Проблема борьбы с вибрациями при механической обработке имеет большое значение в металлообрабатывающей промышленности. Вибрации являются фактором, ограничивающим производственные возможности станка и режущую способность инструмента. Кроме того, они в ряде случаев отрицательно сказываются на качестве обработанной поверхности деталей.
По результатам исследований, приведенным в [1], можно судить, что вибрации при механической обработке металлов зависят не только от процесса резания, но и от структуры самой колебательной системы, что особенно актуально при обработке конструктивно сложных изделий типа корпусов. Известно [2], что в состав технологической системы при механической обработке входят такие элементы как станок, приспособление, инструмент и деталь (система СПИД). Жесткость технологической системы зависит от большого числа параметров. Однако основное влияние на процесс резания оказывают относительные колебания двух ее компонентов или подсистем – подсистем инструмента и заготовки, которые имеют свои особенности, в частности, различные массы, силы сопротивления и собственные частоты колебаний. При колебательном процессе эти две упругие подсистемы связаны между собой переменной силой резания и лишь одна из них находится в состоянии автоколебательного движения. Вторая же подсистема, называемая присоединенной, находится в состоянии вынужденных колебаний, то есть ее движения полностью управляются силами, передающимися от основной автоколебательной подсистемы, и она полностью подчиняется законам вынужденного колебательного движения [1]. В большинстве случаев механической обработки одну из этих подсистем можно считать доминирующей. При обработке нежестких корпусных деталей доминирующей подсистемой является подсистема детали.
Целью работы является определение влияния геометрии и расположения элементов конструкции корпусных деталей на их виброустойчивость в процессе механической обработки. Полученные результаты помогут выявить элементы конструкции, которые снижают динамическую жесткость системы и интенсифицируют появление автоколебаний в процессе резания, что весьма актуально для принятия правильных конструкторских решений на этапе проектирования изделий.
При проектировании любой детали конструктор выполняет проектировочные и проверочные расчеты по требуемому количеству параметров, в числе которые зачастую имеется параметр жесткости, виброустойчивости детали. Одним из основных критериев работоспособности механизма является жесткость, которую необходимо обеспечить для правильной работы машины и виброустойчивости системы в целом. Однако зачастую при расчете детали ориентируются на условия ее работы в составе сборочной единицы, при этом не учитывается ее поведение при механической обработке. Для повышения жесткости детали конструктором предусматриваются различные ребра, утолщения стенки, двойные стенки и т.п. При механической обработке детали мы сталкиваемся с системой, отличающейся от системы, рассматриваемой конструктором, а именно с технологической системой СПИД, которая во время процесса механической обработки представляет собой замкнутую динамическую систему. Каждый элемент этой системы во время механической обработки включается в замкнутую цепь воздействия элементов друг на друга, что вызывает автоколебательные процессы [3].
Неотъемлемой частью технологического процесса обработки рассматриваемого типа деталей является операция фрезерования. Фрезерованием в корпусах обрабатываются различные плоскости, уступы, пазы. Процесс фрезерования отличается повышенной динамической неустойчивостью в сравнении с другими методами обработки поверхностей. При фрезеровании каждый зуб фрезы за один ее оборот находится в контакте с обрабатываемым материалом относительно малое время. Большую часть оборота он проходит по воздуху, не производя процесса резания. Для продолжения процесса стружкообразования вдоль всей длины заготовки зуб должен неоднократно врезаться в удаляемый слой материала, что сопровождается ударом материала о его режущую кромку [5].
Периодичность работы зубьев фрезы, переменная толщина и ширина среза (а, следовательно, и переменная площадь поперечного сечения среза), а также непостоянное число зубьев, одновременно находящихся в работе, вызывают переменное значение сил, моментов и мощности, необходимых для осуществления процесса стружкообразования. Все это усложняет процесс фрезерования по сравнению со всеми другими методами обработки металлов резанием [6].
