УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИЙ НЕЖЕСТКОЙ ЗАГОТОВКИ, ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ФРЕЗЕРОВАНИЕМ

Заявляемое устройство относится к машиностроению, а именно к технологической оснастке, и может быть использовано при обработке фрезерованием нежестких заготовок.
При обработке фрезерованием длинномерных или тонкостенных заготовок зачастую возникают вибрации заготовки из-за ее низкой жесткости. Вибрации ухудшают чистоту поверхности и точность обработки, и могут приводить к непригодности изготовленной детали или необходимости ее ручной слесарной доработки.
Для снижения вибраций нежесткой заготовки в процессе обработки используют дополнительную технологическую оснастку, оказывающую заготовке дополнительную поддержку, тем самым повышая ее жесткость.
Известны устройства, которые используют в качестве дополнительных опор при фиксации заготовки на столе станка для оказания заготовке дополнительной поддержки в точках ее наименьшей жесткости. Примерами подобных устройств являются винтовой домкрат, винтовая подпорка (изображена на фигуре 1, см. Горошкин А.К. Приспособления для металлорежущих станков: Справочник. - 7-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - 303 с. Стр.83-84; см. также ГОСТ 1559-67. Подпорки винтовые для станочных приспособлений. Конструкция; см. также Черпаков Б.И. Технологическая оснастка: учебник для учреждений сред. проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 288 с. Стр 36-37, 40), упор-люнет (Новожилов Э.Д. Приспособления в единичном производстве. - М.: Машиностроение, 1983. - 69 с. Стр.58), узел укрепления (Под. ред. Вардашкин Б.Н. Данилевский В.В. Станочные приспособления: Справочник. В 2-х т., Т.2. - М.: Машиностроение, 1984. - 656 с. Стр. 500-501, рис 115) и т.п. Подобные устройства устанавливают вручную при фиксировании заготовки на столе станка. Дополнительные опоры не позволяют перемещаться тем точкам заготовки, которые они поддерживают, создавая усилие реакции опоры при оказании силового воздействия на заготовку. Тем самым дополнительные опоры увеличивают жесткость заготовки, препятствуют ее деформациям и вибрациям при обработке. Недостатком подобных устройств являются значительные затраты времени на установку дополнительных опор вручную. Кроме того, время на обработку возрастает вследствие необходимости обходить режущим инструментом дополнительные фиксирующие элементы, а также производить перестановку фиксирующих элементов и заготовки.
Известны устройства для фиксации нежестких заготовок сложной формы, которые проектируют и изготавливают с целью выполнения одной или нескольких операций обработки для определенного изделия, так называемые специальные приспособления. Специальное приспособление может включать сложные поддерживающие и фиксирующие элементы, учитывающие индивидуальные особенности формы конкретного изделия, но при этом не может быть использовано для фиксации заготовок изделий другой формы. Специальные приспособления применяют в условиях массового и крупносерийного производства (Черпаков Б.И. Технологическая оснастка: учебник для учреждений сред. проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 288 с. Стр 11; см. также Ансеров М.А. Приспособления для металлорежущих станков. - Изд-е 4-е. - Л.: Машиностроение, 1975 г. Стр. 637). Недостатком данных устройств являются большие временные и финансовые затраты на проектирование и изготовление специальных приспособлений индивидуально для каждого типа изготавливаемых изделий, что неприемлемо в условиях мелкосерийного и опытного производства.
Известен блок самоустанавливающихся опор, содержащий корпус, в отверстиях которого размещены опоры на упругих элементах и втулки, контактирующие внутренней поверхностью с опорами, а также сухари, расположенные с возможностью взаимодействия одним концом с опорами и другим концом с болтами. При установке заготовки сложной формы каждая из опор занимает нужное положение в соответствии с формой заготовки, будучи прижата к поверхности заготовки упругим элементом, после чего положение опоры фиксируется затягиванием болта, который прижимает сухарь к боковой поверхности опоры (Горошкин А.К. Приспособления для металлорежущих станков: Справочник. - 7-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - 303 с. Стр.86). Недостатком данного устройства является его низкая производительность, обусловленная большими затратами времени на фиксацию опор по отдельности в заданном положении вручную.
Известен блок самоустанавливающихся опор, в котором фиксация опор в достигнутом положении производится автоматически. Для этого в отверстиях блока самоустанавливающихся опор могут быть установлены катушки индуктивности, соединенные между собой параллельно, и отверстия заполняются жидкостью с введенными мелкодисперсными ферромагнитными частицами. Для фиксации положения опор на катушки индуктивности подается электрическое напряжение, возникшее магнитное поле вызывает затвердение жидкости с введенными ферромагнитными частицами, которое фиксирует опоры в достигнутом положении (Патент RU 2277466С2, МПК B23Q 3/155, дата публикации 20.02.2006). Недостатками данного устройства является необходимость постоянного электрического питания катушек индуктивности для удержания опор в фиксированном положении, а также сложность и высокая стоимость устройства.
