В механической обработке вибрации , также называемые вибрациями , представляют собой относительные движения между заготовкой и режущим инструментом . Вибрации приводят к возникновению волн на обработанной поверхности. Это влияет на типичные процессы обработки, такие как токарная обработка , фрезерование и сверление , а также на нетипичные процессы обработки, такие как шлифование .
След вибраций — это неровный дефект поверхности, оставленный кругом, который смещен от истинного положения (смещен от центра) при шлифовании [1] или регулярные следы, оставленные при точении длинной детали на токарном станке из-за вибраций обработки.
Еще в 1907 году Фредерик Тейлор описал вибрацию при механической обработке как наиболее неясную и деликатную из всех проблем, стоящих перед машинистом , и это наблюдение справедливо и сегодня, как показано во многих публикациях по механической обработке.
Объяснение регенеративной вибрации станка дал Тобиас. С.А. и В. Фишвик в 1958 году [2] путем моделирования петли обратной связи между процессом резки металла и конструкцией станка и разработали диаграмму лепестков устойчивости. Жесткость конструкции, коэффициент демпфирования и коэффициент демпфирования процесса обработки являются основными параметрами, определяющими предел, при котором вибрация процесса обработки может увеличиваться со временем.
Математические модели позволяют достаточно точно моделировать вибрацию станка, однако на практике избежать вибраций всегда сложно.
Основные правила для станочника по предотвращению вибрации:
Использование высокоскоростной обработки (HSM) позволило повысить производительность и реализовать детали, которые раньше были невозможны, например, тонкостенные детали. К сожалению, машинные центры менее жесткие из-за очень высоких динамических движений. Во многих случаях, например, при работе с длинными инструментами и тонкими заготовками, появление вибраций является наиболее ограничивающим фактором и вынуждает станочника снижать скорости резания и подачи значительно ниже возможностей станков или инструментов.
Проблемы с вибрацией обычно приводят к шуму, ухудшению качества поверхности, а иногда и к поломке инструмента. Основные источники бывают двух типов: вынужденные колебания и самогенерируемые колебания. Вынужденные вибрации в основном возникают в результате прерывистого резания (присущего фрезерованию), биения или вибраций снаружи станка. Самогенерируемые вибрации связаны с тем, что фактическая толщина стружки зависит также от взаимного положения инструмента и заготовки во время предыдущего прохода зуба. Таким образом, возрастающая вибрация может достигать уровня, который может серьезно ухудшить качество обработанной поверхности.
Промышленные и академические исследователи [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] широко изучали вибрацию при механической обработке. Были разработаны специальные стратегии, особенно для тонкостенных заготовок, путем чередования небольших проходов обработки, чтобы избежать статического и динамического изгиба стенок. Длина режущей кромки, контактирующей с заготовкой, также часто уменьшается, чтобы ограничить собственные вибрации.
Моделирование сил резания и вибраций, хотя и не совсем точное, позволяет смоделировать проблемную обработку и снизить нежелательные эффекты вибрации. Умножение моделей, основанных на теории лепестков устойчивости, которая позволяет найти наилучшую скорость шпинделя для обработки, дает надежные модели для любого вида обработки.
Моделирование во временной области рассчитывает положение заготовки и инструмента в очень малых временных масштабах без большого ущерба для точности процесса нестабильности и моделируемой поверхности. Эти модели требуют больше вычислительных ресурсов, чем модели лепестков устойчивости, но дают большую свободу (законы резания, биение, вспашка, модели конечных элементов). Моделирование во временной области довольно сложно робастифицировать , но в исследовательских лабораториях в этом направлении ведется большая работа.
В дополнение к теории лепестков устойчивости использование инструмента с переменным шагом часто дает хорошие результаты при относительно низких затратах. Производители инструментов все чаще предлагают эти инструменты, хотя на самом деле это не совместимо с сокращением количества используемых инструментов. Другие направления исследований также являются многообещающими, но зачастую требуют серьезных модификаций, чтобы их можно было использовать в обрабатывающих центрах. Два вида программного обеспечения очень перспективны: моделирование во временной области, которое пока не дает надежных прогнозов, но должно развиваться, и экспертное программное обеспечение для вибрационной обработки, прагматично основанное на знаниях и правилах.
Обычный метод настройки процесса обработки по-прежнему в основном основан на исторических технических ноу-хау и методе проб и ошибок для определения наилучших параметров. В зависимости от конкретных навыков компании в приоритетном порядке изучаются различные параметры, такие как глубина резания, траектория движения инструмента, настройка заготовки и геометрическое определение инструмента. При возникновении проблемы с вибрацией информацию обычно запрашивают у производителя инструмента или продавца программного обеспечения CAM ( автоматизированное производство ), и они могут предложить лучшую стратегию обработки заготовки. Иногда, когда проблемы с вибрацией представляют собой слишком большой финансовый ущерб, можно обратиться к экспертам, чтобы они после измерений и расчетов прописали скорость шпинделя или модификацию инструмента.
По сравнению с промышленными интересами коммерческие решения встречаются редко. Для анализа проблем и предложения решений свои услуги предлагают лишь немногие эксперты. Предлагается вычислительное программное обеспечение для лепестков устойчивости и измерительных устройств, но, несмотря на широкую огласку, оно остается относительно редко используемым. Наконец, датчики вибрации часто интегрируются в обрабатывающие центры, но используются они в основном для диагностики износа инструментов или шпинделя. Держатели инструментов нового поколения и особенно держатели инструментов с гидравлическим расширением в значительной степени минимизируют нежелательное воздействие вибрации. Прежде всего, точный контроль общего показания индикатора до уровня менее 3 микрометров помогает снизить вибрации благодаря сбалансированной нагрузке на режущие кромки, а небольшая вибрация, возникающая на них, в основном поглощается маслом внутри камер держателя гидравлического расширительного инструмента.
Вибрация при обработке часто исходит от держателя инструмента, имеющего высокое соотношение L/D и низкую жесткость. Усиление державки инструмента карбидом вольфрама широко используется, когда диаметр/вес инструмента небольшой, а стоимость карбида вольфрама невысока. При более длинном вылете при L/D от 4 до 14 необходим массовый демпфер для эффективного гашения вибрации с помощью силы, противодействующей конструкции инструмента. Демпфер массы простой формы имеет тяжелый груз (сделанный из вольфрама или свинца), поддерживаемый резиновыми кольцами, с механизмом настройки или без него. Механизм настройки позволяет демпферу охватить более широкий диапазон отношения L/D (связанный с частотой вибрации). Более совершенный демпфер массы режущих инструментов использует вязкую жидкость или демпфирующее масло для повышения эффективности демпфирования при заданном соотношении L/D (частота вибрации). В новейших демпферах массы режущих инструментов используются специальные полимеры, жесткость которых зависит от частоты, и эти полимеры используются для самонастройки/регулировки для покрытия более широкого соотношения L/D.
Станки со встроенными датчиками, которые могут измерять вибрацию при обработке и обеспечивать обратную связь для автоматической настройки демпфера массы, уже продемонстрированы в лабораторных масштабах. Развертывание таких решений все еще зависит от простоты их использования и стоимости.