Вибрационное исследование державок резцов при чистой обработке

При работе металлорежущего оборудования его работоспособность можно определить по виброакустическому сигналу, который позволяет судить о качестве процесса резания, его устойчивости, амплитуде и частоте колебаний. Наиболее важным является определение состояния отдельных исполнительных органов станка и выявление наиболее слабого, от которого в наибольшей степени зависит надежность работы станка в целом. Обычно в металлообработке наиболее слабым звеном является режущий инструмент.
Виброустойчивость технологической системы «станок—приспособление—инструмент—деталь» (СПИД) является одним из ключевых вопросов при обработке точением [2]. Около 70% отказов системы СПИД связано с повышенным уровнем вибрации [8]. Виброустойчивость в значительной степени зависит от автоколебаний. Анализ причин возникновения автоколебаний позволяет существенно снизить их влияние на процессы резания. Автоколебания влияют на производительность, надежность и качество обработанной поверхности [6]. Автоколебания зависят от параметров движения колебательной системы, они могут возникать только при наличии переменной силы. При точении возможны вибрации станины, резцедержателя, суппорта, державки резца, заготовки между центрами, крутильные колебания заготовки и шпинделя, вибрации центров и пиноли, передней или задней бабки [2]. Среди них вибрации режущего инструмента являются наиболее опасным явлением, так как они могут влиять на интенсивность износа режущего инструмента, точность размеров обрабатываемой заготовки, работоспособность станка, срок службы режущего инструмента и качество обработанной поверхности [4]. Вибрации технологической системы СПИД могут возникать в вертикальной и горизонтальной плоскостях, параллельно или перпендикулярно направлению подачи, и, следовательно, все это приводит к относительному перемещению заготовки и резца, изменяются параметры режимов резания (т.е. скорость резания, глубина резания и подача), что является основной причиной возникновения переменной силы [1]. Вибрация технологической системы СПИД в основном определяется геометрией режущего инструмента, режимом резания, родом обрабатываемого материала, жесткостью и массой системы станка. Высокая жесткость и низкая масса системы обеспечивают условия для уменьшения вибрации. Вибрацию также можно уменьшать увеличением прочности и твердости обрабатываемого материала [5]. При уменьшении главного и вспомогательного углов в плане (ϕ и ϕ1) увеличивается
радиальная сила резания (Py), за счет чего увеличивается интенсивность вибрации. Чем больше радиус закругления при вершине резца в плане, тем больше амплитуда колебаний [9]. Однако стандартной процедурой, принятой для уменьшения вибрации при обработке резанием, является тщательное планирование параметров режима резания и повышение демпфирующей способности режущего инструмента. Исследования работ [1; 3] показали, что применение демпферов различных форм и типов в конструкциях сборных токарных резцов приводит к уменьшению вибрации. Методы, используемые для снижения вибрации, основаны на экспериментальных исследованиях, позволяющих получить оптимальные условия резания. Для определения состояния технологического процесса используется метод мониторинга технологического процесса, который определяется манипуляцией измерений датчиком (например, таких параметров, как сила, вибрация, температура). Среди этих методов мониторинг вибросостояния является наиболее широко используемым методом, потому что большинство сбоев в работе могут возникнуть из-за повышенного уровня вибрации [8]. Например, Nidhi and Pratesh Jayaswal показали зависимость вибрации от режима резания при точении низкоуглеродистой стали [7; 8]. В результате получено, что скорость резания больше влияет на вибрацию. Abuthakeer и др. проводили экспериментальное исследование влияния режима резания на вибрации при точении алюминия (Al 6066 aluminum). Результаты показали, что глубина резания (38%), скорость резания (35%) и подача (27%) являются основными параметрами, влияющими на интенсивность вибраций [4]. Таким образом, при помощи полученных данных об интенсивности вибраций можно определить рациональные режимы резания для выполнения механической обработки и тем самым увеличить срок службы инструмента и улучшить качество обрабатываемой поверхности. Целью данной работы является изучение влияния параметров режимов резания, вылета резца и конструкции сборного токарного резца на вибрации в процессе механической обработки материалов. Были использованы три заготовки из стали, алюминия и чугуна, а в качестве режущих инструментов — резец со стандартной цельнометаллической державкой, выполненной из стали 40Х и резец со сквозными горизонтальными отверстиями в державке, расположенными в шахматном порядке.
Методика проведения исследований. Эксперименты выполнялись на токарно-винторезном станке модели 16К20ВФ1. Исследовались цельнометаллический сборный токарный резец и металлический резец со сквозными горизонтальными отверстиями, расположенными в шахматном порядке (∅10 мм) со сменными многогранными пластинами (СМП) и с габаритными размерами 150 × 27 × 27 мм. Материал державок резцов — закаленная сталь 40Х, а материал СМП — твердый сплав марки СТ35М с углом при вершине 80°, производитель Sandvik Coromant.
Форма СМП — четырехгранная с отверстием. Обрабатывались три цилиндрические заготовки, изготовленные из стали 45, алюминия Д16 и серого чугуна СЧ20 с диаметрами 68, 62 и 63 мм, и с длинами 190, 160 и 175 мм соответственно. На заготовках были проточены пять канавок шириной 5 мм, разделяющих их на дорожки, для удобства проведения экспериментов и измерения шероховатости. Эксперименты проводились при помощи метода однофакторного эксперимента с целью установления зависимостей между частотой колебаний и режимами резания, вылетом резца и видом обрабатываемого материала. Следует отметить, что при однофакторном эксперименте каждый фактор варьируется, т.е. в каждом опыте варьируют тот фактор, влияние которого необходимо изучать, а все остальные факторы оставляют постоянными, считая, что они не зависят друг от друга и от абсолютной величины их самих [1].

В ТАБЛИЦЕ №1 приведены исходные данные режима резания при однофакторном эксперименте.

Исходные данные для однофакторного эксперемента

На рис. 1 представлен общий вид рабочей зоны станка при использовании металлического резца со сквозными горизонтальными отверстиями при L = 50 мм; N = 400 мин–1; t = 0,05 мм и s = 0,05 мм/об.
Для исследования нового режущего инструмента должно быть установлено влияние режимов резания на вибрацию. С этой целью пьезоэлектрический акселерометр KD-35 наклеивался на рабочую часть резца с нижней стороны с помощью специального клея. Колебания, возникающие во время обработки, фиксировались при помощи пьезоэлектрического акселерометра КД-35 и передавались на многофункциональный анализатор спектра ZET 017-U8. При помощи программного обеспечения ZETLAB, установленного в персональном компьютере, задавались параметры анализа и расшифровки полученных данных (рис. 2). Для частотного анализа сигнала использовалась программа «Узкополосный спектр», которая входит в программный пакет ZETLAB.

Результаты исследования и их обсуждение. В табл. 2 представлены значения частот, полученных при анализе обрабатываемых материалов. На основе данных табл. 2 получены зависимости частоты колебаний от вида обрабатываемого материала и конструкции режущего инструмента, частоты вращения шпинделя, подачи, глубины резания и вылета резца. На рис. 3 показана зависимость частоты колебаний от частоты вращения шпинделя, подачи, глубины резания, вылета резца и вида конструкции режущего инструмента при точении стали 45.