 элементов станка их будет 30.
Определение собственных частот станка позволит выбирать нерезонансные режимы обработки, а значит, и повысить эффективность скоростного фрезерования на высокопроизводительных станках. При этом повышаются показатели надежности станка и качество обработки. Эксперименты и практика эксплуатации показали, что эксплуатация станка на резонансных режимах, вызывающих появление «гребенки» на обрабатываемой поверхности (т. е. волн повышенной шероховатости), снижает срок эксплуатации шпинделя в несколько раз [16-18].
Если учитывать, что дисбаланс инструментальной наладки минимален, то полученные значения СКЗ виброускорения характеризуют амплитудно-частотный отклик механической системы «станок - шпиндель» на периодические синусоидальные воздействия остаточного дисбаланса с изменяемой оборотной частотой.
Амплитудные пики на графике АЧХ можно трактовать как гармоники резонансных частот системы, совпадающих с собственными частотами узлов станка. Амплитуды на этих частотах напрямую связаны с податливостью механической системы станка.
В связи с тем, что современные обрабатывающие центры развивают скорость вращения шпинделя до 30 000 об/мин (оборотная частота до 500 Гц), ряд собственных частот станка и шпинделя могут находиться в этом диапазоне рабочих скоростей, вызывая повышенные резонансные колебания на этих частотах. В режиме фрезерования многозубой фрезой возбуждающую вынужденные колебания оборотную частоту нужно умножить на число зубьев фрезы.
Система виброударозащиты и программа построения АЧХ обрабатывающих центров
Для реализации поставленных задач мониторинга вибрации, ударов и сил при обработке, а также диагностики развивающихся дефектов была разработана, изготовлена и внедрена в производство на Иркутском авиационном заводе - филиале ПАО «Иркут» система виброударозащиты и диагностики мотор-шпинделей обрабатывающих центров (далее СВУЗ) [7]. В режиме периодических испытаний комплекс СВУЗ позволяет определять амплитудно-частотные характеристики станка (в задаче определения оптимальных режимов обработки).
Для обеспечения согласованной обратной связи сигналов вибропреобразователей с углом и частотой вращения шпинделя был разработан оптический датчик оборотов с инфракрасным (ИК) светодиодом и фотодиодом в одном корпусе. Све-тодиод в ИК-диапазоне (рис. 2) посылает сигнал на фрезу (1) и измеряет отраженный отклик с ее режущих кромок (2). Корпус сенсора обеспечивает оптическую изоляцию передающей и приемной части, а ИК-светодиод выдерживает большие токи, что позволяет проводить измерения на больших расстояниях. Для проведения испытаний СВУЗ оснащена постоянно смонтированным на шпинделе трехосевым датчиком вибрационного ускорения (пьезоакселерометром).
Рис. 2. Станок DMC-635. Оптический датчик угловой скорости фрезы и ее режущих кромок
Рис. 3. АЧХ системы «шпиндель - станок» по направлению Y
Реализованная программа «AFC MC» в среде разработки LabVIEW 12.0 позволяет выполнять построение АЧХ системы «шпиндель-станок» в автоматическом режиме, с определением зон с повышенной вибрацией. Программа анализирует сигнал виброускорения, полученный прибором СВУЗ при разгоне шпинделя в режиме свободного вращения от 0 до максимальной угловой скорости с использованием функции программы «запись длинного сигнала».
Программа автоматически вычисляет СКЗ виброскорости или виброускорения в функции частоты вращения шпинделя и отображает это значение на графике. АЧХ строится по каждому из направлений измерения трехосевого датчика уско-
рения, совпадающему с координатами станка Х,У,I (рис. 3).
На каждой частоте вращения (т. е. в каждой точке графика АЧХ) за 1,28 сек, 2,56 сек или 5,12 сек (по выбору) вычисляется СКЗ во всем диапазоне частот (10-10 000 Гц) измеряемой вибрации.
В программу загружается временной сигнал виброускорения, зарегистрированный СВУЗ после завершения работы управляющей программы разгона шпинделя системой ЧПУ станка. Таким образом, на графике отображается зависимость общего уровня вибрации от частоты вращения шпинделя. Данная форма представления АЧХ позволяет технологам выбрать нерезонансные скорости враще-
5400 6000 6600 7200 7800 8400 9000 9600 10200 Чистота вращения шпинделя, об мнн Рис. 4. АЧХ обрабатывающего центра БМС 635 в координатах СКЗ виброускорения (м/с2) - угловая скорость вращения шпинделя (об/мин) по трем главным направлениям работы станка X ,У, I
ния шпинделя, обеспечивающие минимум общего уровня виброускорения (если рассматриваются динамические силовые нагрузки на шпиндель) или общего уровня виброскорости (если учитываются энергетические характеристики вибрации). На рис. 4 представлена зависимость СКЗ виброускорения от скорости вращения шпинделя.
