Вибрации в процессе резания

1. Природа колебательных процессов в резании

Рассмотренные ранее физические явления, характерные для процесса резания, наблюдались в стационарных условиях или при условиях, близких к стационарным. Однако реальный процесс резания, как совокупность про­цессов деформации, трения и разрушения, характеризуется наличием коле­бательных явлений. Эти явления проявляются в колебательном движении режущего инструмента и заготовки, в циклическом изменении силовой и тепловой нагрузок на режущую кромку, в формировании периодического профиля обработанной поверхности, наличии характерного звука при реза­нии и т.д. Частоты и амплитуды этих колебаний зависят от конкретных условий резания, поэтому не всегда колебания в системе СПИД заметны по их внешнему проявлению (свисту, следам на обработанной поверхности и т.п.). Тем не менее, колебания в процессе резания существуют всегда, а возможность их регистрации зависит от разрешающей способности измери­тельных приборов и методов измерения. Колебания влияют на интенсивность износа и прочность режущего инструмента, на точность и шерохова­тость обработанных поверхностей. В одних случаях из-за появления ин­тенсивной вибрации обработка становится невозможной, в других случаях наложение колебаний положительно сказывается на выходных характеристи­ках процесса резания.

Вибрации, наблюдаемые в процессе резания, подразделяют на вынуж­денные и самовозбуждающиеся автоколебания. Причины вынужденных колеба­ний могут быть следующими: а) прерывистый характер процесса резания; б) дисбаланс вращающихся частей; в) погрешности зубчатых передач и пульсация жидкости в гидросистеме станка; г) передача вибраций через фундамент от других станков. Для всех указанных случаев характерно на­личие периодически действующей на систему СПИД возмущающей силы. Уст­ранение этих вибраций обычно не представляет трудностей - необходимо определить и ликвидировать источник периодической силы.

Значительно сложнее природа самовозбуждающейся вибрации, которая может возникнуть и при отсутствии видимых внешних причин. При автоко­лебаниях переменная сила, их поддерживающая, создается и управляется самими колебаниями. Частоты этих колебаний определяются жесткостями и массами элементов системы СПИД, а амплитуды зависят от величины энер­гии, поддерживающей колебания, и энергии, рассеиваемой в системе.

Существует несколько различных гипотез о природе автоколебаний в процессе резания. Н.А. Дроздов показал, что первичные колебания, возникающие из-за неравномерности сил резания и трения, оставляют волны на обработанной поверхности, а при следующем обороте заготовки резец, траектория вершины которого сдвинута по фазе на некоторый угол по от­ношению к предыдущему проходу, срезает слой переменной толщины.

А.И. Каширин выдвинул гипотезу о том, что вибрации начинаются в таком диапазоне скоростей резания, в котором наблюдается уменьшение радиальной составляющей силы Р_у (или силы трения на передней поверх­ности) при изменении скорости резания. А.И. Соколовский эксперименталь­но доказал, что причиной, поддерживающей автоколебания, является пере­менная величина радиальной силы Р_у при периодическом сближении и уда­лении детали и инструмента. При врезании режущая кромка срезает слабо деформированные слои металла, а при отходе она срезает слои металла с повышенной твёрдостью, прилегающие к стружке. Кроме того, на величину силы Р_у влияет инерционность установления деформированного состояния срезаемого слоя и изменение фактических значений переднего и заднего углов.

Наиболее полное экспериментальное подтверждение получила гипоте­за, согласно которой первичным источником энергии возбуждения автоко­лебаний является запаздывание изменения силы резания при изменении толщины срезаемого слоя. При стационарном процессе резания имеет место равновесие внешних и внутренних сил, действующих на стружку. Опреде­ленной величине этих сил соответствует определенная ширина площадки контакта на передней поверхности, и в том числе определенная ширина участка пластического контакта, в пределах которого формируется затор­моженная зона обрабатываемого материала. Формирование заторможенной зоны и установление соответствующей ширины площадки контакта происхо­дит в результате пластических деформаций в этой зоне, и, следовательно, для установления равновесия сил требуется определенное время.

Как только автоколебательная система выведена из равновесия, мгновенная толщина срезаемого слоя непрерывно и периодически изменяет­ся, в результате чего установление равновесного состояния заторможен­ной зоны и ширины площадки контакта не поспевает за изменением толщины срезаемого слоя. При увеличении толщины срезаемого слоя ширина площад­ки контакта достигает несколько меньшей величины, а при уменьшении толщины срезаемого слоя - несколько большей величины по сравнению с той шириной контакта, которая была бы при резании с неизменной толщи­ной срезаемого слоя. Поскольку изменение ширины площадки контакта од­нозначно связано с изменением силы резания (при врезании инструмента в деталь толщина срезаемого слоя возрастает, а при отталкивании - умень­шается), то сила резания при врезании должна быть меньше, чем при от­талкивании.

Развивая эту гипотезу, В.А. Кудинов ввел понятие о динамической характеристике резания, которая представляет собой зависимость изме­нения силы резания от вызвавшего это изменение относительного смещения детали и инструмента:

, (10.1)

где W_p - характеристика резания; Р_аga - сила резания, учитывающая изменение толщины среза а, переднего угла g и заднего угла a; у - от­носительное смещение заготовки и инструмента в направлении, перпенди­кулярном поверхности резания.

Сила резания отстает по фазе от изменения толщины срезаемого слоя. Применительно к автоколебаниям при резании это означает, что си­ла резания совершает работу, идущую на возбуждение колебаний.