Колебания при механической обработке

При работе на станках часто помимо основных движений элементов станка возникают другие нежелательные движения — колебания.

Колебания уменьшают стойкость режущего инструмента (иногда вызывают его поломку), точность, увеличивают шероховатость обработанной поверхности, приводят к интенсивному износу станков. Шум при вибрациях утомляет рабочего.

Колебания, возникающие при обработке, могут быть вынужденными, собственными (или свободными) и автоколебаниями.

Вынужденные колебания — это колебания вызываемые и поддерживаемые некоторыми возмущающими силами, т. е. силами, заданными в виде явных функций времени. К ним, например, относятся:

— колебания, передаваемые извне через фундамент от работающих поблизости станков, машин;

— колебания, вызываемые дисбалансом вращающихся частей станка, заготовки и т. д.;

— колебания, вызываемые прерывистым характером резания (работа зубьев фрезы, протяжки и т. д.).

Частота вынужденных колебаний равна или кратна частоте возмущающей силы. Устранение возмущающей силы приводит к устранению вынужденных колебаний.

Собственные колебания — это колебания автономных систем, происходящие под действием восстанавливающих сил около состояния равновесия. Они возникают под воздействием каких-либо толчков и обычно достаточно быстро затухают. Частота собственных колебаний определяется массой и жесткостью колеблющейся системы. При резании на станках силы сопротивления обычно велики, поэтому затухание собственных колебаний происходит быстро.

Уравнение собственных колебаний при наличии линейной восстанавливающей силы трения имеет следующий вид:

Общее решение такого уравнения имеет вид:

Как видно из предыдущего уравнения, движение представляет собой затухающие колебания с постоянной частотой, но постепенно убывающими отклонениями, так что процесс в целом характеризуется монотонным убыванием амплитуд (рис. 2.61).

Последовательность максимальных отклонений амплитуд следует закону геометрической прогрессии, так как отношение двух последовательных максимальных отклонений A(t): A(t + Т), разделенных интервалом времени Т, является постоянной величиной, равной e^ht . Натуральный логарифм этого отношения называется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент служит удобной количественной характеристикой темпа затухания свободных колебаний.

Автоколебания — это незатухающие стационарные колебания, поддерживаемые за счет энергии, которая подводится к системе от некоторых источников неколебательного характера. Таким образом, автоколебательный процесс — это процесс, при котором переменная сила, поддерживающая колебательное движение, создается и управляется самим движением и при прекращении этого движения исчезает.

Частота автоколебаний близка к собственной частоте элементов колебательной системы, например, при точении встречаются как низкочастотные колебания, связанные с колебаниями вала и его опор (f = 70...300 Гц), так и высокочастотные колебания, связанные с колебаниями резца (как правило, f > 1000 Гц).

Рис. 2.61. Схема процесса затухания собственных колебаний

Источником энергии автоколебательного движения является привод станка, который сам по себе не обладает колебательными свойствами.

Высокочастотные колебания возникают чаще всего при чистовой и получистовой обработках при больших скоростях главного движения резания из-за колебания резца и сопровождаются характерным свистом. На поверхности детали остается рябь (гребенки) с малым шагом (0,5...2 мм).

При низкочастотных колебаниях на поверхности детали заметны волны с большим шагом, слышен глухой звук. Шероховатость поверхности значительная.

Обычно необходимым условием возникновения автоколебаний в технологической системе является ее недостаточная жесткость, т. е. для уменьшения уровня колебаний необходимо стремиться обеспечить максимально возможную жесткость всех элементов технологической системы. Но даже при их значительной жесткости возникновение автоколебаний не исключено. Как отмечалось выше, колебания в значительной степени затрудняют реализацию запроектированных рациональных параметров технологических процессов. Для разработки мер борьбы с колебаниями необходимо знать причины их возникновения.

Исследование причин возникновения вибраций при резании, а также поиском путей их устранения посвящены работы многих ученых.

Методы борьбы с колебаниями

На практике используются следующие основные методы борьбы с колебаниями.

1. Повышение жесткости технологической системы, а также ее узлов. С увеличением жесткости растет частота собственных колебаний и, следовательно, уменьшается амплитуда колебаний.

2. Уменьшение колеблющихся масс, если это не влечет уменьшение жесткости элементов технологической системы.

3. Увеличение сил сопротивления колебательному движению, за счет чего увеличивается рассеивание энергии при колебаниях.

4. Уменьшение сил, возбуждающих вибрации (внешних — при вынужденных колебаниях, внутренних — при автоколебаниях).

5. По возможности исключение прерывистого резания или применение косозубых фрез, уменьшение шага зубьев фрез.

6. Балансирование быстро вращающихся частей технологической системы (шлифовальных кругов, шпинделей и др.). При точении несимметричных заготовок установка противовесов.

7. Устранение дефектов в передачах и кинематических цепях станка.

8. Изоляция технологической системы от внешних источников колебаний (использование виброопор, изолированных фундаментов и т. п.).

9. Выбор режимов резания, вне зон наиболее вероятного возникновения колебаний.

10. Применение рациональных СОЖ (за счет чего уменьшается трение в зоне резания, а, следовательно и сила резания).

11. Устранение зазоров в подвижных соединениях и обеспечение плотности стыков в неподвижных соединениях.

Рис. 2.70. Резец с виброгасящей фаской

Рис. 2.71. Пружинный резец

Рис. 2.72. Конструкция резцов с низко расположенной режущей кромкой:

а — расточной резец токаря К.В. Лакура; б— токарный резец

Рис. 2.73. Схема гидравлического виброгасителя

12. Использование рациональной геометрии режущего инструмента: увеличение углов в плане и передних углов, применение виброгасящих фасок (рис. 2.70), пружинных резцов (рис. 2.71), резцов с низко расположенной режущей кромкой (рис. 2.72), в некоторых случаях работа перевернутым резцом и т. д.

Применение виброгасителей, которые, не повышая жесткости технологической системы, поглощают энергию колебательного движения за счет введения в систему дополнительных искусственных сопротивлений (например, гидравлические виброгасители — рис. 2.73).

Также применяют динамические гасители колебаний, представляющие собой присоединяемую массу, колеблющуюся со сдвигом фазы на π, за счет чего гасятся колебания (рис. 2.74).

Рис. 2.74. Схема динамического кольцевого виброгасителя ударного действия