Известен блок самоустанавливающихся опор, содержащий множество точечных опор, занимающих свои положения под действием давления устанавливаемой на них заготовки в соответствии со сложной формой поверхности заготовки, и механизма, осуществляющего фиксацию опор в занятых ими положениях. Корпус блока заполнен множеством небольших шаров, свободное пространство между которыми заполнено термопластичной резиной. Перед установкой заготовки содержимое корпуса нагревают, и резина становится пластичной. В процессе установки заготовки на опоры происходит перемещение опор, и соответствующее перемещение шаров вблизи опор. После установки заготовки производят охлаждение содержимого корпуса до нормальной температуры, резина твердеет, фиксируя шары и опоры в достигнутых ими положениях (Патент JP 2010188469 (А), МПК B23Q 3/02; B23Q 3/06, дата публикации 02.09.2010. Flexible Fixture). Недостатком данного устройства является то, что для установки крупногабаритной детали требуется устройство большого размера, кроме того, опоры лишь подпирают точки заготовки, но не удерживают их в фиксированном положении.
Известно устройство, позволяющее осуществлять зажим заготовки сложной формы жидкой средой с последующим охлаждением (Заявка Японии №62-40131, МПК B23Q 3/06, 1987 г.). Его недостатком является сложность устройства, необходимость рефрижераторной установки и длительный цикл зажима-разжима.
Известны магнитные прижимы и магнитные плиты, позволяющие производить фиксацию заготовки магнитными силами, при этом для фиксации заготовки сложной формы могут быть использованы передвижные полюсные надставки (Ансеров М.А. Приспособления для металлорежущих станков. - Изд-е 4-е. - Л.: Машиностроение, 1975 г. Стр.349; см. также электронный каталог фирмы Braillon Magnetics: магнитные станочные приспособления для фрезерования, электро-постоянные магнитные плиты Turbomill). Подобные устройства позволяют быстро осуществлять фиксацию заготовки с обеспечением большого числа дополнительных опор. Однако для установки крупноразмерной детали необходимо иметь дорогостоящую магнитную плиту большого размера. Другим недостатком использования магнитных сил для фиксации заготовки является затрудненное удаление стружки из зоны обработки вследствие того, что стружка прилипает к намагниченной заготовке и самим магнитам. Остаточная намагниченность изготовленной детали может препятствовать ее успешной эксплуатации. Кроме того, фиксацию магнитными силами можно производить только для заготовок из ферромагнитного материала.
Известно устройство для вакуумного закрепления заготовки (Ансеров М.А. Приспособления для металлорежущих станков. - Изд-е 4-е. - Л.: Машиностроение, 1975 г. Стр. 352-354). Прижим заготовки к опорной поверхности, повторяющей форму поверхности заготовки, осуществляется силой атмосферного давления за счет создания полости с разреженным воздухом между заготовкой и опорной поверхностью, в результате заготовку фиксируют по всей ее поверхности, и вибраций заготовки при обработке не происходит. Недостатком данного устройства является необходимость изготовления опорной поверхности, повторяющей форму заготовки, а также необходимость в наличии установки для создания вакуума.
Известно устройство для оказания нежесткой длинномерной заготовке дополнительной поддержки в процессе обработки, включающее пару опор, перемещаемых вдоль заготовки приводами с числовым программным управлением (Патент US 2008/0178719 А1, МПК B23B 23/00; B23B 25/00, дата публикации 31.07.2008. Workpiece Machining Apparatus). В процессе обработки опоры перемещают согласованно с перемещениями режущего инструмента. Недостатком данного устройства является его сложность и высокая стоимость, а также необходимость составления управляющих программ не только для режущего инструмента, но и для управляемых опор.