На графике АЧХ (рис. 4) видны зоны увеличения СКЗ ускорения в области низких скоростей вращения шпинделя 600-2400 об/мин, связанных с резонансами конструкции всего станка (максимальные значения по вертикальной координате 7), а также несколько зон увеличения ускорения на частотах вращения 5400-9600 об/мин (по координате X). При назначении режимов обработки следует избегать этих частот, т. к. вибрация, а значит, износ инструмента и станка, шероховатость поверхности обрабатываемой детали на этих частотах максимальны.
Промежутки между резонансными пиками можно рекомендовать как нерезонансные области частот вращения шпинделя. График показывает, что диапазонами скоростей вращения, обеспечивающими минимальную вибрацию шпинделя по всем трем направлениям, являются: 2400-5400, 6000-6700, 7200-7500, 8000-8800 (об/мин). Необходимо отметить, что с увеличением скорости диапазоны нерезонансных частот вращения шпинделя сужаются, а количество резонансных зон увеличивается. При этом соотношение максимумов и минимумов СКЗ виброускорения достигает двух и более раз.
Для анализа вибрационных или акустических сигналов вращающихся механизмов чаще всего используются не частотные, а порядковые спектры [8]. Порядковый спектр содержит данные об амплитуде и/или фазе сигнала в функции от порядка гармоники частоты вращения. Особенно эффективен этот метод при анализе вибраций, возникающих на этапе разбега или выбега вращающихся механизмов и станков. При изменении скорости вращения механизма составляющие порядков гармоник или субгармоник остаются на одних и тех же анализируемых линиях. Так как большинство действующих на механизм динамических нагрузок связаны с частотой вращения, процедуры интерпретации результатов и диагностирования неисправностей благодаря использованию порядкового анализа могут быть значительно упрощены.
Применив анализатор быстрого преобразования Фурье (БПФ), работающий в режиме выборки с фиксированной частотой, и построив спектральную диаграмму для скорости вращения
механизма на отдельных заданных этапах, можно получить так называемую диаграмму Кэмпбелла. В программах вибродиагностики подобная опция называется «каскад спектров». Эта диаграмма представляет собой трехмерный график, на котором изображена зависимость уровней вибраций как функции скорости вращения (об/мин) и частоты спектрального представления вибросигнала (или порядка гармоники оборотной частоты).
Это означает, что гармонические составляющие появляются на радиальных линиях, проходящих через точку 0 Гц, 0 об/мин, а структурные резонансы размещаются на вертикальных прямых (линии постоянной частоты). В результате анализа оказывается возможным получить высокоразрешимый порядковый спектр, в котором отдельные порядки или доли порядков соотнесены непосредственно с различными частями вращающегося механизма. График ускорения пропорционален силовым воздействиям, возникающим в деталях и узлах станка. При построении трехмерного графика в единицах ускорения можно подробно исследовать высокочастотные гармонические составляющие на подшипниковых и зубцовых частотах, а также высокочастотные структурные резонансы отдельных узлов станка.
Если же нужно получить сигнал, пропорциональный мощности, учитывая тот факт, что кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости, следует измерять значения скорости (путем интегрирования ускорения). Так как в памяти сохраняются порядковые спектры с указанием параметров фазы, имеется возможность построения на экране не только графиков величин порядков как функции скорости вращения, но и фазовых диаграмм, а также диаграмм Боде и годографов Найквиста.
В связи с вышесказанным, другой формой представления результатов работы программы «AFC MC» является трехмерный график порядкового спектра (каскада спектров) при непрерывном разгоне шпинделя до максимальной скорости вращения. Данные с трехосевого датчика виброускорения поступают в модуль сбора, далее сигнал при помощи быстрого преобразования Фурье преобразуется в спектр и передается в блок получения каскадной диаграммы.
Результатом работы программы является каскадная диаграмма, на которой выделяются зоны, в которых возникают резонансные состояния. Использование средств программы «AFC MC» для 3D-визуализации каскадной диаграммы позволяет достаточно уверенно и с высокой точностью выделять резонансные области. Полезным инструментом для решения задачи выявления резонанс-
О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Частота, Гц
Рис. 5. Трехмерный график каскада спектров ускорения АЧХ станка БМС 635 при разгоне
шпинделя до 10 000 об/мин
ных режимов работы обрабатывающих центров являются спектральные карты. Спектральные карты могут быть получены в различных сочетаниях параметров, например: «амплитуда (м/с2 или мм/с) - частота (Гц) - скорость вращения (об/мин)» или «амплитуда - порядок оборотной частоты - скорость вращения». В последнем случае каскадная диаграмма называется порядковым спектром.
