Автоколебания при резании

При автоколебаниях потери механической энергии вследствие ее рассеи­вания (демпфирования) периодически пополняются притоком энергии от ис­точника, не обладающего колебательными свойствами. Например, в механи­ческих часах таким источником энергии является взведенная пружина или поднятая гиря, в электронных часах — батарейка. Одной из задач исследова­ния автоколебаний при резании являлось выяснение природы источника энер­гии, поддерживающей автоколебания. Возникновение источника энергии, под­держивающей автоколебания при трении или при резании, является следстви­ем неоднозначности зависимости силы от пути за период колебания. Это мо­жет привести к тому, что работы сил за каждую половину периода колебания будут разными, причем разность этих работ в зависимости от ее знака будет способствовать либо раскачиванию (Е>0), либо демпфированию (Е<0) колеба­ний (рис. 3.2).

Одним из условий, необходимых и достаточных для того, чтобы энергия за период колебания была положительной, является падающая характеристика силы от скорости колебаний. К другим возможным причинам относят запазды­вание силы по отношению к перемещению, а также «координатные связи» между колебаниями.

Существующие расчетные модели автоколебаний при резании строились на одной из упомянутых трех гипотез об источнике возбуждения автоколеба­ний при резании: падающей характеристике зависимости «сила — скорость резания» (А. И. Каширин, Р. Арнольд, Л. С. и С. Л. Мурашкины, В. В. Заре); за­паздывании изменения силы от изменения пе­ремещения (Н. И. Ташлицкий, В. А. Кудинов,

Автоколебания при резании

Рис. 3.2. Схема возникнове­ния энергии раскачивания колебательной системы при нелинейных зависимостях силы от перемещения

М. Е. Эльясберг); возбуждении автоколебаний за счет координатной связи вертикальных и гори­зонтальных перемещений вершины резца отно­сительно обрабатываемой детали (В. А. Ку­динов, И. Тлусты).

Для поддержания постоянной амплитуды колебаний необходим некоторый дополнитель­ный механизм — «клапан», регулирующий по­ступление энергии в колебательную систему.

Роль такого клапана играет нелинейность зави­симостей энергий демпфирования (Е) и раска­чивания (£*) (см. рис. 3.2).

При уменьшении амплитуды колебаний энергия, раскачивающая систему, становится больше энергии демпфирования. При этом амплитуда колебаний вновь возрастает. При увеличении амплитуды в сравнении с а0 энергия демпфирования превосходит энергию раскачивания и амплитуда вновь уменьшается (рис. 3.3).

Представляет значительный интерес изучение раздельного влияния про­цессов трения на задней и передней поверхностях инструмента.

Автоколебания при резании

Рис. 3.3. Схема регулирова­ния амплитуды автоколеба­ний при нелинейных энергиях демпфирования и раскачива­ния системы

Для объяснения механизма возникновения колебаний в результате трения задней поверхности инструмента и детали может быть использована модель Ван дер Поля. Согласно этой модели сила трения F между подпружиненным с двух сторон грузом G и движущейся со скоростью v лентой уменьшается с уве­личением скорости (рис. 3.4).

Процессы на задней поверхности играют важную роль в возникновении автоколебаний при резании. Об этом свидетельствует, напри­мер, тот факт, что при тонких срезах вибрации возникают чаще, чем при толстых (рис. 3.5).

Вследствие падающей зависимости силы F от суммарной скорости движения ленты и коле­баний груза (v + x|) возникает энергия, необхо­димая для поддержания автоколебаний. Можно предположить, что сила трения на задней по­верхности будет уменьшаться с ростом скоро­сти колебательного движения по аналогии с моделью.

Автоколебания при резании

0,2 0,4 0,6

0,8 а, мм

Рис. 3.5. Влияние толщины срезаемого слоя на амплитуду (светлые точки) и частоту (темные точки) колебаний при точении [82]

Автоколебания при резании

Рис. 3.4. Схема возбуждения коле­баний силами трения в модели Ван дер Поля [82]

В тех случаях, когда вибрации определяются процессами на задней по­верхности, виброустойчивость процесса резания может быть существенно по­вышена, если резец расположить передней поверхностью вниз и подавать под заднюю поверхность смазочно-охлаждающую жидкость (рис. 3.6). Это связано, по-видимому, с более эффективной схемой смазки и уменьшением силы тре­ния. Другой причиной может быть более благоприятная схема сил (включая и вес верхних салазок суппорта), что способствует лучшему демпфированию.

