animateMainmenucolor
activeMenucolor
Главная / Фрезерный станок с ЧПУ / Виброустойчивость Станков

Виброустойчивость Станков

В процессе эксплуатации станков часто наблюдается потеря устойчивости системой. Это приводит к возникновению в процессе резания автоколебаний, которые ухудшают чистоту и точность обрабатываемой поверхности, снижают производительность и сокращают межремонтные сроки станков.

Неустойчивость системы проявляется в виде неравномерного, скачкообразного движения узлов станка, чаще всего наблюдаемого при малых скоростях скольжения. «Скачки», сопровождающие процесс резания, особенно вредны для станков, на которых выполняются окончательные (финишные) операции; при установочных перемещениях эти скачки снижают точность установки столов, стоек, бабок и тому подобных узлов станков «на координату» (точность позиционирования).

Одной из важнейших задач современного станкостроения является создание станков, обладающих высокой виброустойчивостью. Условия потери устойчивости системой определяются значениями параметров всех элементов замкнутой динамической системы станка, а также их связями, т. е. в первую очередь конструкцией станка и условиями его работы. Дефекты изготовления и сборки станка могут влиять на значения параметров упругой системы. вносить в систему новые связи, создавать различного рода возмущения и так далее, снижая установленный уровень устойчивости системы. Следовательно, устойчивость динамической системы станка может служить надежным критерием правильности конструкции, качества изготовления и сборки станка и использоваться для оценки соответствия станка тем технологическим возможностям, на которые он рассчитан. Этим объясняется существование ряда специальных испытаний, которым подвергают как опытные образцы станков новых моделей, так и серийно выпускаемые станки. Методика лабораторных испытаний на виброустойчивость опытных образцов станков применительно к токарным и консольно-фрезерным станкам общего назначения была разработана в ЭНИМСе под руководством В. А. Кудинова.

Перед испытанием на виброустойчивость станок должен быть проверен на точность и жесткость (см. Статическая жесткость станков), установлен и выверен по уровню при помощи клиньев или регулируемых башмаков на фундаменте, имеющем двойную амплитуду колебаний от внешних воздействий не более 5-10 мкм. Станок устанавливают без затяжки фундаментных болтов, если таковые предусмотрены.

Методику проведения таких испытаний покажем на примере токарного станка. Испытания сводятся к определению так называемой предельной стружки и ее зависимости от скорости резания для характерных видов обработки и определенной подачи. Под предельной стружкой понимается максимальная ширина среза, снимаемая на станке без вибраций.

Основными характерными видами заготовок при испытании токарного станка являются (рис. 1): вал, обрабатываемый в центрах (рис. 1, а), (длина заготовки равна 0,7 наибольшей длины обрабатываемой детали); вал, закрепляемый консольно в конусе шпинделя (рис. 1, б); кольцо зажимаемое в патроне (рис. 1, е); вал, зажимаемый в патроне и поддерживаемый задним центром (рис. 1, г).

На рис. 1 заготовки даны с размерами, рекомендуемыми для проверки станка с высотой центров 200 мм; материал заготовок - сталь 45.

Рис. 1. Виды заготовок и режимы резания, рекомендуемые для лабораторных испытаний токарных станков на виброустойчивость (размеры заготовок и режимы резания указаны для станка с наибольшим диаметром обработки 400 мм)

Для экономии металла можно пользоваться, например, составной оправкой конструкции Оргстанкинпрома, где участок резания расположен на сменном полом кольце (рис. 2). В качестве инструмента рекомендуется проходной резец определенной геометрии из быстрорежущей стали для скоростей резания v≤30 м/мин или с пластинками из твердого сплава ВК8 или Т15К6 при v>30 м/мин. Регламентируются также размеры державки и вылет резца. Резец должен быть строго установлен по высоте по заднему центру. В процессе испытаний необходимо следить за состоянием режущей кромки резца. Резцы должны перетачиваться без отклонения от принятой геометрии.

Рис. 2. Составная оправка Оргстанкинпрома

Испытания проводятся на рекомендуемых режимах резания (для токарного станка с высотой центров 200 мм (см. табл. на рис. 1) на всех ступенях скорости привода главного движения и при трех-пяти различных подачах.

Определение предельной стружки является довольно трудной операцией, так как предельный режим работы станка по своей природе весьма неустойчив. Поэтому при определении предельной стружки по следам на обработанной поверхности (при v≤25 м/мин), по характерному звуку во время работы станка (v=25÷50 м/мин) или по сильной волнистости и зазубренности сходящей стружки (v=50÷200 м/мин) возможна ошибка до 1 мм и больше.

