Анализ причин возникновения автоколебаний при механической обработке резанием

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК: 621.91.01

Абдурахманов А. У.

магистр, ГБОУ ВО РК КИПУ

Джемилов Э. Ш.

к.т.н., доцент, ГБОУ ВО РК КИПУ

АНАЛИЗ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ АВТОКОЛЕБАНИЙ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ

В статье рассматриваются влияние автоколебаний на процесс механической обработки резанием, отражены причины их возникновения, заключающиеся в зависимости коэффициента трения на передней поверхности инструмента, в отставании изменения силы резания от изменения толщины срезаемого слоя, в координатной связи перемещений инструмента, в изменении кинематических углов инструмента при колебаниях. Представлены результаты исследования влияния процесса демпфирования на виброустойчивость точения при низких скоростях с определением динамических коэффициентов сил резания. Проведен анализ методики оценки виброустойчивости при цилиндрическом фрезеровании в условиях возникновения регенеративных автоколебаний.

Ключевые слова: автоколебание, сила резания, коэффициент трения, демпфирование, виброустойчивость.

Постановка проблемы. Автоколебания при резании металлов относятся к самовозбуждающимся вибрациям, которые оказывают негативное влияние на стойкость инструмента, производительность, качество обработки и размерную точность. Автоколебания делятся на первичные, возбуждаемые при первом проходе инструмента, и на вторичные, которые возникают при срезании волнистости, оставленной на поверхности резания при предыдущем проходе инструмента [1]. Причинами появления первичных колебаний являются:

1. Зависимость коэффициента трения на передней поверхности инструмента от скорости, перемещающейся по ней стружки. В своих исследованиях И.Г. Жарков [2] показал, что нелинейная зависимость силы трения стружки от скорости резания не может являться причиной возникновения вибраций при резании, так как зависимость силы резания от скорости инерционна.

2. Отставание изменения силы резания от изменения толщины срезаемого слоя.

3. Координатная связь перемещений инструмента по взаимно перпендикулярным осям координат, которая приводит к движению колеблющийся инструмент по замкнутой эллипсообразной траектории.

4. Изменение кинематических углов инструмента при колебаниях.

Причины появления автоколебаний связаны с повторным возбуждением периодически изменяющейся толщиной стружки, вызванной волнистостью на поверхности резания, оставшейся после предыдущего прохода инструмента. Колебания, вызванные этой причиной, называют регенеративными автоколебаниями.

Цель статьи: выполнить анализ и раскрыть причины возникновения автоколебаний при обработке металлов резанием.

Изложение основного материала. Одним из первых указал на автоколебательную природу вибраций при точении Н.А. Дроздов. В его исследованиях было показано, что

волнистость, оставшаяся на поверхности резания при предыдущем обороте заготовки и сдвиг фаз между волнами при следующем обороте детали, является причиной появления вибраций. Появление первичной вибрации объяснялось переменностью сил резания, возникающих из-за неравномерности припуска, неодинаковой твердости обрабатываемого материала и других случайных причин.

Tlusty [3, 11] и Tobias [4] рассматривали условия возникновения регенеративных колебаний при врезном точении диска резцом с Л = 0° (рисунок 1).

Ь

/ \ \ \ \

Патрон\ Инструмент

Направл

\У

еподачи

Рисунок 1 - Одномерная модель ортогонального точения

В работе [4] были найдены условия устойчивой обработки, зависящие от частоты вращения шпинделя n. Эти зоны расположены выше асимптотической границы устойчивости и имеют вид, получивший название «лепестковой диаграммы устойчивости» (рисунок 2).

«Лепестковая диаграмма устойчивости» получена в соответствии с линейной теорией устойчивости, согласно которой в зоне неустойчивой обработки амплитуда автоколебаний должна неограниченно возрастать по экспоненте. Но на практике это не происходит, а амплитуда автоколебаний стабилизируется на определенном значении. Для выяснения механизма ограничения амплитуды колебаний Hanna и Tobias [5] исследовали устойчивость обработки в нелинейной постановке, приняв жесткость системы и статическую характеристику резания в виде полиномов третьей степени. Они определили, что эти нелинейности и ограничивают амплитуду автоколебаний.