Автоколебания при резании

Рис. 3.6. Схема точения с пе­редней поверхностью, обра­щенной вниз, и с поливом СОЖ на задние поверхности инстру-

С увеличением ширины срезаемого слоя амплитуда автоколебаний возрас­тает прямо пропорционально ширине среза b (рис. 3.7). Это легко объясняется увеличением сил с ростом ширины срезаемого слоя.

Автоколебания при резании

А,

Рис. 3.7. Влияние ширины срезаемого слоя на амплитуду и частоту колебаний при то­чении [82]

Признаком колебаний, вызванных процессами в зоне стружкообразования и на передней поверхности инструмента, является волнистая (или зубчатая) свободная поверхность стружки. Эти колебания проявляются в повороте зоны
стружкообразования и соответствующих изменениях усадки стружки и длины контакта стружки с инструментом.

Автоколебания при резании

0 40 80 120 V, м/мин

Физической причиной таких колебаний, по-видимому, является «падающая харак­теристика» — убывающая зависимость пре­дела текучести от температуры. При этом частота колебаний не зависит от парамет­ров сечения срезаемого слоя, поскольку она определяется только массой и жестко­стью колеблющейся системы.

Передний угол и скорость резания ока­зывают влияние на амплитуду колебаний в той мере, в какой они влияют на силы Рис. 3.8. Влияние скорости резания (рис. 3.8). и переднего угла инструмента на

„ _ амплитуду колебаний при точении

Способы ослабления или полного га — гоо1

стали [82]

шения автоколебаний при резании направ­лены на уменьшение работы сил, поддерживающих колебания и на увеличе­ние работы сил сопротивления (демпфирования). Уменьшение энергии, под­держивающей колебания, достигается рациональным выбором режимов реза­ния и геометрических параметров инструмента, применением смазки, исполь­зованием свойств нароста и застойной зоны. Одним их эффективных способов увеличения сил сопротивления является повышение жесткости технологиче­ской системы «станок — приспособление — инструмент-деталь». Другой спо­соб состоит в применении виброгасителей, способных поглощать энергию и за счет этого увеличивать демпфирование [13,14].

Так, гидравлические виброгасители основаны на рассеивании энергии при протекании вязкой жидкости через дроссельное отверстие. Действие фрикци­онных виброгасителей основано на рассеивании энергии в пакетах тарельча­тых пружин при трении их по сопрягаемым поверхностям. Виброгасящим эф­фектом обладает, например, простая свинцовая прокладка под резцом. В этом случае энергия расходуется на пластические деформации свинцовой проклад­ки. Аналогичный принцип используется в виброгасителях ударного типа: в по­лость виброгасителя помещают свинцовый цилиндр несколько меньшего диа­метра и длины, чем размеры полости.

При возникновении вибраций свинцовый цилиндр ударяется о стенки по­лости. При ударах затрачивается энергия на деформацию цилиндра. Потери энергии демпфируют колебания.

Увеличение переднего угла и укорочение и стабилизация длины контакта стружки с инструментом снижают (или полностью устраняют) вибрации. Осо­бенно эффективны эти меры при работе с толстыми срезами.

Физический смысл влияния переднего угла на автоколебания состоит в том, что при увеличении переднего угла уменьшается удельная работа де­
формации и, следовательно, уменьшается энергия, раскачивающая колеба­тельную систему. В связи с этим устойчивые колебания наблюдаются при меньшей амплитуде колебаний. Аналогичное влияние оказывает и искусствен­ное укорочение передней поверхности инструмента. В последнем случае эф­фект демпфирования усиливается также за счет того, что при возникновении колебаний зоны стружкообразования длина контакта стружки с инструментом остается неизменной, что приводит к уменьшению энергии, раскачивающей колебательную систему.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите дифференциальное уравнение свободных колебаний при наличии силы упругости, пропорциональной перемещению, и силы сопро­тивления, пропорциональной скорости перемещения. Что такое коэффици­ент демпфирования? собственная частота свободных колебаний? собст­венная частота колебаний демпфированной системы?

2. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Приведите примеры в приложении к изученным способам лезвийной обра­ботки.

3. Что такое автоколебания?

4. Охарактеризуйте различные гипотезы возникновения автоколебаний при резании.

5. Какова схема возбуждения колебаний при трении в модели Ван дер По­ля?

6. Влияние условий резания на возникновение вибраций, амплитуду и частоту автоколебаний.

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.