Возникающая в процессе резания вибрация станков снижает производительность, стойкость инструмента, качество обработки поверхности деталей, сокращают межремонтный период. Поэтому динамическая система станка должна всегда улучшаться из чего следует повышение динамических качеств оборудования.
Чтобы получить высококачественную поверхность изделия, в процессе обработки необходимо обеспечить устойчивое движение заготовки и инструмента. Потеря устойчивости в процессе резания проявляется в виде неравномерного вращения шпинделей или планшайб, скачкообразного движения суппортов или столов по направляющим и т. д. Неустойчивость может быть периодическая (автоколебания) или апериодическая; она приводит к тому, что резко снижается точность и отклонения от геометрической формы деталей носят критический характер, увеличивается шероховатость обрабатываемой поверхности.
Параметрические колебания системы создают эффект, аналогичный действию переменной силы. Например, наличие шпоночной канавки на валу приводит к тому, что при постоянной внешней силе прогибы вала по мере вращения периодически изменяются. По своему характеру и методам борьбы с ними эти колебания близки к вынужденным.
Автоколебания станка - это незатухающие колебания, возбуждаемые в системе самой силой резания. Колебания возникают и поддерживаются вследствие дискретности изменения сил резания и сил трения между обрабатываемой деталью и инструментом. Нарушение собственной устойчивости процесса резания может произойти при отсутствии колебаний размера сечения среза или скорости резания. Такая переменность силы возникает в условиях появления стружки надлома или скалывания и при неустойчивом наросте. Наибольшее практическое значение имеет последний вид неустойчивости. Поступлением энергии, необходимой для поддержания колебательного процесса, управляет сама система. В случае прекращения процесса резания исчезают и силы резания, создающие и поддерживающие автоколебания. Автоколебания обычно проявляются при работе когда установлены высокие режимы резания и можно наблюдать на следующих станках: токарные, карусельно-фрезерные, фрезерных, расточных, шлифовальных и других станках.
Существует ряд теорий, объясняющих это явление. В частности, В. А. Кудинов разработал теоретические основы вопросов динамики металлорежущих станков. Согласно этой теории динамическая система станка представляет собой замкнутую систему (см. ниже), и потеря устойчивости этой системы имеет следующий физический смысл (рис. 1, а).
Со стороны резца на изделие действует сила резания P составляющими Py и Pz. Наличие многих степеней свободы упругой системы приводит к тому, что колебания инструмента относительно заготовки представляют собой результат сложения нескольких связанных между собой простейших колебаний. Между ними существует сдвиг во времени - фазовый, сдвиг. Поэтому образующаяся в результате сложения колебаний траектория относительного движения инструмента и заготовки имеет вид замкнутой кривой, приближающейся по форме к эллипсу, называемому эллипсом перемещений. Такое же предположение высказал ученый И. Тлустый. Движение инструмента по такой траектории изменяет толщину среза (рис. 1, б), а следовательно, и силу резания: при движении в сторону действия силы резания толщина среза будет больше, чем при движении инструмента навстречу силе резания.
Рис. 1. Траектория относительного движения инструмента и заготовки при автоколебании
На участке движения резца 1-2-3 (рис. 1, а, в) сила P производит положительную работу, так как ее направление почти совпадает с направлением движения резца ε1, а на участке 3-4-1 - отрицательную работу, так как теперь ее направление противоположно направлению движения резца ε2. Поскольку на пути 1-2-3 сила резания в среднем больше, чем на пути 3-4-1, за счет большей глубины резания, то в течение одного полного цикла колебания эта сила совершает некоторую положительную работу, поддерживающую колебательный процесс. Рассмотренная схема характерна для неустойчивого процесса.
Если фазовый сдвиг между колебаниями таков, что движение вершины инструмента по эллипсу будет происходить в обратном направлении, по часовой стрелке, как это показано на рис. 1, г, то система считается устойчивой. Изменение силы резания в этом случае будет оказывать демпфирующее действие на колебания, вызываемые внешними воздействиями не пополняя рассеиваемую энергию, как в неустойчивой системе, а наоборот, увеличивая это рассеяние.
Частота автоколебаний станка близка к частоте собственных колебаний узлов и деталей. Поэтому в станках наблюдаются высокочастотные колебания, соответствующие частоте собственных колебаний резца (f=2000÷6000, Гц), колебания средней частоты, соответствующие частоте собственных колебаний шпинделей (f=200÷300 Гц), и низкочастотные колебания суппортной группы или обрабатываемой детали (f=80÷150 Гц).
