The article considers a method for suppressing regenerative vibrations when turning non-rigid shafts that improves the quality of the machined surface, tool life, equipment durability, ergonomic indicators of working conditions and productivity
self-oscillations, cutting speed modulation, modulation frequency, shaft turning
В России и за рубежом в достаточной мере уделяется внимание совершенствованию машиностроения. Важное значение уделяется созданию автоматизированных процессов производства благодаря токарным, фрезерным сверлильным станкам, но все требует совершенства и доработки для улучшения качества поверхности детали.
В практике современного машиностроения широко применяется точение валов, обеспечивая высокую технологическую производительность при чистовой и черновой обработке цилиндрических поверхностей. Однако во время работы на интенсивных режимах резания в технологической системе могут возбуждаться автоколебания, резко ухудшающие точность и качество обработанной поверхности, производительность, стойкость инструмента, себестоимость и долговечность оборудования. Таким образом, крайне важно обеспечить производство эффективным способом управления автоколебаниями с целью их подавления.
Одним из таких способов подавления автоколебаний является модуляция скорости резания. Данный способ позволяет подавлять автоколебания, возникающие при резании и негативно влияющие на качество получаемой поверхности. Эффективность использования этого способа определяется правильно подобранными частотой и глубиной модуляции скорости резания. Подбор этих параметров может выполняться экспериментальным путем, что весьма трудоемко, либо на основе имитационного моделирования на ЭВМ динамики процесса резания.
Причинами возникновения автоколебаний являются: вибрация соседнего оборудования; неточное изготовление узлов станка; нежёсткость узлов станка и заготовки; наличие физического эффекта в системе СПИД; наличие регенеративного эффекта в системе.
Методы гашения автоколебаний: с помощью повышения демпфирования; с помощью применения переменного шага зубьев; с применением модуляции скорости резания. Метод модуляции скорости резания является одним из новых способов подавления автоколебаний. Но для разработки способа необходимо представление о механизме регенерации автоколебаний.
Целью данной работы является создание теоретического представления о физической сущности процесса регенерации автоколебаний. Установить влияние частоты вращения шпинделя на параметры регенеративных автоколебаний: амплитуду, частоту и фазу; опытным путем выявить влияние параметров модуляции скорости резания на механизм регенерации автоколебаний и дать физическое обоснование полученным результатам.
Рисунок 1 - Экспериментальная установка: 1 - лазерный виброметр Polytec OFV-505; 2 - динамометр Kistler Type 9129AA; 3 – закрепленный инструмент; 4 – заготовка, закрепленная в трехкулачковом патроне; 5 – лазерная фокусировка, установленная на заготовке.
Экспериментальное исследование проводили на токарном обрабатывающем центре DMG NEF 400, оснащенном стойкой ЧПУ Siemens 840D (рисунок 1). Измерение вибраций при проведении опытов проводилось при помощи вышеперечисленного оборудования, а именно оптического виброметра «Polytec» состоящего из контроллера OFV-5000 и оптической сенсорной головки OFV 505.
Для получения данных были использованы сменные втулки, которые устанавливались на оснастку, описанную выше. Было произведено 7 резов на каждой втулке, всего их было задействовано 3 при постоянной скорости резания на различных оборотах шпинделя. В ходе эксперимента были получены спектрограммы и вибро-граммы при постоянной и переменной скорости резания.
Для проведения эксперимента с постоян-ной скоростью резания был составлен план, приведенный в таблице 1. Ширина обрабатываемого пояска на втулке 9 мм.
Втулки проточить до диаметра 44 мм. Критический диаметр обработки: 40,5 мм, при данном диаметре в процессе обработки происходит задевание крепежной гайки.
Для измерения силы резания использовался трехкомпонентный динамометрический комплекс для токарных станков Kistler Type 9129AA.
Выбранный диапазон частот вращения шпинделя n=997 – 1079 об/мин, в этом диапазоне система имеет переход из стабильного состояния в нестабильное и обратно. Для проведения эксперимента были взяты частоты вращения шпинделя n=1001 – 1074 об/мин.
Для проведения эксперимента с переменной скоростью резания был составлен план, приведенный в таблице 2. Использовалось 8 втулок, которые обрабатывались на следующих режимах: частота вращения шпинделя n=997 об/мин, подача F=0.143 мм/об, глубина резания ap=1мм. Расстояние до сфокусированной точки лазера составляло 214 мм. Режимы модуляции скорости резания выбирались исходя из возможности отработки оборудования.
В ходе данного эксперимента были получены данные, которые были преобразованы в графики (см. рисунок 2).
