CC BY
67
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
удк 3815308519 в. м. медунецкий
DOI: 10.25206/1813-8225-2018-157-5-9 " -
а. с. нитейский а. в. расщупкин
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург
Омский государственный технический университет, г. Омск
Акционерное общество «Завод радиотехнического оборудования»,
г. Санкт-Петербург
внедрение системы демпфирования для снижения вибрации фрезерной наладки
Эмпирическим методом определена зависимость параметров режима резания и степень влияния на величину виброскорости при обработке криволинейных поверхностей деталей с использованием нежесткой фрезерной системы. На основании экспериментальных данных составлена диаграмма, описывающая искомую взаимосвязь, предложен метод выявления оптимальных сил резания с целью снижения колебаний в технологической системе. Определены зависимости среднеквадратичного значения виброускорения на шпинделе обрабатывающего центра от скорости резания. Установлена зависимость значительного влияния одиночного радиального биения режущей кромки инструмента на максимальное значение виброскорости. Предложен метод снижения упругих деформаций инструментальной наладки при механической обработке на фрезерных обрабатывающих центрах с ЧПУ. Определены необходимые условия для эффективного применения демпфирующих элементов и требования для включения в состав фрезерной системы при реализации стратегии снижения величины вибраций на режимах, соответствующих высокоскоростному фрезерованию труднообрабатываемых материалов. Исследованы амплитуды значений частотных характеристик рабочего режима в зависимости от величины подачи и глубины резания. Выполнен анализ параметров вибрации при разных значениях скорости резания труднообрабатываемых матери- И алов, в результате была определена процедура обоснования предпочтитель- С ных частот вращения шпиндельного узла в процессе чистовой обработки. о
Ключевые слова: силы резания, высокоскоростное фрезерование, виброскорость, вибрация, демпфирующее устройство, деформация заготовки.
о
Введение. На данном этапе совершенствования производства характеризуются стремительным вне- Н техники предъявляются особые требования к точ- дрением систем управления (СУ) в инструменталь-ности криволинейных поверхностей деталей при- ную наладку, являющуюся технологической состав-боров и систем. Современные тенденции развития ляющей процесса механической обработки. Это
>
1*5
я
со
1,5
1 п /1
^ V \ \ \ \ \ / / / / / / / / / !
\\ \\ \\ ч^- 2 / / / / / / / /
О 20 60 100 250 Скорость резания, и/мин
315
500
Рис. 1. Зависимость виброактивности фрезерной системы от параметров резания:
1 — при радиальной величине срезаемого слоя 0,05 мм;
2 — при радиальной величине срезаемого слоя 0,02 мм
Рис. 2. Влияние частотных характеристик шпиндельного узла на величину вибраций в зоне резания при фрезеровнании
обусловлено повышением требований к качеству изготовления деталей и надежности работы приборов и механизмов. Задачей СУ в производстве является технологическое обеспечение управления механическими процессами при изготовлении точных и ответственных деталей. Применение данных систем позволяет с необходимой достоверностью управлять сложными физическими процессами и контролировать их изменение в заданном диапазоне.
Актуальной задачей автоматизации на производстве является управление сложными физико-механическими процессами и системами для обеспечения стабильного состояния характеристик рабочего органа оборудования [1, 2]. Рабочий режим системы характеризуется набором и соотношением определенных параметров, значения которых не должны превышать допустимых значений [3, 4]. На рис. 1 и 2 приведены графики зависимости виброскорости и виброускорения системы от параметров обработки в процессе фрезерования титанового сплава ВТ-14. Очевидно, что при достижении показателей максимальных значений этих величин во время обработки фрезерная система выходит из стабильного состояния и стремится достигнуть уровня, при котором процесс резания невозможен. Для исключения возможности перехода системы в область критического состояния необходимо прогнозировать её поведение на протяжении всего периода обработки. Анализировать состояние технологической системы можно посредством показателя виброскорости, линейная зависимость которой определяется следующим образом:
У
■ к • х • tan° (к • въ е к )-
где х — ско рость резания; к1---к5 — постоянные коэффициенты, определяющие геометрию режущего инструмента; а, Ь — постоянные коэффициенты, характеризующие тепловую составляющую физических явлений процесса резания.