Для повышения точности определения предельной стружки и получения более объективных результатов рекомендуется в процессе испытаний при помощи малоинерционной аппаратуры (например, индуктивного датчика) параллельно вести наблюдения за уровнем колебаний заготовки, корпуса шпиндельной бабки, стола и т. д.

На рис. 3 показана схема расположения аппаратуры при определении предельной стружки. Индуктивный датчик (рис. 4) представляет собой катушку с железным сердечником, включенную в цепь переменного тока. Сила тока, протекающего в катушке, при постоянных напряжении и частоте питания прямо пропорциональна зазору между сердечником и якорем. Если в качестве якоря использовать какой-либо элемент упругой системы станка (на рис. 3 якорем служит заготовка), то располагая датчик так, чтобы величина зазора составляла 0,1-0,3 мм, можно зафиксировать перемещения этого элемента.

Рис. 3. Схема установки датчиков и соединения аппаратуры при определении предельной стружки

Для работы с такими датчиками используются различные мостовые схемы с балансировочным датчиком, в измерительную диагональ которых включается усилитель переменного тока. Сигнал с усилителя через специальную согласующую приставку подается на катодный осциллограф. Момент возникновения предельной стружки будет сопровождаться резким увеличением амплитуд колебаний, фиксируемых на экране осциллографа.

Параллельно с определением предельной стружки желательно фиксировать частоты f возникающих при этом на станке вибраций.

Частоту f можно рассчитать по длине волны l мм и известной скорости резания v м/мин:

f = 16,7v / l гц,

или определить по экрану осциллографа. Знание этих частот (так называемых частот собственных неустойчивых форм колебаний) полезно при дальнейшем исследовании станка.

Рис. 4. Индуктивный датчик: 1- корпус датчика; 2 - гайка; 3 - сердечник; 4 - каркас катушки; 5 - обмотка

Полученные данные позволяют построить графики зависимости предельной стружки от скорости резания при различных подачах для каждого вида обработки - так называемые графики границ устойчивости. Примерный вид графиков границ устойчивости приведен на рис. 5. По высоте расположения над осью абсцисс ломаных линий - границ устойчивости - можно судить о способности станка снимать определенную стружку без вибраций. Границы устойчивости удобны и для выяснения влияния на виброустойчивость станка как различных конструктивных изменений, вносимых в станок в процессе испытаний опытного образца, так и погрешностей изготовления.

Рис. 5. График границ устойчивости станка 1К62 при обработке консольной заготовки

В качестве примера рассмотрим влияние величины радиального зазора переднего подшипника шпинделя токарного станка мод. 1К62 на амплитуду относительных колебаний заготовки при резании. Разной величине радиального зазора соответствовал различный отжим переднего конца шпинделя при нагружении заготовки горизонтальной силой примерно 6000 м.

На рис. 6, а при отжиме 0,02 мм уровень относительных колебаний заготовки значительно меньше, чем на рис. 5, б, когда отжим составлял 0,05 мм. В обоих случаях скорость шпинделя n = 500 об/мин, глубина резания t = 2 мм. Очевидно, что при отжиме 0,05 мм система обладает меньшим запасом устойчивости.

Рис. 6. Осциллограммы относительных колебаний заготовки при резании на токарном станке 1К62

Для оценки ограничений технологических возможностей станка по виброустойчивости ЭНИМС рекомендует пользоваться его производственной характеристикой. Производственная характеристика станка, предложенная А. И. Кашириным, позволяет определять область практического использования станка.

Производственные характеристики (рис. 7) строятся в логарифмической системе координат «скорость резания (пересчитанная на диаметр 100 мм) - подача» для наиболее типичных видов обработки и режимов резания станка.

На производственную характеристику наносятся границы использования станка: 1 - по эффективной мощности на шпинделе или по мощности электродвигателя; 2 - по стойкости инструмента; 3 - по прочности механизма подач; 4 - по виброустойчивости.

Для построения последней границы пользуются экспериментально полученными графиками границ устойчивости (рис. 5). Значения tпр с этих графиков наносятся на производственную характеристику, причем точки одинаковых значений tпр по соединяются ломаными линиями; образуется, таким образом, семейство границ использования станка по виброустойчивости при определенной глубине резания.

Если на производственную характеристику нанести теперь область преимущественного использования станка (на рис. 7 заштрихована) при различных видах обработки (предварительной, окончательной), построенную на основе статистических материалов, то будет видно, удовлетворяет ли данный станок предъявляемым к нему требованиям или нет.

