2.2.2 Конструктивные методы снижения вибраций
Конструктивные методы снижения вибрации [6]:
- повышение жесткости всех элементов системы станок-инструмент-деталь. Это затрудняет возникновение не только автоколебаний, но и вообще каких бы то ни было вибраций, т.к. при этом повышается частота собственных колебаний системы и, следовательно, понижается интенсивность (амплитуда) вибраций;
- рассеивание энергии колебаний системы (демпфирование). Вибрации уменьшатся или прекратятся, если при устойчивой амплитуде незатухающих колебаний общая энергия затухания (поглощения) за счет присоединения дополнительных демпферов окажется больше энергии возбуждения. На практике это достигается применением различной конструкции виброгасителей (устройство, включение которого в колебательную систему резко увеличивает её затухание): сухого или вязкого трения; ударного действия; динамического действия;
- антивибрационный монтаж станков и применение виброизоляции стационарного технологического оборудования предприятий, т.е. фундаментов.
2.2.3 Технологические методы снижения вибраций
Мероприятия, направленные на некоторое уменьшение, сил резания и соответственно, снижение вибраций:
- применение стратегий высокоскоростной и сверхскоростной обработки;
- механическая обработка с адаптивным управлением частотой вращения шпинделя главного привода с целью подавления регенеративных колебаний;
- предварительное моделирование динамики процесса фрезерования с целью выбора режимов резания с наименьшим уровнем вибраций.
2.3 Остаточные напряжения в обрабатываемых деталях
2.3.1 Общее определение остаточных напряжений
Остаточными являются внутренние напряжения (во всём объёме детали или в части его), оставшиеся в деталях после снятия нагрузок или воздействия внешних факторов.
В результате механического, термического, химического воздействия нарушается существующее равновесие внутренних напряжений и происходит их перераспределение, что приводит к деформации детали. Затем наступает новое равновесное состояние.
Различают:
- напряжения I рода - макронапряжения, охватывающие области, соизмеримые с размерами детали;
- напряжения II рода - микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна или группу зерен металла;
- напряжения III рода - субмикроскопические, связанные с искажениями атомной решетки кристалла» [1].
Непосредственная же причина этих напряжений - неоднородность изменений в смежных макро- и микроскопических объемах металла. В соответствии с причиной образования напряжения подразделяют на:
- конструкционные напряжения, которые вызываются в изделии нормальными или анормальными процессами, происходящими в конструкции;
- технологические напряжения, образующиеся в процессе ее изготовления в связи с неоднородным (неравномерным) нагревом или охлаждением; фазовыми или структурными превращениями металла, а также происходящими в нем диффузионными процессами; пластической деформации при наклепе.
Механическая обработка (точение, фрезерование, шлифование и т.д.), как правило, вызывает появление в тонком поверхностном слое значительных остаточных напряжений. Основной особенностью этих напряжений является малая глубина их действия (десятые доли миллиметра) [12] и возникают как результат пластической деформации поверхностного слоя и нагрева зоны резания. Перераспределение внутренних напряжений происходит не сразу, а постепенно, и также постепенно происходит изменение формы заготовки и готовой детали. В практике бывают случаи, когда исходная заготовка, получившая большие остаточные напряжения, проходит черновую обработку. Частично перераспределяются внутренние напряжения и деформация заготовки. Получившиеся при этом искажения формы устраняют при чистовой обработке. Готовую деталь, если она годная, ставят на машину, а через некоторое время уже при эксплуатации выясняется, что деталь быстро изнашивается, причина этого - ее деформация, которая произошла после того, как деталь полностью обработали. Проявляется упругое последействие деформирующей способности технологических остаточных напряжений (ТОН) [4]:
- в маложестких деталях упругое последействие проявляется через высвобождение остаточных напряжений в результате коробления детали;
- в массивных деталях остаточные напряжения сохраняются и в совокупности с рабочими напряжениями в процессе эксплуатации оказывают влияние на формирование локальных дефектов и отказы, ограничивающие ресурс изделия.