Все вышеперечисленные устройства для оказания нежесткой заготовке дополнительной поддержки в процессе обработки и снижения ее вибраций жестко фиксируют точки поверхности заготовки в определенных положениях, препятствуя их перемещениям и тем самым повышая жесткость заготовки и снижая амплитуду ее вибраций. В результате все вышеописанные устройства помимо недостатков, указанных для каждого устройства по отдельности, имеют также следующие общие недостатки. Во-первых, погрешности при изготовлении и установке дополнительных фиксирующих приспособлений приводит к соответствующему ухудшению точности изготовления детали (этого недостатка не имеют блок самоустанавливающихся опор и устройство для зажима жидкой средой с последующим охлаждением). Во-вторых, жесткая фиксация точек заготовки в определенных положениях во время обработки приводит к ухудшению точности изготовления вследствие коробления детали. В процессе резания в поверхностном слое заготовки накапливаются остаточные напряжения. При этом из-за жесткой фиксации во многих точках заготовка не может деформироваться в процессе обработки. В результате чистовой проход инструмента, формирующий окончательную поверхность детали, производится при наличии в заготовке значительных внутренних напряжений. После освобождение детали из фиксирующих приспособлений происходит перераспределение напряжений, и деталь деформируется (изгибается и скручивается), отклоняясь от заданной формы, что приводит к ухудшению точности изготовления.
Известно устройство для снижения амплитуды вибраций конструкции, называемое динамический виброгаситель (или инерционный демпфер). Принципиальная схема динамического виброгасителя показана на фигуре 2. Исходная нежесткая конструкция изображена в виде груза 1, закрепленного через пружину 2 на неподвижном основании. Предполагается, что исходная конструкция подвергается внешнему переменному силовому воздействию, вызывающему ее нежелательные вибрации, которые требуется устранить. Вибрации будут особенно интенсивными, если частота внешнего силового воздействия будет близка к собственной частоте колебаний конструкции, т.е. будет наблюдаться резонанс. Динамический виброгаситель представляет собой небольшой механический резонатор, изображенный в виде груза 3 на пружине 4, который прикрепляется к исходной конструкции. Вибраций исходной конструкции возбуждают вибрации закрепленного на ней виброгасителя, который начинает оказывать на конструкцию обратное воздействие. Если собственная частота колебаний виброгасителя совпадет с частотой внешнего силового воздействия, действующего на исходную конструкцию, виброгаситель начнет колебаться в противофазе с внешним воздействием и противодействовать ему. В результате внешнее воздействие и воздействие со стороны виброгасителя компенсируют друг друга, равнодействующая сила, действующая на исходную конструкцию, близка к нулю, и ее вибрации практически полностью исчезают. Таким образом, для эффективной работы динамического виброгасителя необходимо настроить его, т.е. обеспечить совпадение собственной частоты колебаний виброгасителя и частоты вибраций исходной конструкции. Существенно, что при совпадении собственной частоты колебаний виброгасителя и частоты внешнего воздействия виброгаситель снижает вибрации конструкции независимо от частотных характеристик самой конструкции. На фигуре 3 изображена частотная характеристика исходной конструкции без виброгасителя и с использованием виброгасителя, собственная частота которого совпадает с собственной частотой исходной конструкции. Динамический виброгаситель практически полностью подавляет вибрации конструкции лишь в узком диапазоне частот, близких к его собственной частоте колебаний, вне этого диапазона снижения вибрации не происходит. Динамические гасители колебаний широко применяются в технике для подавления колебаний сооружений (небоскребов, мостов, заводских труб, проводов ЛЭП и т.п.) и конструкций. При этом в большинстве случаев динамический виброгаситель проектируется так, чтобы он имел значительное внутреннее трение, а его собственная частота колебаний была близка к собственной частоте колебаний рассматриваемой конструкции (Патент US 989958, дата публикации 30.10.1909. Device for damping vibrations of bodies., см. также Ден-Гартог Дж.П. Механические колебания. - М.: Государственное Издательство Физико-Математической Литературы, 1960 г.).
Известно устройство, в котором динамический виброгаситель используют для снижения вибраций режущего инструмента. Виброгаситель состоит из цилиндрического груза (инерционного тела), установленного на паре резиновых колец в полости внутри корпуса оправки или фрезы. Между грузом и стенками корпуса имеется зазор, заполненный жидкостью, позволяющий грузу совершать колебания и подавлять вибрации инструмента. Виброгаситель предназначен для использования с инструментом определенного диаметра и вылета. Параметры груза и резиновых колец выбирают таким образом, чтобы собственная частота колебаний груза была близка к собственной частоте колебаний инструмента с определенным диаметром и вылетом (Патент US 5413318, МПК F16F 7/00, дата публикации 09.05.1995). Использовать подобное устройство для снижения вибраций обрабатываемой заготовки затруднительно. Для этого необходимо выбирать параметры виброгасителя в соответствии с собственной частотой колебаний заготовки, соответственно, требуется получить, расчетными или экспериментальными методами, частотную характеристику заготовки. Проведение анализа частотных характеристик для каждой изготавливаемой детали приведет к увеличению времени изготовления детали, особенно в условиях мелкосерийного и опытного производства. Кроме того, возможности использования виброгасителя, настроенного на конкретную собственную частоту колебаний заготовки, ограничены тем, что частотная характеристика заготовки меняется в процессе обработки по мере удаления материала.