Рисунок 2 – Виброграмма колебаний заготовки, полученная при постоянной скорости резания, при n=1001 об/мин
1 – Первый оборот шпинделя; 2 – Второй оборот шпинделя; 3 – Третий оборот шпинделя; 4 – Четвертый оборот шпинделя; 5 – Пятый оборот шпинделя.
На рисунке 3 представлены спектрограммы автоколебаний заготовки при токарной обработке на различных скоростях оборота шпинделя. Здесь: ось абсцисс – частота автоколебаний заготовки, ось ординат – амплитуда.
Рисунок 3 – Спектрограмма автоколебаний заготовки при резании, опыт №1 n=1001 об/мин
Также были получены графики сил, представленные на рисунке 4. Здесь: по оси абсцисс – время, а по оси ординат – силы во время резания.
Рисунок 4 – Силы резания при токарной обработке с постоянной скоростью резания, опыт №1 n=1001 об/мин
Для анализа полученных сил при токарной обработке с постоянной скоростью резания была произведена выборка данных, так как в каждой серии проведенных экспериментов есть вероятность, что некоторые данные будут выбиваться из нужного диапазона, то есть иметь систематическую погрешность. Делая серию из трех экспериментов, в некоторых случаях удается исключить данную погрешность. Поэтому, объединяя результаты из трех серий, удается исключить дополнительные и случайные погрешности при проведении измерений.
Из экспериментально полученных графиков было выявлено негативное влияние автоколебаний на процесс точения и имеет место вышеописанное смещение φ = +
. Также во время обработки возникают критические силы, негативно влияющие на поверхность обработанной заготовки и на износ инструмента.
Таблица 1 - План проведения эксперимента с постоянной скоростью резания
|
№ |
Номер эксперимента |
Dзаг, мм |
n, об/мин |
f мм/об |
ap, мм |
|
1 |
1 |
48,4 |
1001 |
0,143 |
1 |
|
2 |
2 |
48,4 |
1013 |
||
|
3 |
3 |
47 |
1025 |
||
|
4 |
4 |
47 |
1037 |
||
|
5 |
5 |
47 |
1049 |
||
|
6 |
6 |
47 |
1061 |
||
|
7 |
7 |
47 |
1074 |
||
|
8 |
8 |
48,4 |
1001 |
||
|
9 |
9 |
48,4 |
1013 |
||
|
10 |
10 |
48,4 |
1025 |
||
|
11 |
11 |
47 |
1037 |
||
|
12 |
12 |
47 |
1049 |
||
|
13 |
13 |
48,4 |
1061 |
||
|
14 |
14 |
48,4 |
1074 |
||
|
15 |
15 |
48,4 |
1001 |
||
|
16 |
16 |
47 |
1013 |
||
|
17 |
17 |
48,4 |
1025 |
||
|
18 |
18 |
48,4 |
1037 |
||
|
19 |
19 |
47 |
1049 |
||
|
20 |
20 |
47 |
1061 |
||
|
21 |
21 |
48,4 |
1074 |
На рисунках 5, 6 представлены зависимости изменения средней частоты автоколебаний и фазы от частоты вращения шпинделя во время обработки построенная исходя из выше представленных спектрограмм. Из полученных результатов можно сделать вывод, что с увеличением частоты вращения шпинделя происходит возрастающее изменение значений частоты автоколебаний и смещение фазы.
Рисунок 5 – Зависимость смещения фазы от частоты вращения шпинделя
Рисунок 6 – Зависимость средней частоты автоколебаний от частоты вращения шпинделя
Рисунок 7 – Зависимость среднего размаха от частоты вращения шпинделя
На рисунках 7, 8 представлены изменения среднего размаха и средней амплитуды автоколебаний от частоты вращения шпинделя. На основе полученных результатов видно, что при частотах вращения шпинделя равным n=1037 об/мин, наблюдаются максимальные значения по амплитуде и фазе. Исходя из графика зависимости фазы и частоты автоколебаний можно сделать вывод, что при изменении фазы на различных частотах вращения шпинделя также меняются и амплитуды виброперемещений и автоколебаний. Данную зависимость можно объяснить переходом из зоны стабильного резания в нестабильную.
Рисунок 8 – Зависимость средней амплитуды автоколебаний от частоты вращения шпинделя
Из полученных данных можно сделать вывод, что для постоянной скорости резания лучшими показателями по всем рассматриваемым зависимостям от частоты вращения шпинделя являются частоты равные n=1025 об/мин. Можно сделать вывод, что это говорит о прямой зависимости смещения фазы, амплитуды и размаха от частоты вращения шпинделя, такую же зависимость между собой имеют графики изменения силы и частоты автоколебаний от частоты вращения шпинделя.
