В обработке вибрации , также называемые дребезгом , являются относительными движениями между заготовкой и режущим инструментом . Вибрации приводят к появлению волн на обработанной поверхности. Это влияет на типичные процессы обработки, такие как точение , фрезерование и сверление , а также на нетипичные процессы обработки, такие как шлифование .
Следы вибрации — это неровные дефекты поверхности, оставленные кругом, который находится не по центру при шлифовании [1] , или равномерные следы, оставленные при точении длинной детали на токарном станке из-за вибраций при обработке.
Еще в 1907 году Фредерик В. Тейлор описал вибрации при обработке как самую неясную и деликатную из всех проблем, с которыми сталкивается оператор станков , и это замечание актуально и сегодня, как показано во многих публикациях по обработке на станках.
Объяснение регенеративного вибраций станков было сделано Тобиасом. СА и В. Фишвиком в 1958 году [2] путем моделирования обратной связи между процессом резки металла и структурой станка, и пришло с диаграммой лепестков устойчивости. Жесткость структуры, коэффициент затухания и коэффициент затухания процесса обработки являются основными параметрами, которые определяют предел, при котором вибрация процесса обработки склонна увеличиваться со временем.
Математические модели позволяют достаточно точно имитировать вибрацию при обработке, однако на практике избежать вибраций всегда сложно.
Основные правила для машиниста по предотвращению вибраций:
Использование высокоскоростной обработки (HSM) позволило увеличить производительность и реализовать заготовки, которые ранее были невозможны, например, тонкостенные детали. К сожалению, центры станков менее жесткие из-за очень высоких динамических движений. Во многих применениях, например, длинные инструменты, тонкие заготовки, появление вибраций является наиболее ограничивающим фактором и заставляет оператора снижать скорости резания и подачи значительно ниже возможностей станков или инструментов.
Проблемы с вибрацией обычно приводят к шуму, плохому качеству поверхности и иногда к поломке инструмента. Основные источники бывают двух типов: вынужденные вибрации и самопроизвольные вибрации. Вынужденные вибрации в основном возникают при прерывистом резании (присущем фрезерованию), биении или вибрациях извне станка. Самопроизвольные вибрации связаны с тем, что фактическая толщина стружки зависит также от относительного положения инструмента и заготовки во время предыдущего прохода зуба. Таким образом, возрастающие вибрации могут достигать уровней, которые могут серьезно ухудшить качество обработанной поверхности.
Промышленные и академические исследователи [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] широко изучали вибрацию при обработке. Были разработаны специальные стратегии, особенно для тонкостенных заготовок, путем чередования небольших проходов обработки, чтобы избежать статического и динамического изгиба стенок. Длина режущей кромки, соприкасающейся с заготовкой, также часто уменьшается, чтобы ограничить самогенерируемые вибрации.
Моделирование сил резания и вибраций, хотя и не является абсолютно точным, позволяет моделировать проблемную обработку и снижать нежелательные эффекты вибрации. Умножение моделей на основе теории лепестков стабильности, позволяющее найти наилучшую скорость вращения шпинделя для обработки, дает надежные модели для любого вида обработки.
Моделирование во временной области вычисляет положение заготовки и инструмента в очень малых временных масштабах без больших потерь в точности процесса нестабильности и моделируемой поверхности. Эти модели требуют больше вычислительных ресурсов, чем модели лепестков стабильности, но дают большую свободу (законы резания, биение, пропахивание, модели конечных элементов). Моделирование во временной области довольно сложно сделать надежным , но в этом направлении ведется большая работа в исследовательских лабораториях.
В дополнение к теории лепестков стабильности, использование переменного шага инструмента часто дает хорошие результаты при относительно низкой стоимости. Эти инструменты все чаще предлагаются производителями инструментов, хотя это не совсем совместимо с сокращением количества используемых инструментов. Другие исследовательские направления также многообещающие, но часто требуют серьезных модификаций для практического применения в обрабатывающих центрах. Два вида программного обеспечения очень многообещающие: моделирование во временной области, которое пока не дает надежного прогноза, но должно прогрессировать, 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 знаниях и методе проб и ошибок для определения наилучших параметров. В соответствии с конкретными навыками компании в первую очередь изучаются различные параметры, такие как глубина резания, траектория инструмента, настройка заготовки и геометрическое определение инструмента. Когда возникает проблема вибрации, информация обычно запрашивается у производителя инструмента или продавца программного обеспечения CAM ( Computer-aided manufacturing ), и они могут дать лучшую стратегию обработки заготовки. Иногда, когда проблемы вибрации слишком серьезны для финансового ущерба, можно призвать экспертов, чтобы они назначили, после измерения и расчета, скорости шпинделя или модификации инструмента.
По сравнению с промышленными ставками коммерческие решения редки. Для анализа проблем и предложения решений свои услуги предлагают лишь немногие эксперты. Предлагается вычислительное программное обеспечение для лепестков устойчивости и измерительные приборы, но, несмотря на широкую рекламу, они по-прежнему используются относительно редко. Наконец, датчики вибрации часто интегрируются в обрабатывающие центры, но они используются в основном для диагностики износа инструментов или шпинделя. Держатели инструментов нового поколения и особенно держатели гидравлического расширения в значительной степени минимизируют нежелательные эффекты вибрации. Прежде всего, точный контроль общего показания индикатора до менее 3 микрометров помогает снизить вибрации из-за сбалансированной нагрузки на режущие кромки, а небольшая вибрация, создаваемая на них, в значительной степени поглощается маслом внутри камер держателя гидравлического расширения.
Вибрация при обработке часто возникает из-за держателя инструмента с высоким отношением L/D и низкой жесткостью. Усиление держателя инструмента материалом из карбида вольфрама широко используется, когда диаметр/вес инструмента невелики, а стоимость материала карбида вольфрама невелика. При большем вылете при L/D выше 4 до 14 необходим инерционный демпфер для эффективного гашения вибрации с противодействующей силой к конструкции инструмента. Простая форма инерционного демпфера имеет тяжелый груз (из вольфрама или свинца), поддерживаемый резиновыми кольцами, с механизмом настройки или без него. Механизм настройки позволяет инерционному демпферу охватывать более широкий диапазон отношения L/D (связанного с частотой вибрации). Более продвинутый инерционный демпфер на режущих инструментах использует вязкую жидкость или демпфирующее масло для повышения эффективности гашения при целевом отношении L/D (частоте вибрации). Новейшие инерционные демпферы на режущих инструментах изготавливаются из специальных полимеров, жесткость которых зависит от частоты. Эти полимеры позволяют осуществлять самонастройку/регулировку, охватывая более широкий диапазон отношения 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 условиях. Внедрение таких решений все еще зависит от простоты использования и стоимости.