Демпфирование колебаний несущей системы многошпиндельных фрезерных станков

УДК 621.9.047.002.2

ДЕМПФИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ МНОГОШПИНДЕЛЬНЫХ

ФРЕЗЕРНЫХ СТАНКОВ

Е.А. Несмеянов

В статье описаны вибрационные явления, возникающие при высокоскоростной обработке. Классифицированы основные типы вибраций, проявляющиеся при двухшпиндельной компоновке обрабатывающих центров. Приведены типы демпфирующих устройств

Ключевые слова: вибрации станков, двухшпиндельное фрезерование, демфирующие устройства

Современная машиностроительная промышленность уделяет большое внимание вибрационным явлениям, ставшими одними из главных препятствий на пути дальнейшего повышения точности и качества обработки. Возникающие при работе станка колебания существенно влияют на погрешность формы, шероховатость, износ трущихся поверхностей, стойкость инструмента и тд. Поэтому точность и качество поверхности деталей, обрабатываемых на современных металлорежущих станках, в значительной степени определяются условиями ограничения колебаний, что в ряде случаев сопряжено с большими трудностями и дополнительными затратами. Вертикально-фрезерные станки, в силу специфики их компоновки и периодичности процесса фрезерования в большей мере, чем другие станки, подвержены самовозбуждению вибраций. Наличие большого числа подвижных и не подвижных соединений, а так же сложная конфигурация узлов несущей системы, значительно усложняют исследование виброустойчивости таких станков. Внешняя возмущающая сила, как правило, возникает вследствие периодических врезания и выхода зубьев обрабатывающей фрезы. Основными видами вибрационных воздействий в станках являются вынужденные и са-мовозбуждающиеся колебания или автоколебания. Анализу колебательных процессов, протекающих в станках при резании и на холостом ходу, посвящены многочисленные исследования, среди которых можно отметить работы А. П. Соколовского, И. А. Дроздова, А. Н. Каширина, С.С. Кедрова, В. А. Кудинова, Д. Н. Решетова, И. Тлусты, М.Л. Орликова, М.Е. Эльясберга и других.

Вынужденные колебания небольших амплитуд всегда имеют место в системах и узлах станков и возникают только при наличии изменяющегося во времени внешнего силового или кинематического возмущения. Источниками внешних возмущений силового характера в станках являются работающие электро- и гидродвигатели, неуравновешенные вращающиеся детали и узлы, насосы гидросистем и смазки, неоднородность и неравномерность припусков обрабатываемых заготовок,

Несмеянов Евгений Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. 89155482668

переменность сечения срезаемого слоя при фрезеровании и т. п., также к источникам внешних кинематических воздействий можно отнести оснований фундаментов от различных посторонних источников, работающих вблизи станка и т. п.

При механической обработке в некоторых случаях возникают интенсивные колебания, амплитуда которых быстро возрастает. В случае менее интенсивных колебаний можно наблюдать, что амплитуда быстро устанавливается, достигнув определенной величины. В большинстве же случаев колебания носят столь интенсивный характер, что приходится прекращать резание, в связи, с чем амплитуда так и не достигает установившегося значения. Частота таких колебаний очень близка к частоте одного из главных видов собственных колебаний сложной колебательной системы станка. Во всех этих случаях имеют место автоколебания, при которых колебательная система поглощает энергию, затрачиваемую в процессе резания главным приводом станка [4]. Т.е. автоколебания характерны тем, что энергия, необходимая для поддержания колебаний, вносится в систему самим процессом.

При автоколебаниях периодически изменяется сечение стружки, возникает периодически меняющаяся сила резания, а на обрабатываемой поверхности появляются следы от проходов обрабатывающего инструмента, причем срезаемая стружка имеет четко выраженную переменную толщину, а иногда раздроблена на отдельные кусочки.

Возникновения автоколебаний бывает столь значительным, что приводит к серьезным нагрузкам на детали станка и в большинстве случаев создает серьезную опасность для прочности всего станка. Автоколебания нельзя допускать и с точки зрения стойкости режущей кромки инструмента, в особенности при работе твердосплавными инструментами, и поэтому при появлении автоколебаний продолжать обработку нельзя

Многообразие случайных источников возмущений в станках формирует довольно плотный спектр воздействий, что приводит к появлению колебаний не только с основными частотами возмущений, но и на собственных частотах системы. Низшие частоты собственных колебаний верхних узлов станков обычно составляют 30... 50

Гц, средние — 70... 120 Гц. Значения высших собственных частот колебаний достигают 140... 180 Гц, а иногда 200... 250 Гц. Для многошпиндельных токарных полуавтоматов эта максимальная граница достигает 400...450 Гц.