В ходе эксперимента с модулированной скоростью резания были получены данные, которые были преобразованы в графики (см. рисунки 9-11.)
Запись радиальной силы не удалась, так как значения выходят за диапазон рабочих показаний оборудования, вследствие чего динамометр переходит в состояние перекалибровки и гасит весь сигнал, поэтому дальше анализировали размахи и амплитуды автоколебаний.
Таблица 2 – План проведения эксперимента с переменной скоростью резания
|
№ эксперимента |
Dзаг,мм |
RVF, мод/об |
RVA |
n, об/мин |
f, мм/об |
ap, мм |
|
1 |
48 |
0 |
0 |
997 |
0,143 |
1 |
|
2 |
48 |
0.1 |
0,025 |
|||
|
3 |
48 |
0,05 |
||||
|
4 |
48 |
0,075 |
||||
|
5 |
48 |
0,1 |
||||
|
6 |
48 |
0,125 |
||||
|
7 |
48 |
0,15 |
||||
|
8 |
48 |
0,175 |
||||
|
9 |
48 |
0,2 |
||||
|
10 |
48 |
0,25 |
||||
|
11 |
48 |
0,2 |
0,02 |
|||
|
12 |
48 |
0,04 |
||||
|
13 |
48 |
0,08 |
||||
|
14 |
48 |
0,1 |
||||
|
15 |
48 |
0,15 |
||||
|
16 |
39 |
0,5 |
0,005 |
|||
|
17 |
39 |
0,01 |
||||
|
18 |
39 |
0,015 |
||||
|
19 |
43,5 |
0,02 |
||||
|
20 |
39 |
0,025 |
||||
|
21 |
43,5 |
0,03 |
||||
|
22 |
43,5 |
0,04 |
||||
|
23 |
48 |
0,05 |
Рисунок 9 – Виброграмма колебаний заготовки, полученная при точении с модулированной скоростью резания, при RVF=0,1 мод/об, RVA=0,2
1 – Первый оборот шпинделя; 2 – Второй оборот шпинделя; 3 – Третий оборот шпинделя; 4 – Четвертый оборот шпинделя; 5 – Пятый оборот шпинделя.
Рисунок 10 – Виброграмма колебаний заготовки, полученная при точении с модулированной скоростью резания, при RVF=0,2 мод/об, RVA=0,15
1 – Первый оборот шпинделя; 2 – Второй оборот шпинделя; 3 – Третий оборот шпинделя; 4 – Четвертый оборот шпинделя; 5 – Пятый оборот шпинделя.
Рисунок 11 – Виброграмма колебаний заготовки, полученная при точении с модулированной скоростью резания, при RVF=0,5 мод/об, RVA=0,03
1 – Первый оборот шпинделя; 2 – Второй оборот шпинделя; 3 – Третий оборот шпинделя; 4 – Четвертый оборот шпинделя; 5 – Пятый оборот шпинделя.
Рисунок 12 – Зависимость размаха от RVA, при RVF=0,1 мод/об (1,66 Гц)
Рисунок 13 – Зависимость амплитуды от RVA, при RVF=0,1 мод/об (1,66 Гц)
На рисунках 12, 13 представлены изменения средней амплитуды автоколебаний и среднего размаха в зависимости от различных значений RVA, при RVF=0,1 мод/об. Размах виброперемещений и амплитуда автоколебаний имеют минимальные значения при RVA=0,025%, а максимальные при значениях RVA=0,05%, следовательно, сначала в системе происходит подавление автоколебаний, а при увеличении значения RVA вновь возрастает и в дальнейшем имеет постепенно затухающий характер.
Рисунок 14 – Зависимость размаха от RVA, при RVF=0,2 мод/об (3,22 Гц)
Рисунок 15 – Зависимость амплитуды от RVA, при RVF=0,2 мод/об (3,22 Гц)
На рисунках 14, 15 представлены изменения средней амплитуды автоколебаний и среднего размаха в зависимости от различных значений RVA, при RVF=0,2 мод/об. Размах виброперемещений и амплитуда автоколебаний имеют изначально нарастающий характер по мере приближения к значению RVA=0,025%, а далее при увеличении данного параметра в системе замечается максимальное подавление автоколебаний и виброперемещений, а затем значения вновь возрастают.
