Испытание станков на виброустойчивость

В процессе работы металлорежущих станков нередко возникают вибрации, которые во многих случаях ограничивают производительность обработки, вызывают повышенный износ деталей станка, очень неблагоприятно влияют на стойкость инструмента.

Вибрации сильно сказываются на качестве обработанной поверхности, а также на точности ее формы и размеров. Кроме того, вибрации, являясь причиной более или менее интенсивного шума, приводят к утомлению рабочих, обслуживающих не только данный станок, но и окружающие машины.

Причины возникновения вибраций разнообразны. Характер вибраций, наблюдаемых при работе станков, зависит от очень большого числа факторов, в частности от режима резания, жесткости и состояния станка, типа, геометрии и состояния режущего инструмента, свойств обрабатываемого материала.

Различают два основных вица колебаний при работе металлорежущих станков:
1. Вынужденные колебания, которые могут возбуждаться: работой близко расположенных машин, например, ритмическими ударами или толчками (резонансные колебания), неуравновешенностью вращающихся частей станка или обрабатываемой заготовки, особенностями работы привода или недостатками его (погрешности зацепления зубчатых и цепных передач, плохое соединение концов ремня, влияние крестовых и шарнирных муфт, пульсации жидкости в элементах гидропривода и т. д.), прерывистым характером процесса резания.
2. Автоколебания, или самовозбуждающиеся колебания, происходящие при отсутствии периодической внешней силы и возбуждаемые самой силой резания. Амплитуда колебаний этого рода зависит от свойств системы — ее жесткости и масс: составляющих ее элементов. Поступлением энергии, необходимой для поддержания колебательного состояния, управляет сама система. Автоколебания при резании могут быть вызваны, например, зависимостью силы резания от скорости резания, различием усилий при врезании резца в металл и отходе, различными условиями образования нароста на резбе, колебаниями площади сечения стружки и другими причинами.

Вредное влияние вибраций при резании на качество изготовляемых изделий, производительность, стойкость инструмента делает необходимыми хотя общую качественную оценку виброустойчивости станка и изыскание способов предупреждения вибраций и ликвидации их в случае возникновения.

Основными мероприятиями для повышения виброустойчивости проектируемых станков являются:
1) повышение жесткости станка, которая иногда оказывается решающим фактором в указанном отношении;
2) повышение способности системы демпфировать колебания путем применения динамических виброгасителей, материала деталей с высоким внутренним трением (чугун, текстолит, бетон, железобетон) и другими средствами;
3) хорошая динамическая уравновешенность всех быстро вращающихся частей станка.

Устранить вибрации, возникшие в процессе работы станка, удаётся путем:
1) подрегулировки подшипников шпинделя, направляющих, стыков и т. д. с целью устранения излишних зазоров в сопряжениях и повышения таким образом жесткости;
2) более тщательной выверки и уравновешивания обрабатываемой заготовки;
3) изменения инструмента;
4) изменения режима резания, что нежелательно, так как это мероприятие снижает производительность.

Рациональным средством предупреждения колебаний является правильный выбор режима резания. В отношении борьбы с вибрациями выгодно:
1) переходить на скоростное резание, если режим его допускается работой привода;
2) при работе инструментами с отрицательным передним углом скорость резания применять не менее 100--105 м/мин;
3) избегать тонких стружек.

Борьба с колебаниями за счет режущего инструмента, без понижения, однако, его экономической стойкости, достигается подбором целесообразной геометрии его, обеспечением достаточно высокой чистоты поверхностей рабочих граней инструмента, надлежащей жесткостью, выбором по возможности материала с большим внутренним трением (например, применением твердосплавных борштанг для работы на алмазно-расточных станках).

Иногда причиной возникновения вибраций в процессе резания является неудачный выбор или неправильнее использование приспособления (например, зажимного устройства). Необходимо, чтобы обрабатываемая заготовка была зажата возможно ближе к месту обработки и в возможно большом числе точек. Рекомендуется применять патроны с повышенной силой зажима, статически и динамически уравновешенные, надежные люнеты, достаточно жесткие центры и т. д. Нужно следить затем, чтобы вылеты элементов крепления были минимальными.

Виброустойчивость шпиндельного узла со шпинделем, монтированным в подшипниках скольжения, может быть повышена предварительной приработкой на невысоких числах оборотов с последующей подрегулировкой опор.

Подшипники качения, особенно в опорах шпинделей, должны устанавливаться с предварительным натягом. Хорошая регулировка направляющих движения для всех станков особенно необходима в той плоскости, перемещения в которой непосредственно влияют на точность обрабстанного изделия.

Эффективным средством борьбы с вибрациями, возникающими в процессе резания, являются виброгасители — приспособления, позволяющие ликвидировать вибрации на месте. Виброгаситель устанавливается на самом станке. В последние годы был предложен ряд конструкций виброгасителей (главным образом для станков токарной группы) фрикционных и ударного действия (динамических). Фрикционные виброгасители основаны на принципе повышения виброустойчивости системы станок — деталь — инструмент за счет внутреннего трения в каких-либо элементах виброгасителя.

Испытания станков на виброустойчивость производятся при работе его вхолостую и под нагрузкой, причем при помощи соответствующих приборов регистрируются:
1) чистота обработанной поверхности образцов — с помощью профилографа;
2) частоты и амплитуды колебаний соответствующих элементов станка при возникновении чрезмерных вибраций — вибрографом или торсиографом (для крутильных колебаний);
3) частоты сооственных колебаний рабочих органов испытываемого станка — осциллографом; эти колебания возбуждаются обычным способом (например ударом, вызывающим затухающие колебания).

Результаты записей часто позволяют выяснить источник недостаточной виброустойчивости станка и внести в конструкцию соответствующие исправления.

Частоты колебаний могут быть определены с помощью простейших приборов — язычковых частотомеров, действие которых основано на принципе резонанса. Наиболее распространенный частотомер системы Фрама состоит из набора пластинок (язычков) различной массы и упругости, обладающих поэтому различными частотами собственных колебаний. При совпадении частоты колебаний исследуемого элемента или станка с частотой собственных колебаний какой-либо из пластинок частотомера пластинка начинает вибрировать.

Механические вибрографы дают увеличение примерно до 20—25, оптические — до 4ОД, а электрические — до 106, позволяя, следовательно, регистрировать гармоники более высоких порядков.

Для оценки виброустойчивости станка испытание проводится при трех режимах работы:
1) заведомо безвибрационном;
2) заведомо вибрационном
3) переходном, т. е. таком, который по некоторым признакам является безвибрационным, по остальным — вибрационным.

Каждое из этих испытаний проводится при определенном режиме. Можно, например, принять скорость резания и подачу при всех трех испытаниях одинаковыми, варьируя только глубину резания для получения необходимого экспериментального режима. Виброустойчивость испытываемого станка считается отличной, если все три испытания проходят без вибраций, хорошей, если вибрации наблюдаются только при заведомо вибрационном режиме, и удовлетворительной, если вибраций нет только при заведомо безвибрационном режиме работы станка.

Такой способ оценки виброустойчивости станка является ориентировочным и дает лишь приближенное представление о поведении станка при режимах работы, отличных от принятого при испытаниях на виброустойчивость.