Известно устройство для снижения вибраций панели фюзеляжа самолета с целью улучшения ее звукоизолирующих характеристик, представляющее собой динамический виброгаситель, состоящий из гибкой пластины, которая в центре прикрепляется к панели фюзеляжа, и на обоих концах которой закреплены симметричные грузы, способные совершать колебания при изгибе пластины. Размеры пластины и вес грузов подбирают так, чтобы собственная частота колебаний грузов на пластине достигала нужного значения, обеспечивающего наилучшее снижение вибраций колебаний панели фюзеляжа, подвергающейся воздействию звуковых волн определенной частоты (Waterman E.H., Kaptein D., Sarin. S.L. Fokker's activities in cabin noise control for propeller aircraft. SAE TR Ser. №830736, 1983). Данное устройство не может быть использовано для снижения вибраций фрезеруемой заготовки, т.к. частота силового воздействия фрезы на заготовку может быть различной, в то время как описанное устройство позволяет снижать вибраций конструкции от воздействия определенной известной частоты. Кроме того, данное устройство позволяет снижать вибрации конструкции только одной определенной частоты, в то время как вибрации обрабатываемой заготовки возбуждаются одновременно на нескольких частотах.
Известно устройство для снижения вибраций панели звукоизолирующего барьера, представляющее собой динамический виброгаситель, содержащий набор механических резонаторов в виде набора поперечных балок со свободными концами, закрепленных на центральном стержне (Патент US 4373608, МПК H02K 5/24; F16F 7/00; G10K 11/16; H01F 15/02, дата публикации 15.02.1983. Tuned Sound Barriers). Звуковой барьер предназначен для подавления шума от механизмов, которые генерируют звуковые волны на небольшом числе отдельных постоянных по значению частот колебаний, в частности, от электрических трансформаторов. Основным источником шума трансформатора являются колебания его сердечника, которые возбуждаются воздействием переменного электрического тока, и передаются другим элементам трансформатора и его основанию. Вследствие этого частота периодического силового воздействия, возбуждающего вибрации конструкции, равна удвоенной частоте сети, т.е. 120 Гц (в Северной Америке сетевая частота составляет 60 Гц). Трансформатор излучает звук только на этой частоте и на ее гармониках: 120 Гц, 240 Гц, 360 Гц, 480 Гц. Для снижения вибраций панели звукового барьера на ней закрепляют динамический виброгаситель, содержащий набор механических резонаторов со значениями собственных частот колебаний, равными частотам нескольких первых гармоник периодического внешнего силового воздействия, т.е. 120 Гц, 240 Гц, 360 Гц, 480 Гц. Каждый резонатор представляет собой поперечную балку в виде металлической пластины со свободными концами, закрепленной в центре на общем центральном стержне. Пластины изготовлены так, чтобы их концы поднимались над панелью и могли свободно совершать колебания, не касаясь панели и друг друга. Каждый резонатор эффективно подавляет вибрации панели только одной конкретной частоты, равной его собственной частоте колебаний. Требуемая собственная частота колебаний резонатора обеспечивается подбором размеров пластины, из которой он состоит. Совместное функционирование набора из резонаторов с указанными выше значениями собственных частот колебаний обеспечивает снижение вибрации панели на всех частотах, на которых происходит возбуждение ее вибраций. Таким образом обеспечивают значительное улучшение звукоизолирующих свойств панели звукового барьера. Применение описанного устройства возможно именно благодаря тому, что возбуждение вибраций конструкции (панели) происходит на конкретной известной постоянной частоте (120 Гц) и кратной ей частотах. В случае изменяющейся частоты внешнего силового воздействия описанное устройство не будет функционировать из-за узкого рабочего частотного диапазона динамического виброгасителя. Данное устройство принято за прототип. Однако данное устройство не может быть применено для снижения вибраций фрезеруемой заготовки, т.к. частота воздействия на заготовку со стороны фрезы может быть различной, и согласование между собственной частотой виброгасителя и частотой внешнего силового воздействия не будет обеспечено, соответственно, снижения вибраций происходить не будет. Кроме того, описанное устройство обладает следующими недостатками. Для обеспечения высокой эффективности динамического виброгасителя и расширения его рабочего частотного диапазона желательно использовать виброгасители большой массы. Реализация виброгасителя с нужной массой и собственной частотой колебаний в виде пластины, закрепленной в центре и имеющей свободные концы, приведет к устройству слишком больших габаритов, что неудобно или даже неприемлемо в условиях ограниченной по размером рабочей зоны станка, в которой также располагаются прочие агрегаты и приспособления. Кроме того, настройка виброгасителя, т.е. корректировка его собственной частоты колебаний с целью получения ее требуемого значения, возможна лишь путем изменения размеров пластины, из которой изготовлен виброгаситель, в результате процесс настройки сложен и длителен.
