Жесткость и вибрации при обработке

Возникающие при резании металла нагрузки воспринимаются, с одной стороны, инструментом и приспособлением для его крепления, а с другой — деталью и приспособлением для ее установки и крепления. Возникающие нагрузки передаются приспособлениями на узлы и механизмы станка.

Образуется замкнутая система: станок — приспособление — инструмент — деталь.

В процессе обработки детали сила резания не остается постоянной из-за изменения сечения среза, припуска на обработку, неравномерности механических свойств материала обрабатываемой детали и режима обработки. К изменению силы резания приводят также затупление и износ режущего инструмента, наростообразование и ряд других факторов. Под действием изменяющихся сил резания и трения элементы системы деформируются, изменяя тем самым условия резания, трения и условия работы двигателя.

Характер изменения условий обработки детали зависит от жесткости системы, т. е. способности препятствовать перемещению ее элементов при воздействии на них нагрузок. Жесткость является одним из основных критериев работоспособности станка и его точности под нагрузкой.

Колебания или вибрации при резании можно разделить на два вида:

• вынужденные, когда причиной колебаний является периодически действующие возмущающие силы;
• автоколебания, возникающие без воздействия периодически возмущающих сил.

Возмущающими силами вынужденных колебаний могут быть неуравновешенные части станка (шкивы, зубчатые колеса, валы); дефекты в передаточных звеньях, неуравновешенность обрабатываемой детали или неравномерный припуск на обработку и другие факторы.

Основными источниками возникновения автоколебаний являются изменение сил резания вследствие неоднородности механических свойств обрабатываемого материала; появление переменной силы резания за счет срыва наростов; изменение сил трения на поверхностях инструмента из-за изменения скорости резания в процессе работы; следы вибраций от предыдущего прохода, вызывающие изменение сил резания и упругие деформации обрабатываемой детали и резца и др.

На интенсивность автоколебаний оказывают влияние физико-механические свойства обрабатываемого материала, параметры режимов резания, геометрические параметры инструмента, жесткость отдельных элементов и всей системы, зазоры в отдельных звеньях системы.

С увеличением скорости резания вибрации сначала возрастают, а затем уменьшаются. При увеличении глубины резания амплитуда колебаний возрастает, а с увеличением подачи — уменьшается. С увеличением главного угла резца в плане φ амплитуда колебаний уменьшается. Вибрации возрастают при увеличении радиуса r закругления резца. Износ резца по задней поверхности усиливает вибрации. Чем больше вылет резца из резцедержателя и меньше размеры державки резца в поперечном сечении, тем меньше жесткость системы и больше вибрации, причем чем выше скорость резания, тем интенсивнее влияние вылета резца на увеличение вибраций.

Установленные зависимости влияния различных факторов на вибрации указывают на пути их уменьшения. Однако эти пути не всегда являются рациональными. Например, увеличение главного угла в плане, хотя и уменьшает вибрации, но вместе с тем увеличивает интенсивность износа режущего инструмента и т. д. Поэтому необходимо найти такие средства уменьшения вибраций, которые не снижали бы производительности.