Использование колебаний для улучшения условий резания.

Выше отмечалось, что наложение на инструмент регламентированныхвынужденных колебаний в определенных случаях позволяет увеличить про­изводительность обработки. Это, прежде всего, касается резания жаропроч­ных и титановых сплавов в условиях наложения ультразвуковых колебаний (f=18-20 кГц). При этом тангенциальные колебания способствуют умень­шению степени деформации и размеров зоны деформации, уменьшают наростообразование, шероховатость обработанной поверхности и составляющей силы резания. При определенных значениях амплитуды колебаний наблюда­ется увеличение стойкости режущего инструмента по сравнению с безвиб­рационным резанием.

Другим путем использования регламентированных вынужденных колеба­ний является наложение на инструмент низкочастотных колебаний с целью обеспечения удовлетворительного стружкодробления в условиях образова­ния сливной стружки при обработке вязких материалов. Эти колебания создаются различного рода гидравлическими, механическими и электромаг­нитными вибраторами. Как правило, колебания сообщаются инструменту в направлении подачи, т.к. в этом случае они не оказывают влияния на точность и шероховатость обработанной поверхности. Для того чтобы стружколомание было устойчивым, необходима определенная связь между частотой n вращения заготовки и частотой f вынужденных колебаний инс­трумента. Амплитуда колебаний А от частоты вращения и частоты колеба­ний не зависит, а выбирается в зависимости от величины подачи s. Опти­мальными соотношениями между этими параметрами являются

f/n=1,5 и А/s =0,6-0,9

Колебания инструмента при виброрезании приводят к некоторому снижению его стойкости. Кроме того, необходимо иметь на станке вибратор, что усложняет конструкцию станка. Поэтому виброрезание применяется только в тех случаях, когда другими способами обеспечить надежное дробление стружки не удается.

Исследования надежности стружкодробления показали, что стружка при точении с воздействием осевых колебаний надежно дробится при всех частотах, отличающихся от частоты вращения детали на 5-10 % и более.

Одним из путей повышения производительности и качества операций окончательной обработки является замена шлифования лезвийной обработ­кой (точение, растачивание) сверхтвердым инструментальным материалом (композит 01). При скорости резания 80-85 м/мин, подаче 0,04-0,05 мм/об и глубине резания 0,08-1 мм использование ультразвуковых колеба­ний позволяет обеспечить стойкость 120-180 мин (при критерии затупле­ния 0,1мм), что в несколько раз превышает стойкость твердосплавного инструмента. При чистовой обработке закаленных сталей композитом 01 на оптимальных режимах обеспечивается шероховатость обработанной поверх­ности Ra = 0,63 мкм. При обработке с воздействием ультразвуковых коле­баний шероховатость поверхности снижается примерно до Ra = 0,32-0,16 мкм, т.е. обеспечивается такая же шероховатость поверхности, как и при шлифовании. Вместе с тем этот метод улучшает качество поверхности. Обычно после обработки резанием в поверхностном слое образуются оста­точные напряжения сжатия, величина которых зависит от скорости резания и переднего угла, инструмента. Введение в зону резания ультразвуковых колебаний уменьшает величину остаточных напряжений и глубину их зале­гания в поверхностном слое детали. Кроме того, благодаря уменьшению силы резания снижаются деформации системы СПИД и увеличивается точ­ность обработки.

Воздействие вибрационного движения извне с помощью систем прог­раммного управления может привести к существенному повышению устойчи­вости системы СПИД, например, при токарной обработке нежесткой детали. Подобные системы уже находят применение впромышленности. Например, на Московском инструментальном заводе при обточке протяжек на станках с ПУ используется система гашения вибраций путем изменения подачи по треу­гольному или синусоидальному закону. При этом скорость изменения пода­чи находится в пределах 100-3000 мм/мин/с, а амплитуда силы определя­ется в зависимости от массы и собственной частоты доминирующей колеба­тельной системы. Устойчивость системы к возникновению автоколебаний повышается в 2-3 раза. Кроме того, введение осциллирующего точения в кинематику процесса резания позволяет управлять процессом образования стружки и ее отводом из зоны резания. Периодическое изменение толщины среза в процессе осцилляции подачи обеспечивает надежное дробление стружки. Величина уменьшения толщины срезаемого слоя, обеспечивающая устойчивое дробление, зависит от физико-механических свойств обрабаты­ваемого материала, параметров режима резания и находится в пределах от 0,5 до 0,9 исходной. Большие значения относятся кпроцессу дробления широких стружек. Таким образом, применение осцилирующего движения по­дачи позволяет повысить производительность обработки за счет значи­тельного увеличения толщины слоя, снимаемого за один проход. В этом случае вибрация не возникает. Рост производительности достигается так­же за счет того, что становится возможным эффективно обрабатывать де­тали малой жесткости.

При воздействии вибрации значительно усиливается положительное воздействие смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) на процесс резания. Это положительное воздействие обусловлено, прежде всего, надежным перио­дическим омыванием режущего клина инструмента, происходящим во время его выхода из обрабатываемого материала. Вибрация, особенно ультразву­ковая, при распылении СОЖ резко увеличивает интенсивность ее смазываю­щего, охлаждающего и диспергирующего действия. Это особо важно при сверлении отверстий, когда доступ СОЖ к режущим кромкам затруднен. Ре­зание с осевой вибрацией характеризуется образованием дробленой струж­ки, которая мало препятствует проникновению СОЖ к вершине сверла и легко отводится из зоны резания. В зону резания могут поступать более крупные частицы СОЖ по сравнению со сверлением без вибрации, что поз­воляет применять специальные СОЖ, обладающие сильным физико-механичес­ким действием.

Ультразвуковые осевые колебания широко используются при нарезании резьб малого диаметра метчиками. При этом крутящий момент уменьшается на 25-35 %, увеличивается стойкость метчиков и снижается вероятность их поломки.

Абразивная обработка с воздействием вибрации значительно улучшает технологические показатели. Это объясняется повышением равномерности загрузки отдельных абразивных зерен, лучшим доступом СОЖ и удалением продуктов обработки. Повышение интенсивности съема металла при абра­зивной обработке с воздействием вибраций объясняется постоянной сменой рабочих граней, скоростей и углов резания, а также увеличением плот­ности сетки следов абразивных зерен на обрабатываемой поверхности. Все это ведет к снижению действующих сил и температур, а, следовательно, повышению производительности обработки и качества поверхности. При этом ликвидируются структурные изменения в поверхностном слое детали, не образуются микротрещины, уменьшается степень упрочнения (наклеп).

Таким образом, знание природы вибраций при резании, их взаимосвя­зи с основными технологическими параметрами процесса, и умение правильно использовать их положительные эффекты позволяют в конечном ито­ге повысить выходные характеристики процесса обработки - производи­тельность, точность, качество изделий.