Резание металла требует значительного силового воздействия со стороны режущего инструмента на срезаемый материал. Фрезерование характеризуется прерывистостью процесса резания. В процессе фрезерования фреза оказывает на обрабатываемую заготовку переменное периодическое силовое воздействие. Если заготовка не обладает достаточной жесткостью, то воздействие со стороны фрезы может вызывать ее интенсивные вибрации. Низкой жесткостью обладают длинномерные заготовки, или заготовки, имеющие тонкостенные элементы. На фигуре 4 в качестве примера нежесткой, склонной к вибрациям заготовки приведена заготовка лопатки компрессора газотурбинного двигателя. В качестве другого примера на фигуре 5 приведена длинномерная заготовка консоли крыла аэродинамической модели, обладающая низкой жесткостью, склонная к вибрациям и требующая дополнительной поддержки при обработке. Низкая жесткость является характерной особенностью большинства деталей авиационной промышленности.
Частота периодического силового воздействия фрезы на заготовку равняется частоте удара режущего зуба фрезы, т.е. произведению частоты вращения фрезы на число зубьев фрезы. Форма импульсов воздействия зависит от технологических параметров обработки, при этом, как правило, импульсы имеют пилообразную форму (фигура 6). Это означает, что в спектре силового воздействия фрезы помимо первой гармоники с частотой, равной частоте удара зуба фрезы, присутствуют также гармоники более высокого порядка с частотами, кратными частоте удара зуба (фигура 7). В результате возбуждение вибраций заготовки происходит на нескольких частотах - частоте удара зуба и кратных ей частотах. При этом обрабатываемая заготовка имеет не одну, а несколько собственных частот колебаний. Особенно интенсивные вибрации наблюдаются в случае резонанса, когда частота одной из гармоник силового воздействия фрезы близка к одной из собственных частот колебаний заготовки.
В результате вибраций нежесткой заготовки в процессе обработки фрезерованием на обработанной поверхности могут образовываться волнистость и выбоины, кроме того, происходит смещение получаемой обработанной поверхности от заданной поверхности детали, т.е. вибрации приводят к ухудшению чистоты обработанной поверхности и точности обработки. На фигуре 8 показаны дефекты на поверхности изготовленной лопатки компрессора газотурбинного двигателя, образовавшиеся в результате вибраций лопатки при обработке, приводящие к негодности детали. Борьба с вибрациями нежестких заготовок является актуальной задачей аэрокосмической и энергетической промышленности.
Задачей и техническим результатом полезной модели является разработка устройства, снижающего вибрации нежесткой заготовки при ее обработке фрезерованием. Получение заявляемого технического результата улучшает чистоту обработанной поверхности, точность обработки детали и позволяет сократить время обработки за счет использования более интенсивных режимов резания.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в устройстве для обработки фрезерованием нежесткой заготовки, содержащем динамический виброгаситель, образованный набором механических резонаторов, выполненных в виде поперечных балок, закрепленных на центральном стержне, причем основание стержня выполнено в виде усеченного конуса, прикрепленного к обрабатываемой заготовке, а на концах балок установлены грузы с возможностью их перестановки по длине балок.
Для прототипа входящие в его состав механические резонаторы выполнены в виде балок со свободными концами. Регулировка собственной частоты колебаний таких резонаторов возможна только путем изменения геометрических размеров балок, т.е. процесс регулировки сложен и длителен.
Для заявляемого устройства наличие грузов на концах поперечных балок с возможностью их перестановки вдоль длины балки позволяет легко и быстро регулировать собственную частоту колебаний механических резонаторов. Кроме того, наличие грузов на концах балок позволяет сделать устройство значительно компактнее, чем устройство с балками без грузов, что немаловажно, т.к. размер рабочей зоны станка ограничен, и в ней, помимо виброгасителя, должны также располагаться прочие приспособления и осуществляться перемещения режущего инструмента.
На фигуре 1 схематично изображена винтовая подпорка, используемая для оказания дополнительной поддержки нежесткой заготовке в процессе обработки.
На фигуре 2 показана принципиальная схема динамического виброгасителя.
На фигуре 3 приведен график, иллюстрирующий влияние динамического виброгасителя на частотную характеристику конструкции.