Основной причиной возникающей при высокоскоростном фрезеровании вибраций наличие контакта режущих кромок фрезы с материалом заготовки. Отчасти это правильно, но не учитывает некоторых основополагающих моментов, поскольку при непосредственном контакте возникают вынужденные вибрации и дробление или автоколебания.

Точно так же автоколебания при механической обработке является результатом не столько непосредственного контакта режущих кромок инструмента с заготовкой (т.е. соударений), сколько непрерывного взаимодействия между этими соударениями и уже обработанной поверхностью. Данная поверхность обладает волнистостью, полученной от предыдущего прохода инструмента и при-

сутствующей даже в том случае, если она выглядит зеркальной. Таким образом, вибрация, возникающая при соударениях режущих кромок инструмента с поверхностью заготовки, является одним компонентом автоколебаний, а отмеченная выше волнистость обработанной поверхности - другим. Оптимальная область частот вращения шпинделя (далее оптимальная область) представляет собой ту его частоту вращения, при которой оба этих компонента удачно сочетаются между собой. Иногда вибрации становятся настолько интенсивными, что исключают работу на данном режиме резания. Кроме того, на практике во многих случаях вибрации ограничивают производительность станка, заставляя работать на пониженных оборотах и меньших глубинах резания. При использовании многошпиндельных фрезерных станков помимо вышеперечисленных вибраций в системе на определенных частотах вращения шпинделей возникает взаимное усиление автоколебаний. При воздействии на шпиндель периодической нагрузки с определенной частотой, вызванной вибрациями, возникающими при соударениях режущих кромок инструмента с поверхностью заготовки и взаимодействием инструмента с волнообразной поверхностью особенно значительные колебания будут возникать в том элементе станка, который имеет собственную частоту, близкую к этой частоте или кратную ей [2]. А так как второй фрезерный шпиндель дублирует те же операции, выполняемые другим шпинделем, соответственно на определенных скоростях и глубинах резания два шпинделя могут значительно усиливать автоколебания друг друга. Итак, явление автоколебаний наступает тогда, когда частота возмущающей силы равна частоте собственных колебаний системы. При высокоскоростной обработке алюминия, во время возникновения явления автоколебаний, ухудшается в первую очередь качество обрабатываемой поверхности и снижается срок службы высокоскоростных шпинделей.

Рассмотрим основные меры борьбы с вибрациями типа автоколебаний. Все применяемые меро-

приятия условно можно разделить на технологические и конструктивные. Технологические мероприятия включают изменение в определенных направлениях режимов резания и геометрии инструмента, конструктивные заключаются в применении специальных приспособлений и устройств или в повышении жесткости узлов станка. Первая группа мероприятий проще для осуществления, но подчас связана со снижением производительности, ухудшением качества поверхности или оказывается недостаточно эффективной. Вторые мероприятия более трудоемки, но дают и более хорошие и устойчивые результаты.

К технологическим мероприятиям относятся:

1. Изменение скорости резания. Значительное повышение скорости резания часто позволяет устранить самовозбуждающиеся вибрации. Так при скоростном фрезеровании указанный результат получается уже при работе в интервале скоростей 80100м/мин; реже приходится достигать скоростей в 150-180м/мин. Однако при очень высоких скоростях резания могут начать сказываться вибрации от дефектов передач или дисбаланса быстровращаю-щихся частей, что особенно важно при чистовых методах обработки. Иногда увеличить скорость не позволяют ограниченные возможности инструмента и станка, - тогда скорость резания приходится снижать.

2. Изменение подачи и глубины резания. При фрезеровании увеличение подачи при одновременном уменьшении глубины резания ведет к уменьшению вибраций.

3.Улучшение чистоты рабочих поверхностей инструментов и применение смазывающих жидкостей. Ослабление вибраций при этом достигается за счет некоторого уменьшения сил резания.

К конструктивным мероприятиям относятся:

1. Повышение жесткости всех элементов системы СПИД. Увеличение жесткости затрудняет возникновение не только автоколебаний, но и вообще каких бы то ни было вибраций, так как при этом повышается частота собственных колебаний системы и, следовательно, понижается интенсивность (амплитуда) вибраций.

2. Рассеивание энергии колебаний системы (демпфирование). Наиболее эффективным методом уменьшения взаимовлияний высокоскоротных шпинделей является внедрение в конструкцию демпфирующих систем, призванных поднять производительность обрабатывающего центра за счет подавления возникающих колебаний.

