Жесткость и вибрации при токарной обработке

Обработка металла на токарных станках при определенных условиях может сопровождаться возникающими вибрациями. При этом падает качество изготовления, приходит в негодность режущий инструмент, узлы станка подвергаются интенсивному износу.

Особенно актуальна эта проблема для современного оборудования, работающего с большой производительностью и на высоких скоростях резания.

Основные сведения

Рассматривая условия возникновения вибраций, нужно учитывать жесткость всей обрабатывающей системы. А это: сам токарный станок, фундамент под станком, приспособления для различных условий точения, обрабатывающий инструмент, сама деталь и технология резания (СПИД-система).

При работе под нагрузкой происходит отклонение всех элементов системы от центральной оси вращения ненагруженного станка. Чем выше жесткость узлов станка и обрабатываемой детали, тем меньше величина их отклонений и тем лучше качество обработки: форма детали и шероховатость максимально приближены к заданным значениям. Жесткость системы также ограничивает максимальную массу заготовки

При недостаточной жесткости возникают вибрации, станок начинает «дробить», что приводит к понижению качества обработки. При этом, не всегда справедливо, что чем больше усилие резания, тем выше погрешность обработки. Вибрация может появляться и из-за сильного занижения рекомендованных технологией режимов резания, когда режущая кромка инструмента выходит за расчетные режимы и резание металла не происходит

На жесткость всей системы влияют временные факторы. В процессе обработки уменьшается сечение обрабатываемой детали, что приводит к снижению ее прочностных характеристик. Заготовка подвергается большему отклонению от оси вращения, при этом вибрации усиливаются.

Причины возникновения вибраций

• Колебания, вызванные работой соседнего оборудования. Эти нежелательные возмущения передаются через грунт, стенные и потолочные перекрытия. Устранение таких явлений заключается в усилении фундаментов, отрыва фундамента станка от общего фундамента цеха при помощи антивибрационных материалов (например песка), установке амортизационных прокладок.
• Дисбаланс различных частей токарного станка. Устраняется балансировкой или заменой изношенных вращающихся частей станка. Сбалансированность заготовки достигается установкой дополнительных грузов.
• Технологические отклонения при изготовлении зубчатых передач оборудования. При этом возникают возмущающие систему механические силы, передающиеся на силовые элементы станка. В ременных передачах возникновению вибраций способствуют некачественные сшивки.
• Прерывистый характер резания. Частое чередование режимов обработки приводит к толчкам и вибрациям. Если такая работа станка обуславливается технологическим режимом, то для устранения нежелательных явлений необходимо преднамеренное увеличение прочности детали.
• Собственные колебания при обработке. Вполне сбалансированная обрабатывающая система может без видимых на то причин вызывать сильные вибрации. Это связано с явлением резонанса. Собственная частота колебаний работающего станка совпадает с частотой колебаний окружающего оборудования, самого здания. Для устранения такого явления нужно изменить режим резания и возможно технологию.

Вибрация, измеряемая частотой колебаний в секунду, характеризуется жесткостью системы. При увеличении этого параметра, частота колебаний увеличивается, а амплитуда уменьшается. Вибрация становится менее заметной.

Факторы, влияющие на интенсивность вибраций

• При увеличении скорости резания интенсивность вибраций в первый момент возрастает (примерный график - на рисунке справа). По достижении скорости резания 80-150 м/мин вибрация начинает затихать. Конкретное значение скорости резания, при которой вибрация уменьшает свои значения, зависит от совокупности параметров режущей системы.
• Увеличение ширины среза усиливает амплитуду колебаний (вибраций).
• Увеличение подачи инструмента или толщины среза вызывает некоторое уменьшение вибраций.
• Применение резцов с небольшими углами, позволяющими производить большие подачи на высоких скоростях, приводит к увеличению амплитуды нежелательных колебаний.
• Уменьшая угол резания, можно добиться снижения интенсивности колебаний.

Методы уменьшения вибраций

При уменьшении вибраций происходит повышение точности изготовления деталей. Анализ технологического процесса позволяет определить погрешности обработки. На основе этих данных определяются методы устранения нежелательных процессов в обрабатывающей системе:

• Мероприятия по повышению жесткости:

1. Уменьшение величины выхода пиноли задней бабки.
2. Уменьшение вылета резца.
3. Затягивание клиньев суппорта и зажим каретки.
4. Загрузка поперечного суппорта.

• Увеличение подачи, скорости резания.
• Выбор наиболее подходящего резца и его правильной заточки.
• Обработка металла резцами с противовибрационной фаской. Принцип действия основан на трении фаски о поверхность детали, приводящем к уменьшению колебаний. Этот способ возможен при определенных сочетаниях размеров детали (длины и диаметра), формы резца, технологических режимов обработки.
• Балансировка дополнительных приспособлений с установленной деталью.
• Балансировка трехкулачковых патронов с планшайбой.
• Установка противовесов при точении несимметричных деталей.

Может возникнуть ситуация, когда ни одна из описанных выше мер не приводит к уменьшению вибраций. В этом случае устанавливаются виброгасители. Во фрикционных виброгасителях вибрацию гасят поджатые пружинами кулачки. В гидравлических виброгасителях все нежелательные колебания поглощаются рабочей жидкостью.

Для снижения вибраций при обработке длинномерных деталей применяются более простые способы. При обточке тонкостенной трубы ее заполняют песком или опилками. На длинный вал, зажатый в центрах, навешивают груз, принимающий на себя все колебания.

Большая роль в повышении качества выпуска продукции отводится токарю. Он правильно должен выбрать режим работы исходя из свойств заготовки (ее жесткости), характеристик станка (мощность электропривода), параметров заточки рабочего инструмента.