На фигуре 4 в качестве примера нежесткой заготовки, склонной к вибрациям при обработке, приведена заготовка лопатки компрессора газотурбинного двигателя.
На фигуре 5 в качестве примера длинномерной нежесткой заготовки, склонной к вибрациям и требующей дополнительной поддержки при обработке, приведена заготовка консоли крыла аэродинамической модели.
На фигуре 6 показана зависимость от времени t усилия F, действующего на обрабатываемую заготовку со стороны фрезы. Под F подразумевается компонента усилия, направленная по нормали к поверхности заготовки.
На фигуре 7 показан спектр периодического силового воздействия фрезы на обрабатываемую заготовку. f - частота, F - спектральная плотность амплитуды силового воздействия.
На фигуре 8 приведена фотография изготовленной лопатки газотурбинного двигателя, на поверхности которой вследствие вибраций лопатки при обработке образовались дефекты, приводящие к непригодности детали.
На фигуре 9 изображено конструкция заявляемого устройства.
На фигуре 10 изображен вариант конструкции заявляемого устройства, содержащий только одну поперечную балку с грузами, и обозначены конструктивные элементы устройства.
На фигуре 11 приведен чертеж варианта конструкции заявляемого устройства, содержащий только одну поперечную балку с грузами, и обозначены конструктивные элементы устройства.
На фигуре 12 приведены результаты теоретического расчета, подтверждающие получение заявленного технического результата при применении заявляемого устройства.
На фигуре 13 приведены результаты испытаний на экспериментальном стенде, подтверждающие получение заявленного технического результата при применении заявляемого устройства.
На фигуре 14 приведены результаты обработки лопатки газотурбинного двигателя без дополнительной поддержки, а также с прикрепленным динамическим виброгасителем, подтверждающие получение заявленного технического результата при применении заявляемого устройства.
Конструкция заявляемого устройства изображена на фигуре 9. Необходимое количество поперечных балок, входящих в состав устройства, определяется исходя из конкретных условий применения устройства, в частотности, устройство может содержать только одну поперечную балку с грузами на концах. На фигурах 10 и 11 в целях упрощения восприятия изображен вариант конструкции, содержащий только одну поперечную балку с грузами на концах. На фигурах 9, 10, 11 цифрами обозначены конструктивные элементы устройства. Устройство состоит из центрального стержня 5, набора поперечных балок 6 (для варианта конструкции, изображенного на фигурах 10, 11, имеется только одна поперечная балка), закрепленных на центральном стержне, и грузов 7, установленных на концах каждой из поперечных балок. В основании стержня, выполненного в форме усеченного конуса, имеется площадка 8, за которую вся сборка приклеивается клеем к обрабатываемой заготовке. Поперечные балки имеют отверстия в центре и надеты на центральный стержень. Центральный стержень имеет резьбу 9, и пакет поперечных балок жестко фиксируется на стержне гайками 10 и 11, при этом поперечные балки отделены от гаек и друг от друга промежуточными шайбами 12. Каждый из грузов состоит из пары брусков 13 и 14, которые закрепляются на пластине с помощью стягивающих бруски винтов 15.
Каждая из балок с грузами на концах является механическим резонатором с определенной собственной частотой колебаний. Совокупность собственных частот колебаний всех резонаторов, входящих в состав виброгасителя, образует набор собственных частот колебаний виброгасителя. Количество резонаторов, которое должен содержать виброгаситель, определяется количеством гармоник периодического силового воздействия фрезы, которые необходимо скомпенсировать для обеспечения эффективного снижения вибраций заготовки. Собственные частоты колебаний механических резонаторов, входящих в состав устройства, регулируют (путем перестановки грузов по длине поперечных балок) так, чтобы их значения были равны частотам нескольких первых гармоник периодического внешнего силового воздействия фрезы на обрабатываемую заготовку. При совпадении собственной частоты колебаний динамического виброгасителя с частотой внешнего переменного силового воздействия на конструкцию, виброгаситель начинает вибрировать в противофазе с внешним воздействием, противодействуя ему. Воздействие на заготовку со стороны фрезы становится скомпенсированным воздействием со стороны виброгасителя. В результате, равнодействующая сила, действующая на заготовку, становится близка к нулю, и, соответственно, существенно снижается амплитуда вынужденных вибраций (Ден-Гартог Дж.П. Механические колебания. - М.: Государственное Издательство Физико-Математической Литературы, 1960 г.). В рассматриваемой задаче возбуждение колебаний происходит на нескольких кратных частотах, однако для каждой частоты воздействия из опасного диапазона частот имеется соответствующая равная ей собственная частота колебаний одного из механических резонаторов виброгасителя. Таким образом, виброгаситель осуществляет противодействие на всех опасных частотах возбуждения и практически полностью компенсирует импульсное внешнее силовое воздействие на заготовку со стороны фрезы, тем самым снижая вынужденные вибрации заготовки.