Демпфер (нем. Dämpfer — глушитель, от dämpfen — заглушать) — устройство для гашения (демпфирования) колебаний или предотвращения механических колебаний, возникающих в машинах и приборах при их работе.

На данный момент разработано достаточное количество демпфирующих систем, которые можно классифицировать на 3 основных вида: активные и пассивные, а так же гибридные системы.

Срелства защиты от вибраіиш

Схема 1. Обобщенная классификация демпфирующих систем

Пассивная система, как правило, имеет простую и надежную конструкцию, например, демпферы сухого трения, виброгасители ударного действия, и др. Активные системы (см. рис. 1), имеющие собственные источники энергии, не редко включает в себя элементы пассивных систем, а также использует дополнительную пару, состоящую из акселерометра и электромагнитного привода, что позволяет достигнуть исключительно высокую степень поглощения колебаний, или наличие вибрационного сенсора и актуатора, генерирующего силовые противофазные колебания, направленные на вибрирующий узел станка. Классификация активных демпфирующих систем представлена на схеме 2.

Рис. 1. Обобщенная структура активных демпфирующих систем

демпфирующей системы

Выбор типа демпфирующего устройства определяется конструкцией станка, его динамическими характеристиками, сравнительной эффективностью конструкции устройства и экономической целесообразностью его применения. Для достижения наибольшего эффекта необходимо правильно определить место установки устройства и его оптимальные параметры, обеспечивающие минимальные амплитуды колебаний узлов станка.

Для уменьшения взаимовлияний высо-

коскоростных шпинделей друг на другу можно предложить конструкцию гидравлического демпфера, хорошо зарекомендовавшую себя в системах гашения вибраций.

На рис. 2 приведена схема электрогидравличе-ской виброзащитной системы с силовым цилиндром двойного действия. В этой схеме сигналы от датчиков ускорения 1 и относительного смещения 2 подаются в усилитель 3 с электрическим питанием 4. Усилитель вырабатывает сигнал, управляющий движением золотника 5, который регулирует подачу через каналы 6, 7 малосжимаемой рабочей жидкости в силовой цилиндр 8. Поток рабочей жидкости через золотник регулируется по ускорению, относительной скорости, относительному смещению и интегралу относительного смещения. Коэффициенты усиления по каждому каналу обратной связи настраиваются независимо.

Статическая жесткость пассивного гидравлического возбудителя высока в связи с малой сжимаемостью рабочей жидкости. Поэтому между изолируемым объектом и штоком гидроцилиндра устанавливают упругую прокладку 9. Динамическая жесткость системы мала в связи с уменьшением гидравлического сопротивления потоку рабочей жидкости через дросселирующие отверстия колеблющегося золотника. При замыкании цепи обратной связи можно получить собственную частоту системы, значительно меньшую 1 Гц [3].

При оптимальной настройке демпфера (позволяющей получись наименьшую резонансную амплитуду колебаний узла) и присоединении его непосредственно к несущей системе станка амплитуда резонансных колебаний снижается в 6 раз [1].

Литература

1. Повышение демпфирования колебаний в приводе подач\Под ред. В.С. Ренисамова- М., 1987. - 320 с.

2. Потапов В.А. Проблемы вибраций при высокоско-

ростном фрезеровании алюминия в авиакосмической промышленности и способы их решение / В.А. Потапов // MODERN MACHINE SHOP [Электронный ресурс]. - Электрон. журн. - 2001. - № 1. - С. 14-24. Режимдосту-

па:М1р://%'%гмг.т81х-81ап.сотЛш1гитеп1/81ай/81а11_56.Ь1т1

3. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т.- М.: Машиностроение, 1981. - Т.6. Защита от ударов и вибраций/ Под ред. К. Д. Фролова. 1981. 456 с.

4. Тлусты И. Автоколебания в металлорежущих станках/ И. Тлусты М.: Машиностроение, 1986. - 394 с.

Схема 2. Классификация активных демпфирующих систем

Воронежский государственный технический университет

DAMPING FLUCTUATIONS OF BEARING SYSTEM MANY SPINDLE OF MILLING MACHINE TOOLS E.A. Nesmejanov

In article the vibrating phenomena arising at high-speed processing are described. The basic types of vibrations shown at dual-spindle to configuration of the processing centres are classified. Are resulted type damping devices

Keywords: vibrations in machine tools, twin-spindle milling, damping devices