Tobias [5] отметил, что коэффициент резания Kr может более точно представлен в виде комплексного числа, которое учитывает изменения в действительном переднем угле инструмента, наклона волнистости, которая осталась на внутренней и внешней поверхности стружки, и процесс демпфирования, возникающий из-за трения между задней поверхностью инструмента и волнистой поверхностью, образованной на рабочей поверхности [7] (рисунок 3).

Рисунок 2 - Лепестковая диаграмма устойчивости обработки

Рисунок 3 - Механизм процесса демпфирования в динамическом резании по Tlusty

Для того чтобы изучить процесс демпфирования в виброустойчивости, СГОР сформировала целенаправленную рабочую группу для установления динамических

коэффициентов резания с использованием испытательной установки, предложенной Peters, Vanherck van Brussel [6]. Tlusty из VUOSO-Prag и McMaster University, Vanherk, Peters и van Brussel из Katholieke University of Leuven, Weck из WZL TH Aachen и другие принимали участие в исследовании. Однако экспериментальная установка была ограничена низкими частотами колебаний и скоростями резания, и экспериментальные процедуры были слишком объемными для практического использования в производстве. Поэтому Y. Altintas, M. Eynian и H. Onozuka были проведены исследования влияния процесса демпфирования на виброустойчивость точения при низких скоростях и определены динамические коэффициенты силы резания на более современном оборудовании [7, 9, 10, 12]. На рисунке 4 показаны три графика виброустойчивости: первый построена только с учетом обработки по предыдущему вибрационному следу, второй - с учетом демпфирования пропорционального скорости, и третий - с учетом демпфирования пропорционального виброскорости и виброускорению.

2.0

£ £

g 1.5

& 1.0

ю

0.5

0.0

о И . учет виброскорости л внброускорения

.Д Оустойчшайе учет ВИбрОС корост 11 х ВИбр£1ЦИ И

—О—К-г* ОХ X \ " "

А-А

без учета вибрисжир(л;ти и виброуекорсния

0

1000 2000 3000 4000

Частота вращения шпинделя, об/мин

Рисунок 4 - Лепестковые диаграммы виброустойчивости без учета и с учетом составляющих демпфирования

Подробный анализ методик оценки виброустойчивости при фрезеровании в условиях возникновения регенеративных автоколебаний провел Altintas в работе [8]. Здесь рассматривается простая модель цилиндрического (концевого) фрезерования, показанная на рисунке 5.

Workpiece

CHATTER VIBRATION FORCED VIBRATION

vibration marks . u¡

left by tooth

X

static chip constant chip load

iv lb ration marks ЖУ+ left by tooth

tooth

End milling system

Orienting the dynamic displacements in the chip load direction

Рисунок 5 - Динамика цилиндрического фрезерования

Группой Altintas и другими экспериментально проверялось прогнозирование лепестковой диаграммы устойчивости для значительного числа приложений от цилиндрической концевой фрезы до сферической концевой фрезы, фрезы с изменяемым шагом зубьев и конической сферической концевой фрезы.

Анализ описанных выше математических моделей и методов прогнозирования виброустойчивости обработки показывает, что они построены на ряде допущений и хорошо работают только в условиях большого угла контакта фрезы и заготовки, т.е. при черновом фрезеровании. В условиях финишного фрезерования, когда прерывистость обработки возрастает, точность прогнозирования снижается. Однако в этом случае возрастает роль вынужденных колебаний, вызванных периодическим врезанием зубьев, что особенно важно при высокой прерывистости обработки. В области низких скоростей вращения фрезы, представленные выше модели виброустойчивости, по-прежнему не учитывают роль задней поверхности в демпфировании колебаний, что уже исследовано при точении [7].

Выводы. Согласно проведенного анализа литературы установлено, что прогнозирование виброустойчивости по лепестковой диаграмме устойчивости работает только в условиях чернового фрезерования. При чистовом фрезеровании анализ виброустойчивости затрудняется высокой прерывистостью резания.

Литература

1. Подураев В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов / В. Н. Подураев. - М.: Высшая школа, 1974. - 587 с.

