CC BY
372
УДК 621.9.047.002.2
РЕГУЛИРОВАНИЕ АМПЛИТУДЫ КОЛЕБАНИЙ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ОБРАБОТКЕ НА МНОГОШПИНДЕЛЬНЫХ СТАНКАХ ДЛЯ ТВЕРДОГО ТОЧЕНИЯ В.В. Трофимов, Е.А. Несмеянов
В статье описаны особенности регулирования амплитуды колебаний резцов. Представлены основные требования, предъявляемые для токарных станков твердого точения. Рассмотрено применение активной демпфирующей системы для уменьшения колебаний инструмента
Ключевые слова: регулирование амплитуды колебаний, твердое точение, многошпиндельные станки, активные демпферы
Уровень интенсивности автоколебаний упругих технологических систем существенно влияет на стойкость инструмента, производительность обработки и качество обработанной поверхности изделий (вол нистость, шероховатость, наклеп, остаточные напряжения). Для каждого технологического процесса существует определенный оптимальный уровень колебаний, при котором наблюдается максимальная стойкость инструмента и высокое качество обработанной поверхности. За счет управления уровнем интенсивности автоколебаний можно добиться десятикратного увеличения стойкости инструмента, двух-, пятикратного повышения производительности и существенного улучшения эксплуатационных характеристик качества обработанной поверхности [1].
Основными направлениями регулирования амплитуды колебаний (повышение
виброустойчивости обработки) при резания металлов нужно считать следующие:
1.Выбор оптимальных режимов резания, обеспечивающих безвибрационную работу и в тоже время высокую производительность станка;
2.Установление оптимальных геометрических параметров режущей части инструмента с точки зрения устранения вибраций при сохранении условий прочности и стойкости его режущей кромки;
3.Повышение жесткости технологической системы СПИД;
4.Использование различных виброгасящих
устройств, позволяющих повысить
виброустойчивость технологической системы СПИД [2].
Рассмотрим подробнее вышеперечисленные варианты.
1.При1 повышении скорости резания и постоянстве остальных условий интенсивность вибраций и волнистость обрабатываемой поверхности вначале возрастает, достигает
Трофимов Владимир Владимирович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-903-651-65-64 Несмеянов Евгений Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. 8-915-548-26-68
максимума, при некоторой критической скорости резания, а затем, при дальнейшем увеличении скорости резания, вибрации уменьшаются [5]. Ослабление вибраций на высоких скоростях резания
- весьма существенное обстоятельство, так как является основанием, на котором базируется скоростное резание.
Толщина стружки влияет таким образом, что при ее увеличении интенсивность вибраций снижается. Исключение составляет область самых малых толщин стружки (сотые доли миллиметра), в этом случае зависимость имеет неустойчивый характер. При увеличении подачи интенсивность вибраций имеет тенденцию к повышению.
С увеличением глубины резания амплитуда колебаний возрастает [8].
2.Главный угол в плане ф значительно влияет на интенсивность вибраций. При уменьшении этого угла вибрации усиливаются. Это следствие как уменьшения толщины и увеличения ширины среза, так и увеличения радиальной составляющей Ру силы резания. Вибрации возрастают также при увеличении радиуса закругления при вершине резца в плане, что объясняется уменьшением средней толщины среза и увеличением составляющей Рг
Увеличение положительного значения переднего угла у резца снижает интенсивность вибраций. Однако значительное увеличение угла у ведет к снижению стойкости резца. Малые значения заднего угла а резания также способствуют повышению интенсивности вибрации.
Таким образом, выбор оптимальной геометрии режущего инструмента - эффективное средство повышения устойчивости процесса резания.
3.При прочих равных условиях (режиме
резания, геометрии инструмента, свойствах обрабатываемого материала и др.) интенсивность вибраций в наибольшей степени зависит от
жесткости технологической системы и от сопротивлений в ней, обуславливающих
рассеивание энергии при колебаниях. При увеличении жесткости системы СПИД и
неизменной энергии возбуждения колебаний будет уменьшаться их амплитуда. Возможен и
противоположный путь уменьшения или устранения колебаний - резкое уменьшение жесткости
(например, применение самоустанавливающихся ножей при расточке отверстий) - при отсутствии упругих восстанавливающих сил колебания
возникать не будут [5].