Различным положениям грузов по длине балки, т.е. различным значениям расстояния от точки установки грузов до оси центрального стержня, соответствуют разные значения собственной частоты колебаний механического резонатора, образованного балкой с грузами. Для изменения собственной частоты колебаний одного из резонаторов необходимо для соответствующей балки с грузами ослабить затяжку винтов, стягивающих бруски грузов, так, чтобы грузы можно было передвигать вдоль балки, затем переместить грузы в новые положения и вновь затянуть винты, установив грузы в новых положениях. Предпочтительно устанавливать грузы на обоих концах балки симметрично, однако возможно также устанавливать грузы на разных концах балки в разное положение. Отрегулировать собственную частоту колебаний рассматриваемого резонатора можно эмпирически. Постепенно меняя положения грузов вдоль балки и измеряя получаемые значения собственной частоты колебаний рассматриваемого резонатора, можно подобрать положение грузов, обеспечивающее требуемое значение собственной частоты колебаний этого резонатора. Собственные частоты колебаний всех резонаторов виброгасителя можно отрегулировать по очереди.
Форма поперечного сечения центрального стержня и поперечных балок, а также способ крепления поперечных балок к стержню не существенен. Как альтернатива приведенной на фигуре 9 конструкции, центральный стержень может иметь форму гладкого цилиндра с отверстиями, при этом поперечные балки могут иметь цилиндрическую форму, быть пропущены в отверстия на центральном стержне и зафиксированы на нем фиксирующими винтами. Конструкция груза также не существенна, необходимо лишь, чтобы она обеспечивала надежную установку груза на поперечной балке, и при этом допускала возможность перестановки груза вдоль балки.
Приведенная конструкция устройства предполагает его крепление на заготовке с помощью клея, однако возможны другие варианты крепления: магнитными силами, вакуумной присоской, хомутом и т.п., важно, чтобы средство крепления надежно закрепляло устройство на заготовке, и при этом по завершении обработки устройство могло быть легко отделено от нее.
n
e
n
n
e
i
1
Заявляемое устройство можно использовать для снижения вибраций нежесткой заготовки при ее обработке фрезерованием следующим образом. Сначала необходимо выбрать частоту вращения фрезы для рассматриваемой операции обработки. Частота периодического силового воздействия фрезы равняется частоте удара зуба фрезы, и может быть рассчитана как произведение частоты вращения фрезы на число зубьев фрезы. Далее необходимо отрегулировать собственные частоты колебаний механических резонаторов в виде балок с грузами, входящими в состав динамического виброгасителя. Собственные частоты колебаний резонаторов должны быть равны частотам нескольких первых гармоник внешнего силового воздействия на заготовку со сторону фрезы. Т.е. собственные частоты колебаний резонаторов должны быть равны f=nf, n=1,2,3…k, где f - собственная частота колебаний резонатора номер n, f - частота удара зуба фрезы, k - число резонаторов, входящих в состав виброгасителя, f=zf, z - число зубьев фрезы, f - частота вращения фрезы. Необходимое количество резонаторов, которое должен содержать виброгаситель, определяется диапазоном частот, в пределах которого могут возникать нежелательные вибрации заготовки. Возможны случаи, когда достаточно снизить вибрации только от первой гармоники внешнего силового воздействия, тогда виброгаситель может содержать только одну поперечную балку. Перед началом обработки виброгаситель с отрегулированными собственными частотами резонаторов приклеивают (за предназначенную для этого площадку) клеем к поверхности заготовки в точке наименьшей жесткости заготовки. Для заготовки, напоминающей пластину, закрепленную с обоих концов, точкой наименьшей жесткости можно считать центр пластины. При необходимости можно прикрепить к заготовке несколько виброгасителей в разных местах. Как правило, определенная производственная операция включает обработку заготовки только с одной стороны, в этом случае виброгаситель следует прикреплять к заготовке с обратной стороны, тогда он не будет препятствовать обработке заготовки и движению фрезы. При последующей обработке заготовки необходимо строго придерживаться ранее выбранной частоты вращения фрезы. По окончании обработки виброгаситель отделяют от заготовки, разрушая клеевое соединение.