Рис. 7. Производственная характеристика токарного станка с границей устойчивости

В процессе лабораторных испытаний станка определяют условия и режимы цеховых испытаний его. Из различных видов заготовок выбирается та, которая дает наименьшую устойчивость. Подачу рекомендуется брать среднюю, вызывающую резкое увеличение амплитуды колебаний при увеличении глубины резания. Скорость выбирается равной скорости в зоне наименьшего значения предельной стружки по графику границы устойчивости для выбранной ранее подачи. Глубина резания должна быть немного меньше или равна глубине резания при предельной стружке, получаемой на большинстве станков данной модели.

Цеховые испытания серийных станков проводят по сокращенной программе; цель их - проверка виброустойчивости как критерия качества изготовления и сборки каждого станка.

B процессе цеховых испытаний заготовку обрабатывают при выбранных таким образом режимах (для станка 1К62 v=30÷35 м/мин, s=0,12 мм/об, t=2 мм). При отсутствии на обработанной поверхности следов вибраций станок признается виброустойчивым, а в противном случае бракуется по виброустойчивости.

В лабораторных условиях виброустойчивость станка можно определить и без резания - по амплитудно-фазовой частотной характеристике (АФЧХ) системы, с использованием частотного критерия устойчивости. Такой метод оказывается полезным при оценке влияния того или иного параметра на устойчивость системы. Оценка производится по АФЧХ разомкнутой системы, которая в данном случае получается перемножением АФЧХ резания и упругой системы. АФЧХ процесса резания в настоящее время обычно берется по имеющимся экспериментальным данным в простейшем виде - в виде коэффициента пропорциональности kp между силой резания и изменением толщины стружки (передаточный коэффициент). Он равен произведению удельной силы резания k (для стали k≈20 000 бар) на ширину b стружки.

АФЧХ упругой системы станка может быть получена экспериментальным путем. Для этого в системе искусственно возбуждаются колебания при помощи вибратора, создающего между суппортом и заготовкой синусоидальную возбуждающую силу в направлении силы резания в диапазоне частот примерно 30-300 гц.

Для этой цели можно использовать электромагнитный вибратор (рис. 8). Основой такого вибратора является электромагнит, на сердечник 2 которого плотно насажена катушка 3 с двумя обмотками. Одна из этих обмоток (обмотка подмагничивания 4) питается постоянным током и создает постоянный магнитный поток в сердечнике, действующий с определенной силой на якорь 1 электромагнита. Ко второй обмотке 5 подводится переменный ток определенной частоты. Результатом работы обеих обмоток является периодическое изменение силы, с которой якорь притягивается к сердечнику электромагнита.

Якорь электромагнита соединяется с державкой 7, жестко закрепленной в суппорте (в токарном станке).Сердечник вибратора крепят к оправке 8, устанавливаемой в центрах или в патроне между передней и задней бабками станка. Следовательно, периодическая сила, созданная вибратором, будет передаваться упругой системе станка.

Рис. 8. Схема электромагнитного вибратора

Конструкция вибратора обычно предусматривает возможность изменения направления возбуждающей силы, которая выбирается в соответствии с направлением результирующей силы резания. Величина возбуждающей силы регистрируется при помощи специального встроенного динамометра 6 с емкостным датчиком, представляющим собой конденсатор переменной емкости. Схема динамометра показана на рис. 9. Сила воспринимается жесткой мембраной, роль которой выполняет верхняя часть 1 динамометра. С центром мембраны связана одна из пластин емкостного датчика 2, электрически изолированная от корпуса. Вторая его пластина 3, тоже изолированная от корпуса, отделена от первой воздушным зазором 0,1-0,2 мм.

Рис. 9. Схема емкостного датчика для измерения силы

В конструкции датчика предусмотрена возможность регулирования величины начального зазора. Под действием переменной силы мембрана прогибается, изменяя расстояние между пластинами и, следовательно, изменяя емкость конденсатора.

Жесткость мембраны выбирают с таким расчетом, чтобы зазор при работе менялся в пределах до 30% от первоначального (при этом характеристику датчика можно считать практически линейной).

Датчик обычно включают в мостовую схему, измерительная диагональ которой через усилитель соединяется, для записи величины силы н пленку, со шлейфовым осциллографом.