Путем увеличения жесткости тех частей станка, которые образуют пружину доминирующей колебательной системы станка, в общем случае можно увеличить предельные условия
возникновения автоколебаний. Так, например,
можно добиться повышения стойкости станка против возникновения автоколебаний в токарном станке путем увеличения жесткости центров пиноли, задней бабки и шпинделя.
Жесткость обрабатываемой детали заметно сказывается на интенсивности колебаний - чем выше жесткость детали, тем меньше амплитуда колебаний [9].
4.Для увеличения демпфирования и гашения колебаний в станках часто используют дополнительные устройства в основной упругой системе - демпферы. Применение демпфирующих устройств в конструкции станка позволяет изменить амплитуду колебаний в нужном направлении и приблизить ее вплотную к оптимальному значению, т.е. успешно завершить процесс управления интенсивностью автоколебаний и существенно повысить производительность, стойкость инструмента, и качество обработанной поверхности изделия [1].
Большим преимуществом снижения уровня колебаний с помощью демпферов является то, что его можно осуществить на имеющемся оборудовании при работе на любых режимах резания. Независимо от того, применяется ли один из перечисленных выше первых трех способов устранения вибраций, всегда возможно применение четвертого способа - гашение колебаний с помощью демпферов [7]. Основные типы демпфирующих устройств рассмотрены в работе [3]
Как в отечественной практике, так и за рубежом нет никаких государственных стандартов, регламентирующих требования к станкам для твердого точения. Существует только несколько исследований на эту тему. В частности, в работе [14] приводятся данные, касающиеся конструкции станков для твердого точения. Указано, что наибольшее влияние на процесс твердого точения оказывает статическая и динамическая жесткость станка. На стойкость инструментального материала оказывает влияние виброустойчивость станка. Также отмечено, что на стойкость
инструментального материала значительное влияние оказывают подшипники шпинделя, а именно их радиальное биение. Наилучшие показатели при твердом точении достигались при использовании высокоточных подшипников качения с радиальным биением менее 1 мкм. Также указывается, что влияние на процесс твердого точения валов оказывает соосность положения и жесткость задней бабки. Существенных изменений в температурном балансе станка можно добиться за счет принудительного охлаждения шпинделя.
Большое значение для реализации твердого точения имеют направляющие станков. Как известно, они несут несколько основных функций: обеспечение прямолинейности движения исполнительного органа, компенсация
динамических нагрузок, возникающих при резании, и демпфирование возникающих вибраций из зоны резания. Компенсация усилий и вибраций наиболее важна для «твердого точения», поскольку
определяет шероховатость обработанной
поверхности и стойкость инструмента [6]. Применение гидростатических направляющих
позволяет устранить эту проблему.
Гидростатические направляющие обеспечивают хорошую способность к демпфированию, так как подшипники и направляющие разделены слоем
масла. Именно такие направляющие используются двумя ведущими производителями станков для финишного твердого точения - фирмами НешЬг^ БУ и МопТоАз вшЪН & Со. Кв.
На рис. 1 видно, что время затухания и амплитуда вибраций гидростатических
направляющих значительно меньше обычных шариковых направляющих [12]. В станках фирмы НешЪгщ применены коробчатые гидростатические направляющие. Конструкция фирмы МопТоАз уникальна тем, что в ней гидростатические
направляющие продольного суппорта круглой формы.
Один из мировых лидеров в производстве станков для высокоточного твердого точения фирма НешЪгщ отмечает, что важнейшими параметрами для твердого точения являются точность, стабильность и простота воспроизводства. Для достижения этих параметров фирма НешЬг^
использует гидростатические подшипники
шпинделя и направляющие, фундамент из натурального (природного) гранита, на который опирается стальная станина, залитая бетоном. Между гранитным основанием и станиной станка имеются демпферы, которые амортизируют все вибрации выше 7 Гц.
Время, (сек.)
Рис. 1. Испытание на виброустойчивость гидростатических и шариковых направляющих методом импульсного возмущения
Фундамент из натурального гранита не имеет внутренних напряжений, обладает превосходными свойствами демпфирования и низким
коэффициентом теплового расширения, а, следовательно, высокой термической
устойчивостью. Все эти свойства делают натуральный гранит идеальным материалом для создания станков для высокоточного твердого точения [11].
Исходя из опыта ведущих компаний, токарный станок для точной окончательной твердой обработки должен, как минимум, соответствовать следующим критериям:
Высокая геометрическая точность. Выполнение этого требования необходимо, так как при точении любая неточность направляющих, при отсутствии необходимых компенсаций, отражается на точности обработанных деталей.