При выбранном значении частоты вращения фрезы частоты гармоник спектра внешнего силового воздействия, действующего на обрабатываемую заготовку со стороны фрезы и возбуждающего ее вибрации, совпадают с собственными частотами колебаний механических резонаторов виброгасителя, и вибрации резонаторов противодействуют соответствующим им гармоникам внешнего воздействия, компенсируя их, в результате суммарное воздействие на заготовку со стороны фрезы и со стороны виброгасителя близко к нулю, и вибрации заготовки почти отсутствуют. Если же изменить частоту вращения фрезы, согласование между собственными частотами резонаторов виброгасителя и частотами гармоник воздействия нарушится, и виброгаситель перестанет снижать вибрации заготовки. Для того, чтобы использовать иное значение частоты вращения фрезы, необходимо соответствующим образом заново отрегулировать виброгаситель. Виброгаситель, отрегулированный для определенной частоты вращения фрезы, может быть использован для оказания дополнительной поддержки и снижении вибраций любой заготовки в любой ее точке при условии, что обработка проводится с данной частотой вращения фрезы.
Получение заявленного технического результата при использовании заявляемого устройства подтверждено теоретическими расчетами, испытаниями на экспериментальном стенде и опытной обработкой с использованием заявляемого устройства.
Проведен теоретический расчет путем численного моделирования поведения заготовки в виде балки, закрепленной за оба конца, при наличии переменного периодического внешнего силового воздействия (использовался метод конечных элементов в программном пакете NASTRAN), результаты приведены на фигуре 12. Рассматривались случаи обработки балки без дополнительной поддержки (кривая 16), с дополнительной жесткой опорой (кривая 17) и с динамическим виброгасителем в виде поперечной балки меньшего размера со свободными концами (кривая 18). Воздействие прикладывалось по очереди в различных контрольных точках основной балки, и рассчитывалась амплитуда вынужденных вибраций балки в точке приложения воздействия для каждого из трех рассматриваемых случаев. На графике приведены полученные значения амплитуды вибраций балки А, в зависимости от х - расстояния от края балки до контрольной точки. Из графика видно, что настроенный динамический виброгаситель, прикрепленный к балке в центре, снижает вибрации по всей ее длине, и эффект от его использования практически эквивалентен эффекту от установки в той же точке дополнительной жесткой опоры, что позволяет называть заявляемое устройство «динамическая опора».
Проведены испытания на экспериментальном стенде. В качестве нежесткой заготовки использовалась реальная заготовка лопатки турбокомпрессора. Вибрации заготовки возбуждались с помощью вибровозбудителя, закрепленного на заготовке. Амплитуда вибраций заготовки измерялась акселерометром. Результаты приведены на фигуре 13. Частота силового воздействия вибровозбудителя на заготовку варьировалась, и результирующая амплитуда вибраций заготовки измерялась для различных значений частоты внешнего силового воздействия, таким образом, была получена частотная характеристика заготовки без дополнительной поддержки, а также с прикрепленным виброгасителем, f - частота воздействия, А - соответствующая амплитуда колебаний лопатки. Из графика видно, что при прикреплении виброгасителя в частотной характеристике заготовки появляется ярко выраженный провал на частоте, равной собственной частоте колебаний резонатора виброгасителя (615 Гц), что соответствует практически полному отсутствию вибрации заготовки при такой частоте внешнего воздействия. Если установить частоту воздействия, равной собственной частоте колебаний резонатора виброгасителя, то, при прикреплении к заготовке виброгасителя, амплитуда ее вибраций снижается в 80 раз по всей поверхности заготовки. Приведенные частотные характеристики, полученные экспериментально, хорошо согласуются с теоретическими зависимостями (фигура 3).
Для подтверждения получения заявленного технического результата проведена обработка тонкой нежесткой лопатки газотурбинного двигателя, как без дополнительной поддержки, так и с прикрепленным к ней виброгасителем. Сначала обработку вели без виброгасителя. При обработке центральной зоны лопатки, в которой жесткость заготовки минимальна, возникли интенсивные вибрации заготовки. Амплитуда вибраций измерялась закрепленным на заготовке акселерометром. Вибрирующая лопатка генерировала звон высокой частоты, отчетливо слышимый на фоне низкочастотных шумов цеха. Обработка была приостановлена и к заготовке был приклеен виброгаситель, должным образом отрегулированный в соответствии с частотой вращения фрезы. Затем обработка была продолжена, и наблюдалось, что звон исчез, а акселерометр показал снижение амплитуды вибраций заготовки в 15 раз. Измеренные спектры вибраций заготовки при обработке без дополнительной поддержки, а также при обработке с прикрепленным виброгасителем, показаны на фигуре 14, f - частота, А - амплитуда вибраций заготовки.