Жесткость и вибрации при токарной обработке

Жесткость и вибрации при токарной обработке

Общие понятия. В процессе токарной обработки деталей важно учитывать жесткость станка (в частности, суппорта, передней и задней бабок), приспособления, резца или другого режущего инструмента, а также обрабатываемой детали. Говоря проще, необходимо акцентироваться на жесткости упругой системы: станок — приспособление — инструмент — деталь, что сокращенно обозначается как жесткость системы СПИД.

Для наглядности система в нагруженном состоянии представлена на рис. 63. На нем видно, что линия 00 символизирует ось ненагруженного станка. Под действием сил резания передний центр станка смещается (отжимается) от своего нормального положения на величину h₁, а задний центр — на величину h_z. Данная сила также приводит к прогибу детали, который представлен стрелкой h₃, а суппорт отжимается на величину h₄.

Отклонения (отжимы), возникающие из-за недостаточной жесткости отдельных компонентов системы СПИД, всегда имеют место быть. При этом величины отклонений могут варьироваться. Если величины всех отклонений незначительны, форма детали и размеры обрабатываемых поверхностей придут в соответствие с необходимыми требованиями. Однако если жесткость хотя бы одного компонента системы оказывается недостаточной, это приводит к неудовлетворительным результатам обработки, возникают вибрации, затрудняющие нормальную резку, и станок, как принято говорить, «дробит». Разумеется, что в условиях небольшой силы резания недостаточная жесткость системы СПИД проявляется меньше, чем при больших нагрузках.

Причины недостаточной жесткости станка, приспособлений, режущего инструмента и обрабатываемой детали. Жесткость станка во многом зависит не только от жесткости его деталей, но и от качества сборки и регулировки его узлов. Например, детали суппорта некоторых моделей станков могут быть достаточно жесткими, но при недостаточно качественной сборке они образуют нежесткую сборочную единицу. Это также может произойти из-за неправильной регулировки клиньев на направляющих продольных и поперечных салазок суппорта, а также из-за износа этих направляющих. Все перечисленные факторы могут привести к отжиму суппорта и, соответственно, резца.

Сходные причины могут вызывать и недостаточную жесткость приспособлений, таких как 3- или 4-кулачковые патроны, а также специализированные устройства. Жесткость этих компонентов также во многом определяется качеством их сборки и уровнем износа.

Отжим режущего инструмента при различных обработках может варьироваться по степени выраженности и по-разному отражаться на форме и размерах обрабатываемых изделий. Неправильный выбор малого сечения резца при значительной длине его свешивающейся части или ненадежная фиксация могут также стать причиной отжима резца.

Жесткость детали определяется ее размерами и конструктивными особенностями. Тем не менее, существуют различные способы, позволяющие значительно повысить жесткость обрабатываемой детали в процессе токарной обработки.

Примеры таких методов включают использование заднего центра при обработке даже относительно коротких деталей, а также применение люнетов при точении длинных и тонких элементов.

Изменение жесткости в процессе резания. На протяжении токарной обработки одной и той же детали на аналогичном станке жесткость системы СПИД потенциально изменяется.

В процессе обработки силы резания оказываются переменными из-за изменений в сечении снимаемой стружки (например, в результате изменяющейся глубины резания при обдирке отливки) и неравномерной твердости материала обрабатываемой детали. Силы усиливаются с приближением момента затупления резца. Соответственно, увеличение сил резания приводит к увеличению отжима суппорта. При неравномерном износе направляющих поперечных салазок суппорта величина отклонения будет разной в зависимости от положения этих салазок.

Недостаточная жесткость задней бабки более заметна в начале обработки, в то время как недостаточная жесткость передней бабки выделяется в конце обработки вала. Неудовлетворительная жесткость детали, установленной в центрах, сказывается в наибольшей степени тогда, когда резец снимает стружку в середине детали. Недостаточная жесткость резца особенно заметна в моменты, когда возникают максимальные усилия резания.

Явления, возникающие в результате недостаточной жесткости системы СПИД. Допустим, в центрах токарного станка с жесткими бабками (как передней, так и задней) обрабатывается вал. Под действием сил резания вал закономерно испытывает прогиб, что приводит к смещению его от резца. Максимальный прогиб вала будет наблюдаться в момент, когда резец будет снимать стружку в центре длины вала. В результате, диаметр вала в среднем сечении получится больше, чем на его концах. Вал примет бочкообразную форму, которую можно увидеть на рис. 64, а в увеличенном виде. Зависимость величины прогиба и, следовательно, отклонения от цилиндричности вала от его размеров, размеров снимаемой стружки, углов резца, формы его передней поверхности и других обстоятельств чувствительна. Форма жесткого вала, обработанного на станке с недостаточно прочными бабками, отображена на рис. 64, б. При условии, что вал зажат в патроне и не поддерживается задним центром, его форма будет аналогична той, которая изображена на рис. 64, в. Эта форма вала обусловлена недостаточной жесткостью патрона или передней бабки, либо же одновременным воздействием вышеперечисленных факторов.

Дополнительно стоит отметить возможность искажения формы обрабатываемой поверхности, которая может возникнуть при закреплении детали на станке, особенно это заметно при работе с тонкостенными изделиями. Например, стальное упругое кольцо (рис. 65, а) закрепленное в трехкулачковом патроне, будет под воздействием зажимного усилия (кулачков патрона) деформироваться, принимая подобающую форму, показанную (в преувеличенном виде) на рис. 65, б. После обработки внутренняя поверхность кольца окажется с цилиндрической формой (рис. 65, в). Тем не менее, после снятия давления кулачков патрона, кольцо «спружинит», и наружная его поверхность вернется в цилиндрическую форму, а внутренняя, только что обработанная, может существенно отличаться от первоначальной формы (рис. 65, г).