Возникновение высокочастотных колебаний при фрезеревании. Влбрации всегдя сопрояозеда-ют любой процесс механическнйобработни и являются одним из негативных факторов. Результатом вибраций является ухудшение качества обработки, уменьшение периода стойкости инструмента, а так-
же преждевременный износ узлов станка. Задача специалиста по механообработке задать параметры резания таким образом, чтобы максимально эффективно осуществить обработку с заданными требованиями к качеству и точности изделия.
При тонком фрезеровании очагом возникновения колебаний является область контакта инструмента и заготовки, определяющая зависимость их распространения.
Параметры, характеризующие поведение системы в заданных условиях, зависят от физических свойств обрабатываемого материала и геометрии режущей кромки инструмента. Это означает, что в спектре силового воздействия со стороны фрезы на заготовку помимо первой гармоники с частотой, равной частоте удара зуба фрезы, присутствуют также гармоники более высокого порядка с частотами, кратными частоте удара зуба. Гармонику вибрации определяют по отношению частоты вибрации к числу оборотов источника, а не к величине низшей частотной составляющей, как это принято в гармоническом анализе (ряд Фурье), характеризующей пик для конкретной частоты вращения системы, определяющий «порядок» колебательного процесса:
С о ± .
где / — частота колебанит фрезерной яистомы, соответствующей гармонике от воздействия син й>еза-ния при заданной частоте вращения, Гц; пс — частота удара зуба фрезы, Гр.
В результате возбуждение вибраций заготовки и инструмента происходит в нескольких частотных диапазонах [5, 6]. При этом обрабатываемая заготовка и инструмент имеют не одну, а несколько собственных частот оолебаний, возникающих в зоне резания.
Различают три основные группы звтоколебаний в зависимости от истотнока, занон распространения которых необходимо учитыватз при повышении точности фрезерования труднообрабатываемых материалов [7]:
1. Вибрации сочлененной технической системы. При механической обработав такой системой является технологическая система, а вибрации связаны
п
с р • в е к5
2000
Рис. 3. Механическая модель формирования профиля повехности в процессе фрезерования при лимитировании фрезерной наладки (воспроизводится из работы [7, 8]): 1 — фреза; 2 — заготовка; 3 — поверхность после последующего реза; 4 — поверхность после предыдущего реза
1500
ее
СО
Е
и
О!
го
СП
о
со О
Е а Е и
1Г
1000
500
----- 1
1
/
/ /
/ /
/ 2
1
1
ОА 0,5
Виброскорость, мм/с
0,6
Рис. 4. Гармонические возмущения системы в зоне резания: 1 — гармоники силового воздействия на заготовку; 2 — частота удара зуба фрезы
с наличием сочленений и соединений между элементами этой системы.
2. Термомеханические вибрации, возникающие в зоне резания и связанные с деформацией заготовки, стружки и режущей части инструмента.
3. Регенеративные вибрации. Если рассматривать процесс фрезерования, то очевидно, что каждый зуб фрезы, совершая колебания, оставляет за собой волнистую поверхность заготовки, и в результате каждый последующий зуб срезает слой заготовки переменной толщины, что, в свою очередь, приводит к осцилляциям силы резания и появлению регенеративных вибраций (рис. 3).
Рассмотрим слуай, при котором доминирующей подсистемой из условий возбуджения колебаний является подсистема инструмента. Уравнение, описывающее колебание фрезерной системы для случая, когда жесткость фрезерной наладки меньше жесткосаи станка и знготооки, о.н. прк условии
I7]:
<< ^
фр с
А N е1 Л
й(t) н ) н «Оий ^) = — N= — ри ^);
Пии 10 Жи
яКОно^ншОяяЮ = Ж-ЕЧ = и^КД -
V 1=0
где и — коэффициенты демпфирования
в направлении сооеветстееощих осей; ш — собственная частота колйанш; Р и Р — составляю' X у
щие результирующей силы резания в направлении осей; т — нрнведенная масса фрезерной наладки.