Высокая статическая жесткость. Усилия резания при твердом точении существенно выше, чем при обычном точении и при других методах финишной обработки, например, шлифовании. Возникающее усилие приводит к взаимному смещению заготовки и инструмента и, в конечном итоге, к ошибкам формы и размера.
Высокая динамическая жесткость. Её величина во многих случаях обуславливает возникновение вибраций при твердом точении. В результате приходится изменять режимы обработки, что, в свою очередь, приводит к уменьшению производительности.
Температурная стабильность. Необходимо точно знать распределение тепловых потоков и правильно выбирать материалы для отдельных элементов станка с тем, чтобы уменьшить влияние температурных деформаций.
Обеспечение свободного схода стружки. При твердом точении стружка имеет достаточно высокую температуру, поэтому необходимо как можно быстрее вывести ее из зоны резания, не передав при этом тепла элементам конструкции станка.
Большое значение для повышения производительности, в том числе и операций твердого точения, является создание
двухшпиндельных токарных станков с ЧПУ [10]. Двухшпиндельные токарные станки комплектуются одной либо двумя револьверными головками, позволяя тем самым совершать большее количество операций, чем на станках без противошпинделя. Обработку одинаковых или разных деталей можно осуществлять в двух шпинделях - как на разных станках, спаренная обработка повышает
производительность. Пример компоновки с двумя шпинделями и двумя револьверными головками показан на рис.2. При обработке массивных заготовок противошпиндель используется в виде дополнительной управляемой опоры. Также противошпиндель применяется при обработке торца заготовки.
Однако, при выполнении некоторых операций в разных шпинделях, в несущей системе станка могут возникать колебания с быстровозрастающей амплитудой, называемые автоколебаниями.
Операции твердого точения усиливают даже небольшое количество вибраций, что в свою очередь повлияет на шероховатость обрабатываемой поверхности.
Рис. 2. Компоновка токарного станка для твердого точения с противошпинделем и двумя револьверными головками
При возникновении вибраций типа автоколебаний в несущей системе происходит смещение относительного положения инструмента и заготовки, в результате, станок для твердого точения не сможет обеспечить требуемое качество обрабатываемой поверхности.
У вибрации также есть прямое воздействие на сроке службы режущего инструмента, особенно при твердом точении. Режущие пластины, используемые в твердом точении, являются более твердыми и поэтому более хрупкими, чем при традиционном точении. Микротрещины, вызванные вибрацией, могут привести к преждевременному разрушению инструмента, прежде всего это относится к режущей керамике [12].
Подводя итог, можно сказать следующее, что возникновение вибраций в станках для твердого точения имеет негативное влияние как на качество обрабатываемой поверхности, так и на стойкость дорогостоящего режущего инструмента.
Соответственно, возникает необходимость в оперативном демпфировании возникающих вибраций. Наиболее подходящий для этой проблемы метод - внедрение в конструкцию несущей системы двухшпиндельного станка для твердого точения активных систем.
Активные демпферы позволяют получать постоянные по величине демпфирующие силы, не зависящие от определенной частоты. Такие демпфирующие устройства используют
возмущающего устройства и дополнительного источника энергии, автоматически управляемые в соответствии с сигналами датчиков параметров процесса [4].
Вариант такого устройства показан на рис. 3. Элемент станка, подверженный вибрациям, находится под действием периодической
возмущающей силы Р() и периодической силы Р(), создаваемой вибратором 3 в соответствии с сигналами датчика скорости 2, находящейся в противофазе с возмущающей силой [15, 5].
Уравнение движения элемента станка (приближенно рассматриваемого как одномассовая линейная упругая система с параметрами т, с, И): тх + Их + сх = Р() - Р().
Сила, создаваемая вибратором,
пропорциональна скорости х, т.е. Ре(У=Иех, где Ие -коэффициент демпфирования вибратора. Таким образом, уравнение движения элемента станка: тх + (И + Ие)х + сх = Р().