На рис. 5 представлен трехмерный каскад спектров виброускорения (порядковый спектр), полученный при непрерывном разгоне шпинделя до 10 000 об/мин. Продолжительность этапа разгона шпинделя станка составляла около 5 минут, что позволило применить метод порядкового анализа. По оси ординат на графике отображено ускорение вибрации, по горизонтальным осям: частота спектральных составляющих (до 10 000 Гц) - скорость вращения шпинделя (до 10 000 об/мин).
На графике (рис. 5) видны расходящиеся линии пиков ускорения от точки начала координат. Эти линии пиков соответствуют 1-й и 2-й гармоникам оборотной частоты (линии 1 и 2 на рис. 5) и квазигармоническим (дробным, нецелочисленным) гармоникам оборотной частоты (линии 3-12 на рис. 5). Линия пиков 1 оборотной частоты соответствует остаточному дисбалансу фрезы или (и) шпинделя. Дисбаланс шпинделя незначителен, поэтому линия этих пиков появляется только на высоких скоростях вращения (более 6000 об/мин).
Линия пиков 2, характеризующая расцен-тровку опор шпинделя, также имеет незначитель-
ную амплитуду. Отсюда следует, что шпиндель собран и установлен качественно.
Более значительны по величине пики (3-12) на квазигармонических частотах (нецелочисленных гармониках оборотной частоты), расположенные на расходящихся линиях, идущих из начала координат. Они относятся к подшипниковыми частотами. График на рис. 5 показывает признаки износа подшипников, но максимальное виброускорение на этих частотах в пределах 10 м/с2 (до 1 <^»), что является допустимым уровнем.
Обращает на себя внимание локальное возрастание пиков ускорения на неизменной частоте около 1000 Гц при изменении скорости вращения шпинделя. Это связано с наличием структурного резонанса конструкции шпинделя или станка в целом.
Необычны расходящиеся веером от частот около 4000 Гц и 8000 Гц группы пиков на рис. 5. Центральные части этих пиков не зависят от скорости вращения шпинделя, что указывает на возможность структурного резонанса узлов станка или на электрическую природу этих пиков. Расходящиеся веером от них пики являются боковыми (модуляционными) составляющими оборотной частоты. С увеличением скорости вращения боковые составляющие удаляются от центральных пиков на 4 и 8 кГц. Однако необычно то, что центральные пики на частотах 4 кГц и 8 кГц гармонически связаны (1-я и 2-я гармоники), что бывает редко. Скорее всего, эти пики вызваны резонанса-ми магнитного крепления датчика вибрации к шпинделю или являются характерными частотами
О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0000 9000 10000
Частота, Гц
Рис. 6. Спектр виброускорения на частоте вращения шпинделя 7900 об/мин
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500
Частота, Гц
Рис. 7. Увеличенный низкочастотный (до 500 Гц) фрагмент трехмерного графика АЧХ виброскорости отображает
первые две гармоники оборотной частоты
электрических дефектов (несимметрия токов в обмотках или статический эксцентриситет).
На возможность резонанса магнитного крепления датчика вибрации указывает наличие максимального пика ускорения на частоте 4520 Гц, который виден на графике спектра при скорости вращения шпинделя 7920 об/мин (рис. 6). Этот спектр является сечением трехмерного графика (рис. 5) на фиксированной частоте вращения шпинделя и иллюстрирует (как и трехмерный спектр на рис. 5) наличие более значительных пиков на подшипниковых частотах от 3 до 5 кГц. Значительные модуляционные колебания, вызванные резонансом датчика и одной из подшипниковых частот, подтверждает и график сигнала виброускорения, приведенный на рис. 6.
На рис. 7 показан фрагмент трехмерного каскада спектров АЧХ виброскорости, который лучше отображает низкочастотную область (до 500 Гц). Слева видны трехмерные изображения линии пиков на 1-й и 2-й гармониках оборотной частоты с максимальной амплитудой до 1 мм/с.
Таким образом, можно отследить при разгоне шпинделя любую подшипниковую частоту, связанную с отдельной деталью подшипника, и ее резонанс на определенных скоростях вращения шпинделя.
