Задача становится сложнее, если рассматриваются две детали, соединенные другими. В этом случае относительное перемещение соответствующих точек двух деталей данного узла должно учитывать все перемещения в узле из-за имеющихся зазоров в стыках, деформаций, поворотов деталей, например, шпиндель соединяется с корпусом коробки скоростей при помощи подшипников и втулок.
При увеличении действующих сил в итоге выбора зазоров сопротивляемость деталей технологической системы растет и при равенстве активных сил и сил сопротивления возникает равновесное состояние; перемещения и повороты, нарушающие заданное относительное движение заготовки и инструмента, прекращаются.
«Роль активных сил и их моментов играют силы и моменты рабочего и сопутствующих процессов; например, в станке действуют сила резания и сила зажима заготовки. Кроме того, действуют силы тяжести элементов технологической системы, силы инерции, трения, которые, как и любая другая сила, характеризуются величиной, направлением и положением точки их приложения».
2.1.2 Жесткость частей технологической системы
Воздействию силового поля, как правило, неравномерному, на упругие перемещения препятствует жесткость технологической системы, которая зависит от её «конструктивных особенностей, материала деталей, вязкости смазочного материала и его объема, погрешностей формы поверхностей стыков, степени нагрева и др. Впервые вопросы жесткости были подробно изучены применительно к металлорежущим станкам».
Под жесткостью j, Н/мм, сборочной единицы понимают отношение приращения нагрузки к получаемому приращению упругих перемещений (5):
Значения жесткости в статическом состоянии и во время работы могут существенно различаться из-за нагрева системы или возникновения вибраций.
Жесткости частей технологической системы зависят во многом от схемы базирования заготовки и инструмента, а жесткость заготовки - от ее конструкции.
В общем случае можно записать, что относительное упругое перемещение заготовки и инструмента (6):
(6)
где у - упругое относительное перемещение заготовки и инструмента;
yз - упругое перемещение заготовки относительно станины станка;
yд - собственные упругие деформации заготовки;
уи - упругое перемещение инструмента относительно станины станка.
Каждое слагаемое можно представить как отношение силы к жесткости (7):
где , , - жесткость соответственно группы деталей от заготовки до станины, заготовки и группы деталей от инструмента до станины.
Податливость [мм/Н], величина, обратная жесткости, «характеризует способность сборочной единицы изменять относительное положение выбранных точек двух ее деталей в направлении действующей результирующей силы, т.е. (8):
И жесткость, и податливость являются качественными характеристиками технологической системы, определяющими ее физическое состояние. Их следует определять при строгой регламентации всех факторов, оказывающих на них влияние» [1].
В процессе фрезерования возникает сила резания, действующая на инструмент и вызывающая отжатия инструмента, заготовки, приспособления и частей станка, которые можно регулировать правильным выбором режимов резания, режущего инструмента, приспособлений, исправным состоянием станка. Сильно увеличенная деформация технологической системы показана на рисунке 6.
Рисунок 6 - Схема деформации технологической системы в процессе фрезерования
Вопросы упругих перемещений в процессе, например, концевого фрезерования нежестких деталей на многокоординатных станках с ЧПУ в настоящее время широко изучаются, поскольку это связано, например, с качеством производства нежестких деталей.
Жесткость фрезерного станка должна соответствовать стандартным нормам жесткости. На рисунке 7 дана схема установки приборов при испытании на жесткость шпиндельного узла вертикально-фрезерного станка. В шпинделе станка укреплена специальная оправка 7, а на столе станка - стойка 2. Между ними установлен динамометр 3, работающий при испытании на растяжение (при определении жесткости в обратном направлении стойку и динамометр переносят на левую сторону). Нагрузка на шпинделе создается через динамометр, с помощью рукоятки 4 винта продольной подачи стола. Величину отжатий шпинделя измеряют индикатором 5.
Существенным недостатком в данном случае является определения статической жесткости, которая не соответствует реальной жесткости узлов станка в работе [5].
