Экспериментальное исследование эффективности новой конструкции упругого резца-виброгасителя

Леонтьев Б. В., Архипов Е. А.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ УПРУГОГО РЕЗЦА-ВИБРОГАСИТЕЛЯ

Для предотвращения отказов в ходе реализации технологических решений при механической обработке деталей машин на кафедре технологии машиностроения ИМАПТ реализуется идея устранения вибраций (являющихся одной их самых неудобных причин отказов) без изменения заданных технологом условий выполнения операции.

В результате исследований [1, 2, 3, 4,] работы упругих резцов-виброгасителей была выработана методика их проектирования. В частности, определены условия, при которых упругий резец способен гасить вибрации:

1. конфигурация инструмента должна быть такой, чтобы в полупериод врезания вершина резца двигалась (по оси К) в направлении движения заготовки, т. е. колебания двухмассовой системы становились синфазными (попутными, а не встречными - в противофазе), что достигается строго определенным расположением полюса поворота;

2. собственная частота колебаний упругого резца должна быть близка собственной частоте заготовки (в идеале они должны быть одинаковыми) - это обуславливается значениями величины жесткости (в направлении У) и величины массы головки резца.

Представленный резец оригинальной конструкции (рис. 1) был спроектирован так, чтобы удовлетворять этим условиям.

Камера

Передняя

Резц едержатель

Пружинная оправка резца Резец

Прокладка

Рис. 1. Упругий резец-виброгаситель на резцедержателе токарно-винторезного станка

Эксперименты проводились по следующей методике: сначала подготавливалась волнистая поверхность резания - точением при вибрационном режиме обычным резцом. Поэтому, работая "по волнистому следу", резец начинал испытывать вынужденные колебания. Но поскольку упругий резец-виброгаситель способен переводить встречные колебания (заготовки и головки резца) в попутные - (синфазные), то через несколько оборотов вибрации должны прекратиться.

В качестве регистрирующей аппаратуры использовались: 1. механический виброграф ВР-1 -для определения ключевых характеристик вибраций: амплитуды и частоты, 2. цифровая камера NIKON Р100 (комкордер), позволяющая осуществлять запись видео со скоростью до 240 кадров/с и серийную фотосъемку до 120 кадров/с - для регистрации траекторий колебательных движений элементов системы.

Пробные испытания работы упругого резца дали отрицательный результат - низкочастотные вибрации не устранялись.

Исходя из сказанного выше, пришлось проверять параметры резца по второму пункта условий виброгашения . С помощью вибрографа ВР-1 были определены собственные частоты системы

шпиндель-заготовка, тангенциального упругого резца (который дает наилучшие результаты по виброгашению) и резца новой конструкции. Результаты испытаний представлены на рис. 2.

ОТМЕТЧИК ВРЕМЕНИ

Рис. 2. Осциллограммы собственных частот заготовки и упругих резцов

Анализ полученных данных показал, следующее:

- собственная частота нового упругого резца выше частоты заготовки примерно на порядок; эффект виброгашения отсутствует;

- собственная частота тангенциального упругого резца (эффективно использующегося в течение ряда лет) в два с лишнем раза выше частоты заготовки, однако, этот резец дает прекрасный эффект виброгашения.

Для того, чтобы исправить положение, нами были предприняты следующие действия - во-первых, на оправе был сделан дополнительный разрез, еще больше увеличивший податливость резца, во-вторых, к оправке резца была прикреплена дополнительная масса. Эти меры, хотя и уменьшили собственную частоту резца, не привели к эффективным результатам.

Объяснить эту ситуацию, с нашей точки зрения, можно лишь тем обстоятельством, что резец изготавливался из прутка, последний изгибался кузнечным способом, т. е. с интенсивным нагревом. Следствием этого явилась повышенная прочность материала и отсюда - недостаточная податливость.