Заключение
Вибрация фрезерных обрабатывающих центров, передающаяся на инструмент, снижает качество обработки, ресурс инструмента и станка в целом. Наиболее опасны резонансы, возникающие при совпадении частоты вращения шпинделя и
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
зубцовых частот фрезы с собственными частотами конструкции станка и его узлов. Актуальной задачей является определение амплитудно-частотных характеристик элементов конструкции и всего станка в целом. Наиболее рационально это делать с использованием возможностей установленных на обрабатывающих центрах систем вибро-ударозащиты. Разработанные алгоритмы и программа определения и построения амплитудно-частотных характеристик, в том числе с использованием трехмерных графиков каскадных спектров (порядкового анализа) при испытании шпинделя на разгон до максимальной скорости, позволяют наглядно определить резонансные области станка и его узлов, учитывать эту информацию при назначении режимов обработки и составлении управляющих программ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Савилов А.В., Пятых А.С. Влияние вибраций на точность и качество поверхности отверстий при сверлении // Вестник ИрГТУ. Иркутск, 2013. № 12.
2. Савилов А.В., Пятых А.С. Определение коэффициентов сил резания для моделирования процессов механообработки // Изв. Самар. науч. центра Рос. акад. наук. 2015. Т. 17. № 2. С. 211-216.
3. Оптимизация процессов механообработки на основе модального и динамометрического анализа / А.В. Савилов и др. // Наука и технологии в промышленности. 2013. № 1-2. С. 42-46.
4. Современное состояние производства высокопроизводительного режущего инструмента из порошковых быстрорежущих сталей и твердых сплавов / А.В. Савилов и др. // Вестник ИрГТУ. 2013. № 6. С. 26-33
5. Семенов Е.Н., Беломестных А.С., Сидорова А.В. Исследование частотных характеристик робота Kuka kr210 r2700 extra // Авиамашиностроение и транспорт Сибири : сб. ст. всерос. молодежной науч.-практ. конф. Иркутск, 2016. С. 252-257.
6. Тимофеев С.А. Высокопроизводительное фрезерование авиационных деталей из алюминиевых сплавов по критерию заданной электропроводности // Высокоэффективные технологии производства летательных аппаратов : сб. докл. Иркутск: Изд-во ИрГТУ. 2012. С. 25-33.
7. Савилов А.В., Тимофеев С.А. Исследование зависимости электропроводности от параметров резания при высокопроизводительном фрезеровании алюминиевых сплавов // Вестник ИрГТУ. 2014. № 2. С. 55-60.
8. Синопальников В.А., Григорьев С.Н. Надежность и диагностика технологических систем. М. : Высшая школа, 2005. 343 с.
9. Лукьянов А.В., Алейников Д.П. Исследование пространственной вибрации обрабатывающего центра в режиме фрезерования // Системы. Методы. Технологии. 2014. № 1 (21). С. 96-101.
10.Петрухин В.В., Петрухин С.В. Основы вибродиагностики и средства измерения вибрации М. : Инфра-Инженерия, 2010. 176 с.
11. Григорьев С.Н., Гурин В.Д., Козочкин М.П. Диагностика автоматизированного производства. М. : Машиностроение. 2011. 600 с.
12. Залога В.А., Нагорный В.М., Нагорный В.В. Контроль динамического состояния металлообрабатывающей технологической системы и прогнозирование ее ресурса. Сумы, 2016. 242 с.
13.Алейников Д.П., Лукьянов А.В. Мониторинг динамического состояния обрабатывающих центров // Авиамашиностроение и транспорт Сибири : сб. ст. VII Всерос. науч.-практ. конф. Иркутск, 2016. С. 197-200.
14.Порядковый следящий анализ / С. Гейд и др. Техническое обозрение фирмы Брюль и Къер 1995. № 2.
15. Гуськов А.М., Рыбин А.Г. Численный анализ динамики цилиндрического фрезерования // Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин : материалы науч. конф. Астрахань, 2002. С. 119-122.
16. Сафарбаков А.М., Лукьянов А.В., Пахомов С.В. Основы технической диагностики деталей и оборудования. Ч. 1. Иркутск : ИрГУПС, 2007. 128 с.
17. Алейников Д.П., Лукьянов А.В. Разработка комплекса защиты обрабатывающих центров от опасных динамических нагрузок // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы седьмой междунар. науч.-практ. конф. Т.2. Иркутск, 2016. С. 600-604.
18. Лукьянов А.В. Управление техническим состоянием роторных машин (система планово-диагностического ремонта). Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2000. 230 с.