Рисунок 7 - Схема установки приборов для проверки жесткости шпиндельного узла вертикально-фрезерного станка: 1 - оправка; 2 - стойка; 3 - динамометр; 4 - рукоятка; 5 - индикатор
Недостаточно знать жесткость станка, чтобы судить о жесткости технологической системы в целом; нужно иметь данные и о жесткости других элементов системы.
Жесткость технологической системы определяется жесткостью каждого её элемента [10]:
- отжатие (деформация), например, концевой фрезы при контурном фрезеровании на станке с ЧПУ из-за малого диаметра, чтобы получить криволинейные поверхности малого радиуса или значительного вылета из патрона, чтобы обработать за один рабочий ход всю ширину поверхности (или глубину паза).
Деформация концевой фрезы (Рисунок 8), вызывающую соответствующую погрешность обработки рассчитывается по формуле [23]:
где - деформация фрезы в направлении, нормальном к обрабатываемой поверхности, (мм);
Р - сила, приложенная к концу фрезы, (н);
L - длина фрезы до места посадки в шпиндель, (н);
- коэффициент, учитывающий жесткость фрезы.
Рисунок 8 - Схема деформации концевой фрезы
- недостаточная жесткость оправок, на которые устанавливают фрезы или наборы фрез, может вызывать значительные отжатия инструмента от заготовки и вибрации и существенно снижать точность обработки.
- станочное приспособление должно обеспечить прочное и надежное закрепление заготовки, исключающее возможность ее смещения при обработке, причем в случае винтовых зажимов существует вероятность смятия металла, а также превышение силы зажима, следовательно, деформация закрепленной детали, а после обработки - образование нарушений формы и расположения поверхностей. Механизированные же средства закрепления заготовок - пневматические, пневмогидравлические, гидравлические, обеспечивают постоянную легко регулируемую силу зажима, и особенно хороши в этом отношении приспособления с закреплением заготовки с помощью мощных пружин и с механизированным разжимом, которые надежны ещё и тем, что не зависимы от давления сжатого воздуха или масла, подводимого к силовому приводу. Конструкция приспособления должна обеспечивать высокую жесткость закрепления заготовки, исключать изгиб и вибрации корпуса в случае излишней его высоты.
На рисунке 9 сравниваются схема а со встроенным и отделенными схема б силовыми приводами С. Первая схема кажется более удачной (один силовой привод, компактное размещение элементов), тем ни менее, в низком приспособлении, где обеспечена надежная связь заготовки со столом станка (вторая схема), можно вести фрезерование на более высоком режиме резания и не опасаться возникновения вибраций [10].
Рисунок 9 - Схемы компоновки фрезерного приспособления
2.1.3 Методы повышения жесткости частей технологической системы
Методы повышения жесткости[6]:
- геометрическая правильность стыковых поверхностей (плоскостность, цилиндричность) и чистота их обработки;
- уменьшения числа стыков;
- конструкция, состояние и расположение некоторых слабых звеньев узла, например, регулирующего клина направляющих, т. к. жесткость узла со стороны расположения клина всегда меньше. Это надо учитывать при работе на станке, особенно со значительными усилиями. Продольную подачу стола на консольно-фрезерных станках лучше производить так, чтобы усилие подачи воспринималось стороной без клиньев (подразумеваются поперечные направляющие стола и вертикальные - консоли);
- центричность приложения нагрузки к стыку, внецентричная нагрузка ухудшает условия работы, износа и снижает жесткость за счет усиления деформации поверхностных слоев; причиной этого является получающаяся неравномерность удельного давления по длине стыка;
- создание предварительного натяга, - он ослабляет влияние деформаций, вызываемых приложением силы Р, так как эта сила должна сначала преодолеть действие предварительного натяга и лишь потом может вызывать деформацию» [6].
2.2 Вибрации элементов технологической системы
Вибрации, возникающие при резании, приводят к снижению стойкости инструмента, ухудшают качество обработки, заставляют работать на пониженных режимах резания. Вибрации -- это происходящие с большой частотой периодические колебания станка, инструмента и заготовки. Колебания появляются под влиянием так называемых возмущающих сил.