В ходе дальнейших опытов была реализована следующая идея - уменьшить жесткость упругой системы оправки резца посредством присоединения дополнительной пружины (при пружинах, соединенных последовательно, суммарная жесткость системы становится по значению меньше, чем жесткость каждого элемента).

Поскольку при проведении эксперимента не данном этапе была важно проверить принципиальную возможность виброгашения резцом новой конструкции, то в качестве дополнительной пружины бала использована прокладка (рис. 1), подкладываемая под резец для того, чтобы обеспечить положение вершины резца на линии центров. Прокладка была уперта в резцедержатель, таким образом, при отходе головки резца от заготовки, она пружинила. Поскольку таким образом была уменьшена жесткость резца и, следовательно, уменьшена его собственная частота, эффект виброгашения был достигнут.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Упругие резцы-виброгасители являются достаточно эффективным средством в борьбе с отказами вследствие возникающих автоколебаний упругой технологической система СПИД.

2. При проектировании упругих инструментов необходимо добиваться оптимальности их конструкций.

3. Испытанная конструкция требует как усовершенствования, так и продолжения исследований — экспериментальных и, очевидно, теоретических.

Для исследования эффективности работы спроектированного инструмента планируется в дальнейшем проведение серии экспериментов с целью изучению кинематики процесса резания

упругим резцом данной конструкции, а также ее совершенствования. При опытах необходимо записать траектории колебаний заготовки и головки резца, а затем, по методике, разработанной доцентом Леонтьевым В.П., провести построения профиля виброволн и сравнить их с фактическими виброволнами на поверхности резания.

3. Испытания представленного образца позволили продумать схему более совершенного

инструмента (которая пока является нашим know how).

ЛИТЕРАТУРА

1. Леонтьев Б.В. 1. Исследования колебаний системы с двумя степенями свободы применительно к резанию упругими резцами. Сборник "Прогрессивные технологические процессы". - Кишинев.: Штиинца, 1975. С. 14-18.

2. Амосов И.С., Леонтьев Б.В. Некоторые результаты исследования вибраций при точении тангенциальными резцами. — Труды ЛПИ №298. Л.: Машиностроение, 1968. с. 12 - 15.

3. Леонтьев Б.В. Кинематика низкочастотных вибраций при обтачивании тангенциальными резцами. Межвузовский сборник "Исследование и оптимизация процессов механической обработки при автоматизации технологического проектирования", вып. 6. Владивосток.: Изд-во ДВПИ, 1975, с. 115 -122.

4. Леонтьев Б.В. Анализ динамики виброгашения упругим режущим инструментом. Надежность и эффективность процессов машиностроительного производства: Сб. науч. трудов, посвящ. юбилею двгту и АРТИ. Вып. 1 / Под ред. В.Г.Старостина. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1999 -с. 43 -51.

Леонтьев Б. В., Сафонова А. Н.

ТЕХНОЛОГИЧНЫЙ УПРУГИЙ РЕЗЕЦ-ВИБРОГАСИТЕЛЬ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ

На кафедре технологии машиностроения ДВГТУ, сотрудники которой в течение ряда лет проводили исследования автоколебаний технологической системы СПИД при резании металлов, создана концепция - как относительно физики происхождения (и развития колебаний в стационарные), так и относительно уменьшения интенсивности (или даже полного их устранения) -прежде всего, технологическими методами [1].

Один из достаточно простых и эффективных методов устранения вибраций низкой частоты при токарной обработке - применение упругих (пружинных) резцов при обтачивании (частный случай методики выключения суппорта из колебательной системы).

В практике машиностроения и при исследованиях на кафедрах технологии машиностроения ДВГТУ (ДВПИ имени В.В. Куйбышева) и СПбГТУ (ЛПИ имени М.И. Калинина) прошли испытания упругие резцы различных конструктивных исполнений (рис. 1). Экспериментальные испытания проводились со всеми модификациями показанных резцов, за исключением первого (рис. 1а) -поскольку его эффект виброгашения давно известен из практики машиностроения. (Остальные резцы являются оригинальными разработками [2, 3]).