Рисунок 16 – Зависимость размаха от RVA, при RVF=0,5 мод/об (8,31 Гц)
Рисунок 17 – Зависимость амплитуды от RVA, при RVF=0,5 мод/об (8,31 Гц)
На рисунках 16, 17 представлены изменения средней амплитуды автоколебаний и среднего размаха в зависимости от различных значений RVA, при RVF=0,5 мод/об. Здесь минимальные значения автоколебаний и виброперемещений формируются при значении RVA=0,03; 0,04; 0,05%, что является наилучшим результатом подавления автоколебаний и виброперемещений из выше представленных вариантов RVF.
Доказано опережение вибрационного следа на поверхности резания по фазе на четверть волны. Это создает условия свободной регенерации автоколебаний, когда им не нужно подстраиваться к следу. Тогда амплитуда автоколебаний принимает максимально возможное значение, а их частота без учета демпфирования определяется собственной жесткостью токарного станка и жесткостью резания. В условиях нашего исследования этому случаю примерно соответствует частота вращения шпинделя 1037 об/мин.
С повышением или уменьшением частоты вращения шпинделя происходит увеличение или уменьшение фазового сдвига, вследствие чего происходит соответствующее изменение частоты, что приводит к снижению амплитуды автоколебаний.
При использовании модуляции по какому-либо закону, например, гармоническому, изменяется форма траектории относительного колебательного движения лезвия инструмента и заготовки. Из равномерной, при постоянной скорости резания, она преобразуется в неравномерную в течение цикла модуляции скорости с последовательным чередованием её постепенного нарастающее-убывающего растяжения и сжатия, характеризующегося изменением длины пути резания соседних колебаний. Наиболее эффективной для подавления автоколебаний является модуляция, при которой растянутые участки траектории текущих автоколебаний располагаются напротив сжатых участков траектории следа и наоборот. Этому условию отвечает значение RVF, равное половине количества зубьев инструмента.
В результате выполненной работы можно сделать следующие выводы:
1. Литературный обзор показал, что одним из наиболее перспективных способов подавления автоколебаний при точении нежестких деталей является применение модуляции скорости резания,
2. Экспериментальным путем установлено, что при точении с постоянной скоростью резания нежестких деталей амплитуда, частота и фаза автоколебаний зависят от частоты вращения шпинделя. В пределах каждой лепестковой зоны диаграммы динамической устойчивости частота и фаза автоколебаний непрерывно увеличиваются с ростом скорости резания, а их амплитуда максимальна при частоте вращения шпинделя, соответствующей условиям свободной регенерации (фазе +90º).
3. Опыты показали, что модуляция скорости резания способствует подавлению автоколебаний. При выбранном значении частоты модуляции с увеличением её глубины происходит последовательное периодическое снижение и возрастание амплитуды автоколебаний. Это позволяет на практике опытным путем найти сочетание параметров модуляции скорости резания для практически полного гашения автоколебаний.
4. Результаты опытов позволили дать теоретическое объяснение механизма регенерации автоколебаний при резании с постоянной и модулированной скоростью, что создает основу для разработки эффективных приемов гашения автоколебаний.
1. Taylor F (1907) On the Art of Cutting Metals. Transactions ASME 28:231-248.
2. Tlusty J, Polacek M (1957) Besipiele der behandlung der selbster-regten Schwingung.
3. Tobias SA, Fishwick W (1958) Theory of Regenerative Machine Tool Chatter. The Engineer 205.
4. Amosov I.S. Oscillograficheskoe issledovanie vibraciy pri rezanii metallov / I.S. Amosov // Tochnost' mehanicheskoy obrabotki i puti ee povysheniya: sb. nauchn. tr. - M. -L. Mashgiz, 1951. svinin
5. Svinin V.M. Frezerovanie s modulirovannoy skorost'yu rezaniya ID № 06506 ot 26.12.2001 Irkutskiy gosudarstvennyy tehniche-skiy universit 664074, Irkutsk, ul Lermontova, 83.
6. Svinin V.M. Vybor parametrov modulyacii skorosti rezaniya dlya gasheniya regenerativnyh avtokolebaniy. //Vestnik SamGTU, Seriya «Tehnicheskie nauki». - 2006. - № 41 - s. 135-142
7. Quintana G, Ciurana J. Chatter in machining processes: a review // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2011. Vol. 51. P. 363-376. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2011.01.001
8. Gabor Stepan, Adam K. Kiss, Behnam Ghalamchi, Jussi Sopanen, Daniel Bachrethy Chatter avoidance in cutting highly flexible workpieces // CRIP Annals - Manufacturing Technology 66 (2017) 337-380.
9. El'yasberg M.E. Avtokolebaniya metallorezhuschih stankov: Teoriya i praktika. SPb.: OKB stankostroeniya. 1993. 180 s.