Для создания значительных сил
демпфирования применяют электрогидравлические вибраторы. Поскольку реальная динамическая система элемента станка нелинейная, то управляющий сигнал, поступающий в вибратор, приходится корректировать. На рис. 4 показана схема замкнутой системы управления этим демпфирующим устройством. Текущее значение частоты, амплитуды и сдвига фазы в соответствующей форме вводят в микропроцессор, в котором по этим данным вычисляются значения амплитуды и фазы, обеспечивающие получение необходимой силы вибратора Р(). Как показывают проведенные исследования, такие активные демпфирующие устройства позволяют увеличить предельные значения снимаемой стружки на токарных и фрезерных станках в 2-4 раза.
устройства
В настоящее время твердое точение пока не может полностью заменить шлифование, однако снижение времени наладки и обработки, низкие издержки на приобретение оборудования являются достаточно весомыми аргументами для более активного внедрения технологии твердого точения на предприятия [13].
Твердое точение - специфический процесс, предъявляющий особые требования к станку и инструменту. Основными требованием является
Высокая виброустойчивость, точность, а также статическая и динамическая жесткость станка. Однако возникающие вибрации в многошпиндельных токарных станках для твердого точения не позволяют приблизить изготовленные по качеству шероховатости поверхности к деталям, полученным после шлифования. Предложенная схема активной демпфирующей системы позволит решить проблему возникновения автоколебаний в многошпиндельных станках для твердого точения и позволит повысить производственную прибыль и конкурентоспособность предприятий,
использующих данное оборудование.
Литература
1. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом / И.Г. Жарков. - Л.: Машиностроение, 1986.
- 184 с.
2. Кучма Л.К. Устранение вибраций при обработке металлов резанием / Л.К. Кучма // Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов: сб. науч. тр. М: «Машгиз», 1958. - С. 158 - 219.
3. Несмеянов Е.А. Повышение вибро -устойчивости оборудования при комплексной обработке / Е.А. Несмеянов, Ю.В. Трофимов // Вестник воронежского государственного технического университета. 2010. - Т. 6.
- № 7. - С. 23 - 26.
4. Опиц Г. Современная техника производства / Г. Опиц. - М: Машиностроение, 1975. - 279 с.
5. Орликов М. Л. Динамика станков / М.Л. Орликов. -К.:Выща шк., 1989. - 272 с.
6. Обзор российского оборудования для твердого
точения. - Электрон. дан. - Режим
доступа:http://www.technopolice.ru/images/technopolice/ TechInfo/Article_TI1.htm
7. Попов В.И.Динамика станков / В.И. Попов, В.И. Локтев. - К.: «Техника», 1975. - 136 с.
8. Соколовский А.П. Вибрации при работе на металлорежущих станках / А.П. Соколовский // Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов: сб. науч. тр. М: «Машгиз», 1958. - С. 3
- 24.
9. Тлусты И. Автоколебания в металлорежущих станках / И. Тлусты. - М.: «Машгиз», 1956. - 395 с.
10. Токарные станки Monforts. Программа поставок.
- Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.monforts-werkzeugmaschinen.de/fileadmin/ /tmpl_3/pdf/produktuebersicht.pdf
11. Ультрапрецизионные токарные станки Hembrug. -
Электрон. дан. - Режим доступа:
http://shtray.ru/download/pdf/Hembrug.pdf
12. Koepfer C. New “Ways” For Hard Turning / C. Koepfer // Modern Machine Shop. - 2003. - № 1. - С. 37 - 40.
13. Koepfer, С. Hard Turning as an Alternative to Grinding / C. Koepfer // Modern Machine Shop. - 2010. - № 1. - С. 39 - 43.
14. Jochmann, S. Untersuchungen zur Prozess - und Werkzeugauslegung beim Hochpraezisionshartdrehen / S. Jochmann. - Aachen, Shaker Verlag, 2001
15. Weck M., Sconbohm H., Mehles H. Beseitigung von Schwingungen an spanenden Wekzeugmaschinen // Industrieanzeiger. - 1981. - Nr 54. - S. 21-26.
Рис. 4. Система управления активным демпфирующим устройством
Воронежский государственный технический университет
REGULATION OF AMPLITUDE OF FLUCTUATIONS OF THE TOOL AT PROCESSING ON MULTISPINDLE MACHINE TOOLS FOR HARD TURNING
V.V. Trofimov, E.A. Nesmeyanov
In article features of regulation of amplitude of fluctuations of cutters are described. The basic requirements shown for lathes hard turning are presented. Application active damping systems for reduction of fluctuations of the tool is considered
Key words: regulation of amplitude of fluctuations, hard turning, multispindle machine tools, active damper