2. Жарков И. Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом / И. Г. Жарков. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. - 184 с.

3. Tlusty J. Besipiele der behandlung der selbsterregten Schwingung der Werkzeugmaschine / J. Tlusty, M. Polacek. - Munchen: FoKoMa, Hanser Verlag, 1957.

4. Tobias S.A. Theory of Regenerative Machine Tool Chatter / S.A. Tobias, W. Fiswick. -London: Engineering, 1958. - 258 p.

5. Hanna N.A. Theory of Nonlinear Regenerative Chatter / N.A. Hanna, S.A. Tobias // ASME Journal of Engineering for Industry. - 1974 - №35. - P. 247-255.

6. Peters, J. The Measurement of the Dynamic Cutting Coefficient/ J. Peters, P. Vanherck, H. Van Brussel // Annals of the CIRP. - 1971. -№ 21/2. - P. 129-136.

7. Altintas Y. Identification of Dynamic Cutting Force Coefficients and Chatter Stability with Process Damping / Y. Altintas, M. Eynian, H. Onozuka// CIRP Annals - Manufacturing Technology. - 2008. - №57. - P. 371-374.

8. Altintas Y. Chatter Stability in Metal Cutting and Grinding / Y. Altintas, М. Weck //Annals of the CIRP. - №53/2. - 2004. - P.619-642.

9. Weck M. Adaptive control for face milling operations with stretegies for chatter vibrations and for automatic cut distribution/ M. Weck // CIRP Annals. - 2007. -Vol. 24. -pp. 405- 410.

10. Weck M. Dynamisches Verhalten spanender Werkzeugmaschinen - Einflussgrossen, Beurteilungsverfahren, Messtechnik / M. Weck, K. Teipel. - Berlin, Heidelberg, New-York: Springer-Verlag. - 1977. - 345 p.

11. Tlusty J. Analysis of the State of Research in Cutting Dynamics / J. Tlusty // Annals of the CIRP. - 1978. - Vol. 2. - рр. 583-589.

12. Sridhar R. A Stability Algorithm for the General Milling Process / R. Sridhar, R.E. Hohn, G.W. Long // Trans. ASME Journal of Engineering for Industry. - 1968. - Vol. 90. -pp. 330-334.

13. Капшунов В. В. Повышение виброустойчивости и производительности концевого фрезерования способом модуляции скорости резания [Электронный ресурс]: Дис. ... канд. техн. наук: 05.03.01 / Капшунов В. В. - Чита, 2003. - 192 с.

14. Качан А. Я. Снижение вибраций в зоне обработки нежестких, тонкостенных деталей ГТД при высокоскоростном фрезеровании / А. Я. Качан, Д. В. Павленко, Г. В. Карась, С. В. Карась // Вестник двигателестроения. - 2007. - №1. - С. 102-106.

15. Каширин А. И. Исследование вибраций при резании металлов / А. И. Каширин. -М.: Издательство АН СССР, 1944. - 132 с.

16. Кучма Л. К. Вибрации при работе на фрезерных станках и методы их гашения / Л. К. Кучма. - М.: Машгиз, 1959. - 72 c.

17. Маруи Е. Автоколебания токарных резцов. Часть 1. Основные характеристики автоколебаний / Е. Маруи, С. Эмма, С. Като // Тр. ASME. Конструирование. - 1983. - № 2. -С. 105-117.

18. Савоськина С. В. Повышение эффективности торцового фрезерования направленным воздействием на механизм регенеративного возбуждения колебаний [Электронный ресурс]: Дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08 / Савоськина Светлана Владимировна. - Иркутск, 2003. - 230 с.

19. Свинин В. М. Управление регенеративными автоколебаниями при фрезеровании на основе модуляции скорости резания [Электронный ресурс]: Дис. ... д-ра техн. наук: 05.03.01 / Свинин Валерий Михайлович. - Иркутск, 2008. - 342 с.

20. Шишов Г. Я. Исследование зависимости частоты и амплитуды автоколебаний от частоты вращения фрезы / Г. Я. Шишов // Станки и инструмент. - 1985. - №7. - С. 6-7.