При неработающем станке при помощи вибратора для разных частот снимают амплитудную и фазовую частотные характеристики упругой системы станка (см. рис. 12). Для этого на пленке одновременно фиксируются кривая изменения силы Р (входная координата элемента «упругая система») и кривая относительного перемещения заготовки и суппорта y2 в направлении, нормальном к обрабатываемой поверхности (выходная координата). Для записи относительного перемещения y2 удобно использовать головку виброщупа К61-А с упругим элементом, на который наклеены проволочные датчики сопротивления. Проволочный датчик (рис. 10, а) представляет собой решетку из тонкой, чаще всего константановой проволоки. Датчик приклеивают определенным образом к поверхности деформирующегося тела. Деформации тела приводят к растяжению или сжатию проволок решетки, что сопровождается изменением омического сопротивления датчика, которое фиксируется электрическими средствами. Датчики обычно включают в мостовую схему, повышающую чувствительность измерений. Одна из распространенных мостовых схем для работы с усилителем приведена на рис. 10, б. Рабочие датчики R1, R2, R3 и R4 включают в плечи моста, питаемого переменным током. Частота тока (1000-10 000 гц) должна быть заведомо выше частоты записываемого процесса. При помощи потенциометра R5 балансируются активные сопротивления плеч моста. Реактивные сопротивления плеч (мост питается переменным током) балансируются потенциометром R6 и переменным конденсатором С1, включенным параллельно плечам R3 и R4.

Рис. 10. Проволочный датчик (а) и измерительная мостовая схема переменного тока для проволочных датчиков (б)

Выход моста (измерительную диагональ) подключают к специальному усилителю. Ток в измерительной диагонали сбалансированного моста отсутствует. Изменение сопротивлений датчиков разбалансирует мост, в результате чего появляется ток тем больший, чем значительнее изменилось сопротивление датчиков. Направляя сигнал, полученный от моста, к усилителю, а затем на осциллограф, фиксируют таким образом очень незначительные деформации упругого элемента головки виброщупа. Упругий элемент головки виброщупа К61-А (рис. 11) представляет собой изогнутую в виде дуги пружину 1 с иглой 3; концы пружины запаяны в планке 4. Датчики 2 наклеивают попарно с внешней и внутренней сторон пружины около иглы. Для записи относительных колебаний головку крепят на суппорте, а игла упирается в поверхность оправки, относительные колебания которой исследуются.

Рис. 11. Упругий элемент головки виброщупа К61-А (конструкции С.С. Кедрова - ЭНИМС)

Образец кадра пленки с записанными кривыми изменения силы P и относительного перемещения y2 для определенной частоты приведен на рис. 12, а. Обрабатывая пленку, строят амплитудную и фазовую частотные характеристики (рис. 12, б), а по ним в плоскости комплексного переменного амплитудно-фазовую частотную характеристику упругой системы (рис. 12, в).

Рис. 12. Построение амплитудно-фазовой частотной характеристики (АФЧХ) по экспериментальным данным: а - образец кадра пленки; б - амплитудная (1) и фазовая (2) частотные характеристики упругой системы; в - АФЧХ упругой системы

Для получения фазы φ по данным, взятым с пленки, находят отношение смещения волн двух колебаний δ и длину волны λ. Отношение этих величин, умноженное на 360° или на 2π, дает фазу в градусах или радианах, т. е.

φ = δ/λ360°

Перемножение АФЧХ резания и упругой системы сводится практически к изменению масштаба экспериментально построенной АФЧХ упругой системы в kp раз. По виду полученной в результате перемножения АФЧХ разомкнутой системы (рис. 13) можно судить об устойчивости: замкнутой системы, каковой является работающий станок. По ней также можно найти предельное значение коэффициента k (на рис. 13 отрезок АВ), а значит и максимальную ширину стружки b при которой система еще не потеряет устойчивости.

Рис. 13. Разомкнутая система и ее амплитудно-фазовая частотная характеристика

Влияние нелинейностей упругой системы станка, а также сложность или отсутствие аппаратуры в ряде случаев ограничивают возможности использования частотного метода. Но зато метод оценки виброустойчивости станка по АФЧХ не требует превращения металла в стружку при испытаниях. Этот метод оказывается также полезным при оценке влияния того или иного параметра системы (жесткости, массы, скорости резания и т. п.) на ее устойчивость и при проверке результатов теоретических расчетов устойчивости станков.

В случае недостаточной виброустойчивости станка одним из методов выяснения причин этого является анализ форм колебаний упругой системы станка.

Формой колебаний для линейной системы называется совокупность отношений перемещений отдельных колеблющихся точек к перемещению какой-либо одной точки упругой системы, взятых в определенный момент времени (с учетом сдвига фаз) для заданной частоты.

Форма колебаний нелинейной системы, какой является станок, может быть лишь очень приближенной, но позволяющей судить о перемещении отдельных точек станка при колебаниях.