2.3.2 Пути снижения внутренних напряжений при механической обработке
Поэтому необходимо уделять самое серьезное внимание устранению внутренних напряжений. Самый простой путь устранения внутренних напряжений - разделение обработки резанием на несколько этапов. На первом этапе выполняют черновую обработку, удаляя наибольшую часть припуска с поверхностей заготовки. Затем передают заготовку на получистовую обработку и заканчивают изготовление детали на третьем этапе - чистовой обработке. Так как обычно заготовки обрабатывают партиями, а черновую, получистовую и чистовую обработки ведут на разных станках, а иногда и в разных цехах, то между черновой и получистовой обработками проходит определенное время. За это время происходит в основном перераспределение внутренних напряжений и деформация заготовки. Чем больше промежуток времени между черновой и чистовой обработками, тем меньше опасность искажения формы готовой детали. Длительное выдерживание (вылеживание) заготовок для снятия остаточных напряжений называют естественным старением. Процесс естественного старения очень медленный [21]
2.4 Тепловые перемещения элементов технологической системы
2.4.1 Общее определение тепловых перемещений
Тепловые перемещения являются функцией выделяемой теплоты и теплостойкости технологической системы, т.е. способности ее сопротивляться тепловым перемещениям. Основными источниками теплоты являются рабочий процесс, работа, затрачиваемая на преодоление сил трения, возникающих при соприкосновении движущихся деталей в механизмах, электродвигателях, гидроприводах. Другим источником теплоты является окружающая среда (нагретый воздух, лучи солнца, нагревательные устройства). При этом элементы технологической системы нагреваются неодинаково вследствие различного расположения источников тепла, их интенсивности и длительности выделения теплоты. На рисунке 12 показана неравномерность температурного поля технологической системы.
Рисунок 12 - Температурное поле станка (цифры показывают перепады температур в )
Неравномерность нагрева порождает различные тепловые деформации элементов системы. Элементы системы не имеют термоизоляции, поэтому происходит непрерывный теплообмен между более и менее нагретыми частями.
«Теплостойкость технологической системы определяется ее конструкцией, схемами базирования деталей, коэффициентами линейного расширения материала деталей, наличием зазоров в соединениях деталей, расположением источников тепла» [1].
Тепловые перемещения в отличие от упругих, прекращающихся сразу после снятия нагрузки, исчезают постепенно по мере охлаждения, что существенно влияет на точность обрабатываемых деталей.
Тепловое состояние технологической системы подвижно в результате попеременно действующих источники тепла, неравномерности выделяемого тепла, перерывов в работе технологической системы и др., что существенно усложняет картину тепловых перемещений.
2.4.2 Тепловые деформации станка
Среди тепловых деформаций станка следует выделить неравномерный нагрев станины, разность температур отдельных элементов которой может достигать 10°С и более.
Разные точки шпинделя нагреваются с разбегом в пределах 10...50°С. Особенно большой нагрев в области подшипниковых узлов, на 30...40% выше средней температуры корпусных деталей, в которых они смонтированы. Например, шпиндель передней бабки токарного станка может сместиться в вертикальной и в горизонтальной плоскостях на несколько сотых долей миллиметра. Аналогичным температурным деформациям подвержены быстроходные валы винты подачи, если они имеют большую длину рабочей части.
2.4.3 Тепловые деформации заготовок
В результате выделения тепла в процессе резания происходят тепловые деформации обрабатываемых заготовок. Известно, что основное количество тепла переходит в стружку, а в обрабатываемую заготовку - незначительное количество, что справедливо и для фрезерной обработки.
Например, при фрезеровании плоскостей в деталь переходит небольшое количество тепла в отличие от фрезерования уступов, пазов. При фрезеровании массивных деталей тепловые деформации несущественно влияют на точность размеров в отличие от фрезерования нежестких заготовок. Обильное охлаждение позволяет практически устранить нагрев заготовки.
2.4.4 Тепловые деформации инструмента
Некоторая часть теплоты, выделяющейся в зоне резания, переходит в режущий инструмент, вызывая его нагревание и изменение размеров.