Влряние каждой группы вибраций в целом на устойривость неодинаково. Автоколебания, воз-никающир изезе регенерации поверхности, оказывают наибольшее влияние в сравнении с остальными двуия группами вследствие периодически меняюжвжя силы резания. Автоколебания такого рода приводят к появлению микронеровностей
на лезвии инструмента. Это значительно сказывается на увеличении сил резания, что приводит к усилению автоколебаний и ухудшению качества обрабатываемой поверхности. Каждая из трех групп колебаний оказывают влияние на амплитудные характеристики остальных групп. Таким образом, при прогнозировании уровня результирующих колебаний необходимо учитывать взаимодействие основных групп колебаний, поскольку они оказывают влияние на изменение пиковой амплитуды колебательного процесса при конкретной частотной характеристике работы фрезерной системы. Появление неустойчивого режима работы системы резания приводит к ухудшению шероховатости обрабатываемой поверхности и к размерной неточности. Впервые проблема устойчивости была сформулирована Кашириным А. И., впоследствии развита Кудиновым В. А., Эльясбергом М. Е., исследовалась в работах Соколовского А. П., Ильницкого И. И., Кедрова С. С., Орликова М. Л. и др. Относительно природы первичного источника возбуждения автоколебаний при резании единой точки зрения до настоящего времени нет. Однако наиболее популярной гипотезой является точка зрения Ташлицкого Н. И. о запаздывании изменения силы резания при изменении толщины срезаемого слоя вследствие сближения и удаления инструмента и заготовки в процессе резания. При обработке с высокими скоростями частота возникающих вибраций приближается к частоте волновых процессов в зоне резания. Однако при обработке с низкими скоростями появляются низкочастотные автоколебания [8]. Частота таких вибраций близка к частоте собственных колебаний технической системы и узлов станка. На рис. 4 приведены данные тонкого фрезерования титанового сплава ВТ-14 однозубой фрезой со специальной геометрией при величине срезаемого слоя 0,03 мм и частоте оборотов шпинделя 500 мин-1 [9]. Измерения проводились при помощи прибора виброметр 795М-034 на оборудовании ИЕЯМЬЕ С20.
о
о >
Регенеративные вибрации, как вид автоколебаний, существуют постоянно и не затухают из-за переменной силы резания. Осциллировать силу резания заставляют переменные параметры, такие как толщина реза, как указывалось выше, угол зацепления между режущей кромкой фрезы и заготовкой, а также периодическое появление нароста на режущей кромке, причем частота образования и скола нароста пропорциональна частоте колебания силы резания.
Низкочастотные колебания оказывают большее воздействие на точность положения инструмента и заготовки, а также влияет на работоспособность узлов оборудования. В то же время низкочастотные колебания практически не оказывают влияния на стойкость инструмента. С другой стороны, высокочастотные вибрации разрушают защитное покрытие и режущую кромку инструмента, уменьшая период стойкости, на протяжении которого возможно обеспечение требуемой точности размеров, формы и расположения обрабатываемых поверхностей и, кроме этого, оказывают влияние на распределение тепла в зоне резания.
Исследование теории регенерации колебаний продолжается до настоящего времени, и соответствующие диаграммы устойчивости становятся все более актуальными. Такие диаграммы отражают зависимость устойчивости процесса резания от параметров обработки, таких как частота вращения шпинделя, радиальная подача и глубина резания.
Применение гидравлического гасителя колебаний ударного действия для снижения виброскорости фрезерной системы. Одним из способов снижения виУрации явдается примсненсе яемсфи-рования посредствам использования соответствующих приспособоений.
При применении виброгасителей ударного действия рассеивание энергии колебания идет за счет соударения ж большой массы виб рогв с ителя с гвав-ной колеблющейся массой. Рассмотрим условия уменьшения виброуокорвния дся низксчастотные реакций фрезы ) 10].
Энергия рассеяния виброгаситемя зоья прямого центрального удара не вполне упругих тел определяется:
но-азтн. (о^о^ЬА.
■ = Мв =
Рш
(1 с М )3
(1 с С 3 ) ,
где м о -ш , к — 0,56 для титнновых сплавов. М1
Условия россаяния эоергии в^олеблю^^йвс системы:
т1 е т Л оК
з ] Т
ш ем
Йе е олзе
,1 - с
для титановых
Принимая У1 = У2 и с о —
м „1 сплавов, молучавм — о 3 — .
щ 5
Применение гидр авлич ескогс х'аоителя в о о став т фрезерной системы путем приложенмя дммпфиру-ющего воздействин к фрезернойналадке позволит коррелиоооатм вынужденные и а^тол.^тифмские колебания с параметрическимиколебаниями, определяемыми АЧХ гасителя .