2.2.1 Виды вибраций
В зависимости от характера, физической сущности процесса различают вынужденные колебания и автоколебания (т. е. самовозбуждающиеся колебания).
Вынужденные колебания появляются под действием периодически изменяющихся сил резания и сил, возникающих при быстром движении частей станка, но не связанных непосредственно с резанием.
Периодическое изменение силы резания при фрезеровании происходит в моменты врезания в заготовку каждого зуба фрезы или связано с биением зубьев фрезы - это первая группа причин вынужденных колебаний. Вторая группа - причины, связанные с неуравновешенностью и погрешностями частей станка и инструментов. К этой же группе относятся колебания, передаваемые станку близко расположенными другими станками и машинами [10].
Автоколебания (колебания, возникающие в результате самовозбуждения) появляются независимо от того, имеются ли внешние возмущающие силы. Причиной могут стать неравномерность резания, периодическое изменение силы сопротивления металла резанию, колебания силы трения между инструментом, стружкой, заготовкой и др. Источником энергии, необходимой для автоколебательного процесса, служит электродвигатель станка. Их частота вибраций не связана непосредственно с режимом работы станка и равна собственной частоте системы.
Частота и интенсивность вынужденных колебаний элементов технологической системы в значительной степени зависят от режима обработки. Чтобы устранить или уменьшить вынужденные колебания, применяют разные способы. Одни из них - уменьшение возмущающих сил при более тщательной обработке деталей станка, балансировке деталей, уменьшении биения фрез и изоляции станка от другого работающего оборудования и др.
Например, процесс фрезерования, характеризующийся периодическим изменением силы резания, связанным с врезанием и выходом зубьев инструмента из металла, создает благоприятные условия для появления и поддержания вынужденных колебаний. Поэтому в настоящее время активно исследуются способы ведения процесса, при которых нарушается строго периодический, циклический характер изменения действующих сил.
Один из таких способов - применение фрез с неравномерным шагом зубьев. Концевые разношаговые фрезы конструкции фрезеровщика В.Я. Карасева работают без вибраций на высоких режимах резания по различным обрабатываемым материалам [14].
Для обработки заготовок из нержавеющей стали И.М. Левиным и другими авторами разработаны концевые фрезы, у которых неравномерность шага достигается применением для каждого зуба угла наклона винтовой поверхности, отличающегося от других. Об эффективности применения таких фрез свидетельствуют специальные исследования. Обрабатывали уступы на заготовках из нержавеющей стали 12Х18Н10Т на вертикально-фрезерном станке 6Н12 концевыми фрезами диаметром 45 мм из быстрорежущей стали с обильным охлаждением 10%-ной эмульсией. Фрезы затачивали с углами = 15°, = 14°. Углы наклона винтовых зубьев = 45°, = 40°, = 43°, = 38°, шаг зубьев на торце фрезы равномерный, а на цилиндрической рабочей части меняется из-за разных углов наклона зубьев. Чем дальше от торца, тем разность шагов больше. Фрезерование вели при глубине резания t = 6 мм, подаче на зуб = 0,2 мм, ширине фрезерования В = 30 мм; скорость резания изменялась от 8 до 43 м/мин.
Для сравнения обработку заготовок в аналогичных условиях выполняли концевыми фрезами такого же диаметра, но с одинаковым углом наклона = 45° и неравномерным шагом зубьев.
Рисунок 10 - Амплитуда колебаний
Рисунок 11 - Шероховатость поверхности при работе фрезой с равным углом наклона зубьев (1) и фрезой с неравномерным шагом зубьев
С помощью вибродатчиков измеряли амплитуды колебания при работе фрез обеих конструкций (Рисунок 10) Сравнивали также получаемую шероховатость обработанной поверхности (Рисунок 11).
В результате - при работе разношаговыми фрезами с разным наклоном зубьев вибрации снижаются, меньше становится и шероховатость обработанной поверхности, что связано с нарушением ритмичности изменения силы резания и изменении силы трения при разных положениях винтовой режущей кромки. Это позволяет повысить режим резания, а, следовательно, и производительность обработки [14].