Форма колебаний определяется для всех частот интенсивных вибраций, которые были выявлены при испытании на виброустойчивость резанием. Колебания в системе при этом создают искусственно либо резанием на вибрационном режиме, либо используя вибратор, как при снятии АФЧХ упругой системы.

Перед тем, как выбрать точки измерения колебаний, грубо оценивают интенсивность колебаний. В месте, достаточно удобном для монтажа датчика, где колебания очень интенсивны и имеют правильную форму, устанавливают на все время эксперимента датчик контрольной точки. Им может быть датчик для измерения относительных колебаний, если он установлен на недеформируемой базе. Например, для токарного станка колебания в контрольной точке (колебания заготовки у задней бабки в вертикальной плоскости) измеряются индуктивным датчиком, установленным на станине, которая в вертикальной плоскости при колебаниях практически не деформируется. Колебания в контрольной точке могут быть измерены и виброметром сейсмического типа. Один из таких виброметров с индуктивным датчиком показан на рис. 14. Виброметр закрепляют в контрольной точке. При этом его корпус 4 начинает колебаться, повторяя колебания той детали, на которой он установлен, а сейсмический груз 1, подвешенный на двух очень податливых плоскопараллельных пружинах 2, практически остается неподвижным (при условии, что частота собственных колебаний груза на пружинах существенно ниже частоты колебаний корпуса). Абсолютные колебания корпуса относительно неподвижного сейсмического груза фиксируются при помощи индуктивного датчика 3, реагирующего на изменение зазора при колебаниях.

Рис. 14. Виброметр сейсмического типа с индуктивным датчиком (конструкции С. С. Кедрова - ЭНИМС)

Другие точки замера колебаний выбираются с таким расчетом, чтобы можно было выявить характер деформирования или перемещения всех деталей упругой системы станка. Детали, амплитуда колебаний которых относительно невелика, могут считаться жесткими. Перед определением формы колебаний составляется схема расположения всех точек на станке, а сами точки нумеруются (на рис. 15 точки 1-42).

Рис. 15. Примерная схема расположения точек измерения при снятии формы колебаний токарного станка

Для замера абсолютных колебаний упругой системы в этих точках удобно использовать виброщуп типа К61-А конструкции Кедрова С. С. с проволочными датчиками. Головка виброщупа была описана выше, рис. 11. Головку прикрепляют к массивной державке корпусу, который при измерениях держат в руке, с определенным натягом прижимая иглу чувствительного элемента к колеблющемуся объекту. Натяг контролируется микроамперметром (50-0-50 мка), встроенным в корпус щупа и включенным параллельно шлейфу осциллографа (рис. 16). Поставив переключатель в положение «грубо», увеличивают натяг до тех пор, пока стрелка микроамперметра не станет на нуль. После этого, переключившись на «работу», измерительную диагональ моста через усилитель соединяют со шлейфом. Исключение при этом из цепи микроамперметра сопротивления 2-10 ком позволяет более тонко регулировать натяг. Шунтирующее влияние цепочки 1 - сопротивление 1 - 4 ком - микроамперметр (имеющий большое внутреннее сопротивление) - 2 - 3 на шлейф незначительно.

Рис. 16. Схема работы виброщупа К61-А

Основной тон колебаний пружины (500 гц) подавляется при недостаточном натяге упругого элемента щупа. Влияние качаний руки оператора, держащего щуп, практически незаметно при небольшой длине кадра.

После обработки осциллограмм результаты измерений (т. е. перемещение контрольной точки, точки измерений и фазы между ними) протоколируются. Полученные данные (средние по трем-пяти замерам для каждой точки) позволяют найти относительные амплитуды колебаний точек с учетом фазы и в определенном, удобном для пользования масштабе нанести полученную форму колебаний на схематический чертеж станка (рис. 17). На схематическом чертеже суппорта обозначены точки (1-18) замера колебаний.

Наряду с регистрацией поступательных перемещений намеченных точек упругой системы снимаются формы крутильных колебаний привода, для чего могут быть использованы проволочные датчики, наклеенные на валы привода по схеме для измерения крутящих моментов.

Формы колебаний наглядно показывают, перемещения каких элементов станка и в какой мере определяют относительное движение заготовки и инструмента, приводящее к возникновению автоколебаний при резании. Например, рис. 17 показывает, что у токарного станка наибольшие перемещения имеет задний конец заготовки, перемещения же суппорта примерно в 5 раз меньше. Знание форм колебаний станка имеет очень большое значение для обоснования расчетной схемы его упругой системы.

Рис. 17. Форма колебаний станка 1Д62М при резании (без крутильных колебаний)