Экспериментальные иссл.едмвония -омазвли, что при установке виброгасителя интенсивность вибраций значительно снижается, уровень звукового шума в этом случае уменьшается до 20 — 30 дБ на частотах 0,5—10 кГц.
Зависимость усзяения виброскорести определяется ураоненимм:
V о -
!е I ЗФ
в -
е ЗФ
м е м
где т1 — маста цилинямэа; т — маосв нсладм0 У1 и У2 — лкорвсти сояг,в<зроющисся язео в мямент удав ра; к — коэффициент войсзановленвя скорости при столкнов ино(з.
Энергию озсеемо1 дт ^мра мяжно мыртзить сне-дующим образом:
■ ■ й нз н К ем) о
Отношение энероии рассеянив в момент удара к энергии системы дм ударт:
где Б — модальный коэффициентдемпфирования; /. — настота собствснных колебаний, Гц; / — часто-
0 ' г
та в озбуждения колебаний, Гц.
Аналогично типовой модели, амплитуса колеба-вий значитееьно yманьшсесяя одя бяльших значений частотного коэффивзента п о н//ь или />>/0. Систему можно сеимась виСроизолированной от источника вотбуждающей силы. Однако если частота движеноя демпфела бмизза к со(мствонной частоте ф резы, возникает ре зонанс [11].
Основные технические характеристики колебательной системы о пределяются вибрирующей мас-той, а в^нюгсо -омнфлруощими и упругими свойствам^. Если частота вынуждающей силы близка к собственной частоте системы, т.е. к частоте ре-моноима, тн ^зультирующая амплитуда колебаний стан вится ос бенно высокой. Изменение вибрирующей массы или упругих свойств системы приводит к изменению састоты собственных колебаний сист мы. Путем изменения этих характеристик можнм достичь необходимой разницы частоты соб-атваншых колебаний системы и частоты возбуждающей силы, в результате чего система перестает фМнлцнoйиpовааь в режиме везснанса и амплитуда колебаний снижаеовя. Фактически амплитудно-частотная характеристика сдвигается относительно исходной собственной частоты. Уход от резонанса (или отстройка от резонанса) выполняется изменением массы или же повышением коэффициента жесткости к системы в качестве типового решения. мчевидло, что новая собственная частота подразумевает и другую резонансную частоту, поэтому важно гарансирнвать, чтобы результатом изменения параметр ов системы не стало совпадение частоты о какой-либо нов ой возможной частотой вынуждающей силы. Данный метод можно применять при стабилизировании вибрационного состояния фрезерной системы, так же как и демпфирование. Од-заон на значительный эффект можно рассчитывать только в узком диапазоне частот при условии, что н сл/с, где к — коэффициент жесткости системы.
2
ь
2 Л
Выражение для соотношения между амнлитуда -ми виброскорости и оывужоающей силы:
V в
дВ_-2 н (жи -i ь/со)2
где
F
резрл^т^щьэщм сила резания — сопротивление вынуждающей
д/ц2 н (жю е ь/ю)2 силе (полный механический импеданс колебательной системы).
При этом сопротивление системы вынуждающей силе опредвляется зоеькз величиной |1, т.е. за счет наличия активных потерь в системе [12].
Рассмотрим, кан измеьяется амплитуда виброскорости при частотах ю, отличных от резонансной
частоты ю„.
Для амплитуды виброскорости имеем: V в
и - F
при ю<< ю0 и V в
F
при ю >> ю0, т.е. при уходе
резонанса по частоте в ту или иную сторону величина амплитуды виброскорости уменьшается.
Выводы. Проблема борьбы с вибрациями в процессе обработки труднообрабатываемых материалов на данный момент является одной из основополагающих, поскольку развитие современного машиностроения достигло уровня, когда для повышения точности изготовления криволинейных поверхностей деталей необходимо разрабатывать технологии, при которых процесс резания будет представлен в плоскости динамического управления взаимосвязанных систем. Иными словами исследования инженеров и специалистов механической обработки должны перейти в основном в область нелинейного восприятия физико-механических процессов резания. Изучение явления вибрационной активности фрезерной технологической системы следует проводить с уточненным пониманием характеристик процесса возникновения биений и закономерностях распространения колебаний с течением времени. Реализовать данный подход позволит метод, при котором виброскорость будет рассматриваться как совокупность взаимосвязанных явлений старших порядков. Уточненное описание зависимости изменения данной величины обеспечит возможность стабилизировать показатели значений в заданном диапазоне, воздействуя на нее как на сложноподчиненную систему структурных элементов. В результате выполнения этих условий можно сформировать принцип управления фрезерной системой с применением настраиваемой демпфирующей системы, которая обеспечит нахождение фрезерной наладки в стабильном рабочем состоянии на протяжении всего периода процесса лезвийной обработки.
