Вибрации и шум при обработке резанием

В процессе обработки могут возникать периодические колебания отдельных элементов системы станок­–приспособление–инстру­мент–деталь большой частоты, называемые вибрациями. Вибрации вызывают повышенный износ и выкрашива­ние инструмента, ухудшение качества обработанной поверх­ности, понижают точность
и долговечность оборудования и приспо­собле­ния; все это ведет
к снижению производительности обработки.

Возникновение вибраций при обработке резанием характеризует­ся возмущающими силами и свойствами упругой системы; соотно­шение между этими параметрами определяет как возможность воз­никновения вибраций, так и их амплитуду и частоту.

Возмущающие силы в зависимости от физического существа ме­ха­низма возбуждения вибраций могут создавать колебания раз­личных видов и, прежде всего, вынужденные колебания и автоко­лебания.

Кроме того, при отдельных видах механической обработки сущест­венное значение иногда приобретают другие виды колебаний, обу­словленные изменением одного из параметров системы станок­–приспособление–инстру­мент–деталь, на­пример жесткости по времени (параметрическое возбуждение коле­баний), а также собственные затухающие колебания, возникающие при мгновенном приложении
и снятии силы. Это происходит при врезании или выходе режущей кромки инструмента из обрабатывае­мого материала.

Вынужденные колебания возникают вследствие наличия в систе­ме станок­–приспособление–инстру­мент–деталь внешней периодической силы, вызывающей колебательный процесс с частотой, равной частоте действия возмущающей силы. Эти силы могут быть разделены на две группы:

1) переменные силы, обусловленные процессом резания, например силы, возникающие при снятии неравномерного припуска, прерывистом характере резания и т.д.;

2) переменные силы, возникающие в системе станок­–приспо­соб­ление–инстру­мент–деталь вне зоны резания. К ним относятся колебания, вызванные дефектами передач станка (перекос осей, погрешность зубчатых колес, люфты), дисбалансом его отдельных вращающихся частей – заготовок, приспособлений, инструментов,
а также колебания, передаваемые на станок из­вне от других работающих машин.

Общим признаком вынужденных колебаний является отсутствие за­висимости интенсивности действия возмущающей силы от процесса резания. Поэтому для гашения этих колебаний возможно использование наиболее простого и эффективного способа – ликвидации вызывающих их причин.

Наибольшие затруднения при обработке резанием вызывают са­мовозбуждающиеся колебания – автоколебания. Отличительной особенностью вибраций этого вида является от­сутствие внешней периодической силы, возмущающей колебатель­ный процесс. Частота вибраций при этом, как правило, не зависит от режимов резания, геометрии инструмента и равна собственной часто­те системы.

Условиями возникновения автоколебаний при обработке резанием являются:

1) наличие в системе станок­–приспособление–инстру­мент–де­таль физического явления, создающего механизм возбуждения колебаний (источник энергии, колебательная система и стабилизатор амплитуд);

2) определенные соотношения 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.

Установлено большое число физических явлений, создающих
в системе станок­–приспособление–инстру­мент–деталь механизм воз­буждения колебаний и обуславливающих возникновение автоколебаний. В настоящее время большинство машиностроительных предприятий активно оснащаются высокопроизводительными станками
с ЧПУ и обрабатывающими центрами с компьютерным управлением отечественного и зарубежного производства. В Пермском крае это: ОАО «Новомет», ОАО «Протон», ОАО «Пермский моторный завод», ОАО «Инкар», ОАО «Редуктор» и др. Стоимость новых станков достаточно велика – достигает 2–3 млн евро за станок. Значительно выросла (в десятки раз) и стоимость режущих сборных инструментов. Непредвиденный выход из строя этого оборудования и инструмента по различным причинам приводит к большим издержкам производства на машиностроительных заводах. Поэтому резко вырос уровень активности исследований в области контроля процессов механической обработки и инструмента в нашей стране и за рубежом. Диаграммы, изобра­женные на рис. 78, показывают, что основная деятель­ность разработчиков диагностических систем направлена на контроль износа инструмента или интенсивности его износа в любой текущий момент времени процесса обработки резанием.

Интенсивные исследования в области контроля станков и инструмента ведутся во всем мире: в США – НИСТ, национальная лаборатория Лоуренса в Ливерморе, Окриджская национальная лаборатория, Мичиганский универси­тет, Иллинойский университет, университет шт. Мэриленд, фирмы «Монтро­никс», «Ингерсолл миллинг машин» и TPS; в Канаде – Национальный исследо­вательский совет Канады, университет британской Колумбии, университет Виктории

Рис. 78. Использование различных диагностических приз­­­наков в ана­лизе процессов, происходящих при меха­ниче­ской обработке материалов реза­нием

– акусти­ческая эмиссия; – силы резания; – вибрации и по­мехи; – температура; – другие признаки

и фирма «Мемекс электроникс». В Европе в области контроля стан­ков и инструмента активные программы: в Германии – RWTH Aachen, университет Пассау, институт Фраунгофера, фирмы «Роберт Бош», «Проме­тек», исследовательский институт WZL и Ганноверский лазерный центр; в Ис­пании – фирмы «Текникер», «Соралюче», «Икерлан», «Данобат», «Идеко»; во Франции – фирмы Giat и Objec­tif; в Греции – фирмы «Грау» и «Эпсилон»; в Италии – фирмы «Фидия» и ТХТ; в Великобритании – Лидский, Бирмингемский и Ноттингемский университеты; в Швейцарии – фирмы «Кистлер Инстру­менте» и «Гиндель Гирс»; в Венгрии – Венгерская академия наук.
В Японии ак­тивные программы имеют следующие организации: университет Нагойи, уни­верситет Кобе, университет Кейо, исследовательский центр материалов фирмы «Мицубиси», компания «Хитачи сейки машин тул» и фирма NTN.

В США использование систем данного класса позволило
(в среднем):

– на 30 % повысить производительность обработки;

– на 50 % увеличить срок службы станков (в первую очередь – элементов шпиндельной бабки);

– на 30 % увеличить износостойкость инструмента.

В частности, использование таких систем позволило при создании самолета F18 сэкономить 1 млрд долларов за 10 лет.

Компании, успешно применяющие вибродиагностические системы в своем производстве: Boeing, Ingersoll, Tool Company, Caterpillar, General Electric, Rolls Royce, Kovosvit A.S. и др.

В России исследования процесса резания проводятся практически во всех технических вузах страны и в отраслевых НИИ машиностроения. В наибольшей степени это Станкин, ВНИИТС, завод «Салют» г. Москвы. Однако для измерения сил резания, температуры резания, вибрации, мощности применяются различные методы, приборы, датчики часто без преобразования электрического сигнала
в цифровой, т.е. без использования персонального компьютера для анализа, записи и воспроизведения данных на современном уровне.