Гашение колебаний и балансировка инструментальных блоков

В связи с возрастанием скоростей резания и усложнением конструкции режущих и вспомогательных инструментов важную роль играют возникающие при работе станка колебания. Они резко снижают стойкость режущих инструментов, отрицательно действуют на шпиндельные опоры станка, ухудшают качество обработанной поверхности. Поэтому борьба с вибрациями в условиях работы ГПМ приобретает важное значение.

Имеется много пассивных и активных методов, позволяющих снизить статические деформации и(или) повысить виброустойчивость консольных инструментальных оправок, особенно большой длины. Этого можно добиться снижением уровня сил резания, использованием оправок с высокой демпфирующей способностью, периодическим изменением режимов резания путем изменения частоты вращения инструмента или обрабатываемой детали, шага зубьев многолезвийных инструментов и т.д., применением систем адаптивного управления.

Снижение уровня сил резания может быть обеспечено правильным выбором геометрии инструмента, химическим составом СОЖ или тонкопленочных покрытий на режущих инструментах, подогревом зоны резания, введением в нее дополнительных ультразвуковых колебаний (два последних способа используются при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов).

Демпфирование колебаний может быть достигнуто:

□ армированием материала оправок твердосплавными волокнами (анизотропия механических свойств);

□ правильным выбором материала оправки (согласно имеющимся данным различия в стойкости инструмента в этом случае достигают 50%);

□ комбинацией двух разнородных материалов, например карбида вольфрама и металлического вольфрама, имеющего высокую демпфирующую способность;

□ использованием предварительно напряженных оправок. Такая оправка  представляет собой трубчатый стержень 3 из алюминиевого сплава с центральным отверстием, замкнутый с двух сторон заглушками с уплотнениями. Отверстие заполняется легкоплавким сплавом, например висмутом, который при отвердевании увеличивается в объеме, т.е. может расширяться. Между трубкой и сплавом имеется слой масла. Расширение твердеющего сплава приводит к расширению трубчатого стержня, изменяя его жесткость.

Так, при длине оправки 710 мм и диаметре 13 мм отмечено увеличение жесткости на 40 %. Оно может быть увеличено при использовании тонкостенных трубок, а также в случае приложения больших растягивающих усилий при изменении материала трубки;

□ зажимом инструмента с помощью упругих элементов — резино-металлических цанг или прокладок, тонкостенных втулок и т.п.;

□ введением в конструкцию оправки масляных , механических и прочих демпферов.

В некоторых современных устройствах адаптивного управления используется лазер, встроенный в оправку. В оправке установлены два резца: черновой и чистовой, а на периферии — направляющие пластины. Чистовой резец закреплен в оправке с помощью упругого прижима. Внутри оправки вмонтирован полупроводниковый лазер. Его излучение через разделитель и зеркало попадает на детекторы. Деформации оправки под действием сил резания фиксируются с помощью отклонения положения лазерного луча, а также с помощью сенсоров (датчиков касания). Изменение положения вершины чистового резца осуществляется под действием пьезоэлектрического устройства и рычага. Возникающие перекосы оси оправки регулируются двумя шаговыми двигателями и шарико-винтовыми парами. Для направления оправки служат направляющие.

В современных станках даже относительно крупные шпиндели, с диаметрами шеек подшипников 100…120 мм и конусом 50, работают с частотами 20…30 тыс. об/мин. Такие высокие частоты предъявляют жесткие требования к инструментальной оснастке, в том числе по степени ее динамической балансировки, так как центробежные силы могут достигать очень высоких значений. Например, для инструмента, имеющего массу 10 кг и эксцентриситет только 1 мкм, дисбаланс достигает 108 Н • м, а центробежная сила при частоте вращения 30 тыс. об/мин равна 100 Н, Такая сила может существенно воздействовать на динамическое состояние станка, особенно если частоты резания близки к частотам собственных колебаний. Степень балансировки может влиять на точность и качество обработанной на станке поверхности, стойкость инструмента и ресурс шпиндельных подшипников. В условиях сверхскоростного резания в ряде случаев наблюдалось разрушение режущего инструмента в результате дисбаланса.

Продолжение …