Библиографический список
1. Балыков И. А. Чукарин А. Н., Евсеев Д. З. Влияние процессов резания на шум фрезерных станков // Новое в безопасности жизнедеятельности и экологии: сб. ст. докл. конф., 14 — 16 октября 1996 г., Санкт-Петербург. СПб., 1996. С. 222-223.
2. Чукарин А. Н., Балыков И. А. Экспериментальные исследования шума и вибрации фрезерных станков / Донской
гос. техн. ун-т. Ростов н!Д. 1996. С. 126-137. Деп. в ВИНИТИ 16.08.96, № 2687-B96.
3. Altintas Y., Weck M. Chatter stability of metal cutting and grinding II Annals of CIRP. Key Note Paper of STC-M. 2004. Vol. 53I2. Р. 619-642. DOI: 10.1016IS0007-8506(07)60032-8.
4. Merdol S. D., Altintas Y. Multi frequency solution of chatter stability for low immersion milling II Trans. ASME J. Manuf. Sci. Eng. 2004. Vol. 126, Issue 3. Р. 459-466. DOI: 10.1115I1.1765139.
5. Кудояров Р. Г., Башаров Р. Р. Расчетный метод определения траектории движения оси шпинделя станка при высокоскоростной обработке II Технология машиностроения. 2011. № 4. С. 26-29.
6. Соколовский А. П. Точность механической обработки и путиееповышения. M.: Mашгиз, 1951. 457 с.
7. Леонов С. Л., Некрасов А. Т. Основы создания имитационных технологий прецизионного формообразования: моногр. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2006. 198 с.
8. Воронов С. А., Непочатов А. В., Киселев И. А. Критерии оценки устойчивости процесса фрезерования нежестких деталей II Известия вузов. Mашиностроение. 2011. № 1 (610). C. 50-62.
9. Нитейский А. С., Расщупкин А. В. Применение одно-зубой фрезы при чистовом фрезеровании сложнопрофильных поверхностей тонкостенных заготовок из труднообрабатываемых материалов II Омский научный вестник. 2016. № 6 (150). С. 30-34.
10. Драчев О. И. Технология изготовления маложестких осесимметричных деталей: моногр. M.: Политехника, 2005. 289 с. ISBN 5-7325-0869-4.
11. Козлов А. M., Кирющенко Е. В. Зависимость параметра виброскорости от прогнозируемых факторов процесса торцового фрезерования II Современные проблемы машиностроения: тр. VI Mеждунар. науч.-техн. конф. Томск: Изд-во ТПУ. 2011. С. 266-271.
12. Козлов А. M., Кирющенко Е. В. Динамический анализ технологической системы при фрезеровании плоских поверхностей крупногабаритных деталей II Современные технологии в горном машиностроении: сб. науч. тр. семинара. M.: Изд-во Mr^. 2012. С. 417-423.
МЕДУНЕЦКИЙ Виктор Михайлович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Технология приборостроения» Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.
Адрес для переписки: vm57med@yandex.ru НИТЕЙСКИЙ Антон Сергеевич, кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Инженерная геометрия и САПР» Омского государственного технического университета. Адрес для переписки: antongth@gmail.com РАСЩУПКИН Артем Вадимович, инженер-технолог 1-й категории, завод радиотехнического оборудования, г. Санкт-Петербург. Адрес для переписки: archijoke@mail.ru
Для цитирования
Медунецкий В. М., Нитейский А. С., Расщупкин А. В. Внедрение системы демпфирования для снижения вибрации фрезерной наладки // Омский научный вестник. 2018. № 1 (157). С. 5-9. Б01: 10.25206/1813-8225-2018-157-5-9.
Статья поступила в редакцию 21.12.2017 г. © В. М. Медунецкий, А. С. Нитейский, А. В. Расщупкин
ь
ж ■ со
s
