Механизм возникновения вибраций режущего инструмента на станках с ЧПУ

МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВИБРАЦИЙ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НА СТАНКАХ С ЧПУ 

Дана характеристика механизма возникновения вибраций режущего инструмента на станках с ЧПУ исходя из существующих физических представлений о возникновении вынужденных, свободных и самовозбуждающихся колебаний в технологической системе резания, состоящей из взаимодействующих подсистем инструмента и заготовки.

Ключевые слова: Вынужденные, свободные и самовозбуждающиеся вибрации; вибродатчик; технологическая система; режущий инструмент. 

П.А. Новиков, М.В. Песин

Пермский национальный исследовательский политехнический

 университет, Пермь, Россия

Для обеспечения надежной работы современных высокоскоростных станков с ЧПУ система управления станком должна обеспечивать не только прецизионные программируемые перемещения инструмента относительно обрабатываемой заготовки, но также диагностику состояния технологической системы (ТС) обработки. Наиболее слабым звеном этой системы является режущий инструмент (РИ), стойкость которого должна быть достаточной для надёжного функционирования автоматизированной ТС на требуемом интервале машинного времени.

Проблема вибраций в технологических системах резания является общеизвестной, начиная с трудов Ф. Тейлора. Известны отечественные исследователи в этой области, например, А.И. Каширин, В.И. Дикушин, В.А. Кудинов и многие другие. В их работах большое внимание уделялось физическим основам возникновения вибраций при резании трудно- и легкообрабатываемых материалов, поскольку проникновение в механизм возникновений вибраций позволяет наметить соответствующие меры борьбы с ними.

Современные конструкционные материалы (нержавеющие и жаропрочные стали и сплавы, титан и его сплавы) обладают высокими эксплуатационными свойствами, но имеют низкую обрабатываемость, которая приводит (из-за непредсказуемого влияния на процесс силового и температурного факторов в зоне резания) к низкой стойкости РИ. С другой стороны для легкообрабатываемых деталей из алюминия и его сплавов в настоящее время применяют высокие скорости резания с повышенными подачами и глубиной резания. В обоих случаях (т.е. для трудно- и легкообрабатываемых материалов) проблема вибраций при резании относится к числу актуальных в технологии машиностроении, поскольку появление вибраций, как правило, сопряжено с уменьшением периода стойкости РИ и преждевременным выходом из строя шпиндельного узла станка. Исключение составляют управляемые вибрации, улучшающие работу РИ, например, при вибросверлении.

В этой связи разработка систем автоматизированной диагностики состояния ТС по критерию вибраций относится к числу актуальных задач технологии машиностроения, поскольку позволяет без дополнительных затрат на аппаратную часть использовать свободные вычислительные ресурсы современной системы ЧПУ.

Известны способы технологической диагностики по различным критериям оценки состояния РИ, необходимые для решения технологической задачи управления. Они различаются в зависимости от природы выбираемых физических параметров – источников информации о состоянии РИ: сила, крутящий момент, мощность и температура резания, вибрации при резании (перемещение, скорость, ускорение), акустическая эмиссия (звуковая и ультразвуковая), параметры качества обрабатываемой детали и т.п.

Наиболее перспективными для применения на современных станках с ЧПУ являются малогабаритные вибродатчики, например типа AP2019, которые можно встраивать в направлении различных координат станка. Однако, до сего времени не разработаны надёжные методы технологической вибродиагностики состояния РИ, которые могут быть реализованы на основе этих датчиков и имеющихся вычислительных ресурсов системы ЧПУ.

[pic 1][pic 2]

Рис. 1 Габариты акселерометра АР2019              Рис. 2 Миниатюрный акселерометр АР2019