Авторы статьи «Seco Tools: Контроль механических нагрузок при фрезеровании», рассматривая процесс фрезерования как переменный, то есть зубья периодически входят в заготовку и выходят из нее, и температура режущей кромки возрастает и понижается, отмечают, что, «как правило, 10% тепла поглощает заготовка, 80% - стружка, 10% - инструмент. Оптимальным считают, если стружка отводит большую часть тепла, так как высокие температуры сокращают срок службы инструмента и могут повредить обрабатываемую деталь». На рисунке 13 схематично представлены факторы, влияющие на теплообразование в зоне резания.
Рисунок 13 - Факторы, влияющие на теплообразование в зоне резания
- теплопроводность пластины и заготовки;
- скорость резания и подача;
- геометрия режущей кромки.
Также авторы делают выводы, что «уровень и перепад температуры во многом определяют тип и уровень износа, и соответствующий срок службы инструмента.
Разная теплопроводность материалов, как и другие факторы, оказывает существенное влияние на распределение тепла. При обработке заготовок с низкой теплопроводностью большее количество тепла приходится на инструмент. Кроме того, при обработке более твердых материалов производится большее количество тепла. В целом при обработке с высокими скоростями резания тепловыделение выше, а при обработке с высокой подачей увеличивается площадь режущей кромки, подверженная воздействию высоких температур.
В связи с переменным характером процесса фрезерования зубья участвуют в теплообразовании только часть общего времени обработки. Время, когда зубья фрезы взаимодействуют с заготовкой, зависит от дуги контакта, которая определяется радиальной глубиной резания и диаметром фрезы. Различные фрезерные процессы характеризуются разными дугами контакта (Рисунок 14), например, при обработке пазов фреза наполовину погружается в материал, и дуга контакта составляет 100% диаметра инструмента. Половину времени обработки режущие кромки проводят в зоне резания, и теплообразование происходит быстро. При боковом фрезеровании относительно небольшая часть фрезы единовременно взаимодействует с заготовкой, и режущие кромки лучше отводят тепло в воздух. Избыточное воздействие тепла на инструмент сокращает его срок службы, ускоряя износ или деформацию.
Рисунок 14 - Влияние величины угла контакта на теплообразование в зоне резания
Твердосплавный режущий инструмент, изготовляемый из порошковых металлов - твердых, но хрупких, следует применять при температурах выше минимального критического уровня, при этом увеличивается прочность материалов, содержащих порошковый металл, при слишком же низких температурах резания хрупкий инструмент ломается, выкрашивается или провоцирует нарост кромки. Необходимо точно соблюдать диапазон температур резания.
Контролировать температурные нагрузки помогает геометрия фрезы и зубьев. Геометрия фрезы определяет позиционирование инструмента относительно заготовки. Фрезы с позитивным передним углом режущей кромки, при котором зубья плавнее входят в материал заготовки, как бы «выравнивают» его, обеспечивают пониженные усилия резания и производят меньше тепла, позволяя использовать повышенные усилия резания. Однако, инструмент с позитивным углом слабее, чем с негативным. Проблема отрицательного угла заключается в том, что он увеличивает силы резания, а это не подходит для обработки миниатюрных деталей, тонкостенных конструкций или же вязких материалов, таких как нержавеющая сталь, малоуглеродистая сталь, суперсплавы и алюминий (образуется нарост). Повышение нажима на деталь приводит к её деформации.
Геометрия режущей кромки определяет и контролирует процесс резания и усилия резания и влияет на тепловыделение. Кромка инструмента может сточиться, скруглиться или заостриться в месте контакта с заготовкой. Сточенные или скругленные кромки прочнее, но также требуют повышенных усилий резания при высоком теплообразовании. Заостренная кромка обладает меньшей прочностью, но снижает усилия резания и теплообразование.
Еще один способ контролировать теплообразование при обработке металла -- применение СОЖ, когда это целесообразно/
Таким образом, можно выделить основные пути управления тепловыми явлениями при резании лезвийным инструментом [24].
2.4.5 Пути регулирования теплообразования и снижения температуры при механической обработке
С целью общего изменения температуры:
- регулирование мощности теплообразования (изменением режима работы, высокоскоростная и сверхскоростная обработка, варьированием геометрией и конструкцией инструмент, распределение работы резания между несколькими инструментами или зубьями, работающими последовательно или одновременно, например, замена расточного резца зенкером с числом зубьев n)