Учет динамической характеристики процесса резания и трения значительно усложняет аналитический анализ устойчивости системы, так как нахождение этой характеристики в общем случае очень сложно. Математически она может быть описана при совместном решении уравнений упругости, пластичности, теплопередачи и уравнений, описывающих механические свойства материала в зависимости от его напряженного, теплового и деформационного состояний. Эти уравнения будут содержать «инерционные» члены, а также члены, учитывающие различного рода «вязкие» сопротивления, а также члены, учитывающие «силы упругости»
Упругие свойства сложных элементов технологических систем, состоящих из нескольких деталей (зачастую сложной конструкции), обычно невозможно определить одним коэффициентом жесткости, так как зависимость между силой и отжатием (её называют упругой характеристикой) нелинейная [7].
В исследованиях, результаты которых представлены в источниках [6, 7], эти коэффициенты используются в исследованиях и при расчетах как постоянные, в связи с чем не рассматривается возможность прогнозирования и расчета автоколебаний геометрически сложных корпусных деталей в процессе обработки. Изменение динамической жесткости детали в процессе обработки, в частности, вызванное переменной толщиной среза при фрезеровании винтозубой фрезой [9] приводит к неустойчивости всей технологической системы, а, следовательно, появлению колебательных процессов, отрицательно влияющих на точность и качество обработки.
Расчет величины прогиба в точке К при перемещении инструмента по пути фрезерования представим в виде графика, приведенного на рис. 4. Расчет осуществлен с помощью прикладной программы Excel. Как следует из графика, деформация уступа при перемещении фрезы в процессе обработки меняется, что свидетельствует об изменении динамической жесткости детали в процессе обработки уступа по его длине. Максимальный прогиб, при заданном базировании и закреплении детали, наблюдается посередине уступа. Одним из наиболее влияющих факторов, изменяющих динамическую жесткость, являются геометрические параметры детали: соотношение ее габаритных размеров, расположение, конфигурация и размеры конструктивных элементов (в конкретном случае – длина, толщина, высота уступа).
Проработка конструкции детали с учетом переменных динамических факторов, систематически возникающих при резании, позволяет повысить эффективность технологического процесса механической обработки.
Разработка математических моделей, используемых для определения параметров колебательных процессов, протекающих в нежестких корпусных деталях при механической обработке, с учетом непостоянства их динамической жесткости позволит с большей точностью выявить факторы, интенсифицирующие колебательный процесс. Использование при создании математической модели конкретной колебательной системы принципа переменности динамических коэффициентов жесткости ее отдельных элементов аналогично схеме, представленной на рис. 2, позволит определить влияние конструктивных параметров обрабатываемой заготовки на интенсивность автоколебаний. За счет этого появляется возможность управления колебательным процессом в подсистеме заготовки во время механической обработки.
1. Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов/ Под редакцией В.И. Дикушина В.И., Д.И. Решетова. - М.: МАШГИЗ, 1958. – 325 с.
2. Технология машиностроения: В 2 т. Т. 1. Основы технологии машиностроения /В.М. Бурцев, А.С. Васильев, А.М. Дальский и др. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 564 с.
3. Никитин Б.В. Расчет динамических характеристик металлорежущих станков. – М.: МАШГИЗ, 1962. – 275 с.
4. Косилова А.Г., Мещеряков Р.К., Калинин М.А. Точность обработки и припуски в машиностроении: Справочник технолога. – М.: Машиностроение, 1976. – 420 с.
5. Аршинов В.А., Алексеев Г.А. Резание металлов и режущий инструмент. – М.: Машиностроение, 1964. – 394 с.
6. Тлустый Иржи. Автоколебания в металлорежущих станках. – М.: МАШГИЗ, 1956. – 245 с.
7. Вибрации в технике. Справочник. В 6 т. Т. 2. Колебания нелинейных механических систем/ Под ред. И.И. Блехмана. – М.: Машиностроение, 1979. – 376 с