СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ УСТРАНЕНИЯ ВИБРАЦИЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ НА ФРЕЗЕРНЫХ СТАНКАХ С ЧПУ
MODERN METHODS TO ELIMINATE VIBRATIONS WHEN PROCESSING ON CNC MILLING MACHINES
– к. т.н., доцент
– аспирант,
Университет машиностроения, Москва
E-mail: *****@***ru
Abstract. The article discusses ways to eliminate vibrations in the technological system "machine – fixture – workpiece – tool" and modern methods of vibration diagnostics. The method of monitoring of processing is offered.
Key words: vibrodiagnostics, CNC machine
Аннотация. В работе рассмотрены способы устранения вибраций в технологических системах «станок – приспособление – деталь – инструмент», современные методы вибродиагностики. Предложен способ мониторинга процесса обработки.
Ключевые слова: вибродиагностика, станки с ПУ
Актуальной задачей в процессе механической обработки была и остается задача повышения качества обрабатываемой поверхности. Одной из основных причин, ухудшающих качество поверхности детали, являются вибрации технологической системы, обусловленные действием различных динамических факторов, возникающих в процессе обработки. Вибрации - механические колебания, которые наблюдается в процессе многозубой обработки, в частности, при фрезеровании и являются совокупным фактором, сочетающим в себе все колебания технологической системы (ТС) станок – приспособление – деталь – инструмент. Подчас трудно учесть все возможные источники колебаний. Можно предположить, что для отдельно взятой детали из партии, при прочих равных условиях обработки резонансные частоты, будут находиться в определенных пределах. Что нельзя сказать о партиях деталей, имеющих другие формы, размеры, режимы обработки, конструкцию режущего инструмента и пр. Явление резонанса будет возникать на других частотах, влияя на процесс обработки и проявлять себя в снижении качества поверхности, точности изготовления деталей.
Основными источниками возникновения вибраций в ТС являются:
- нежесткая конструкция станка; неравномерные тепловые деформации; люфты в подвижных элементах конструкции (подшипники, ШВП, муфты); переходные процессы в системе управления приводами и самих приводах; погрешность закрепления заготовки (детали); сложные колебания инструмента в процессе обработки; дисбаланс вращающихся элементов конструкции станка и ТС.
Вышеперечисленные факторы в различной степени влияют на возникновение вибраций и имеют место при обработке на современных станках. В данной работе проведен анализ современных методов снижения влияния вибраций на работу технологической системы.
Нежесткость конструкции станка (технологической системы). Под жесткостью упругой системы понимают её способность оказывать сопротивление действию сил, стремящихся её деформировать. Большая жесткость системы является одним из основных условий достижения точности при обработке. При отсутствии достаточной жесткости под действием сил резания и других сил система деформируется, что приводит к искажению формы детали и получению неправильных размеров. С жесткостью системы связано и явление вибрации. Системы, обладающие большой жесткостью, могут работать с более высокими режимами резания без появления вибраций, что обеспечивает их большую производительность.
Жесткость станков главным образом повышается за счет усовершенствования конструкции, проведения сложных инженерных расчетов и применения дополнительных устройств, таких как ребра жесткости, например.
Неравномерность тепловых деформаций. Этот тип колебаний имеет достаточно низкую частоту, измеряемую десятыми и сотыми долями Герца. В современном мире с этим явлением борются установкой на оборудование специальных охлаждающих систем, которые включаются при достижении температуры определенного уровня. Как правило - это диапазон 20-25 градусов по Цельсию. А некоторые, особо точные станки даже откажутся работать, пока в помещении, где они установлены, не будет выдержан необходимый температурный режим. Производители станков, чья продукция предназначена для обработки в диапазоне 0,01-0.001мм не могут пренебрегать температурными колебаниями.
Так же эффективным способом борьбы с температурными колебаниями является применение для объёмных корпусных частей станка специальных бетонов. В этом случае в разработанную опалубку устанавливается арматура и заливается бетонным раствором. После отверждения бетона опалубка удаляется. Далее ведется монтаж других узлов обычным способом. Для сравнения: коэффициенты линейного теплового расширения чугуна 10x10-6(1/КЕЛЬВИН) и бетона 0,1х10-6(1/КЕЛЬВИН), т. е. разница в 10 раз.
Люфты в подвижных элементах конструкции. С целью обеспечения продолжительной работы в тяжелых условиях шариковые и роликовые подшипники, обобщенно называемые подшипниками качения, могут быть спроектированы и изготовлены, как полностью керамическими, или как специальные гибридные подшипники. В керамических подшипниках кольца и элементы качения (шарики или ролики) изготавливаются полностью из керамики, а в гибридных подшипниках из керамических материалов изготавливаются только элементы качения, тогда как кольца изготавливаются из подшипниковой стали с особыми свойствами. Такие подшипники имеют срок службы до 6 раз более долгий, чем обычные.
Как правило, в станках с ПУ линейное перемещение реализуется с использованием наиболее распространенных кинематических схем, которые используются в современном станкостроении: шарико-винтовой пары, реечной передачи и линейного двигателя.
Известно, что станки с приводами, в которых используются шарико-винтовые пары, теряют точность за 3-5 лет эксплуатации (преднатянутые одноопорные, консольные ШВП не исключение). То же касается и роликовых направляющих.
Реечная передача, где механическое воздействие рабочих элементов более динамичное, потеря точности происходит ещё раньше.
Линейные двигатели широко используются также в приводах подачи металлорежущих станков и в робототехнике.
Любой привод с ШВП или реечный механизм по многим показателям значительно уступает линейному приводу. Основной причиной этого являются конструктивные недостатки (большое количество промежуточных элементов, зазоры, трение в сопрягаемых деталях, погрешности в шаге винта и многие другие).
В системах линейного привода практически полностью решены вопросы обеспечения требуемых динамических характеристик как при управлении траекторией движения, так и точностью позиционирования. Вибрации в данном виде приводов, могут возникать по вине электронной части управляющей системы и сочетаться со следующим пунктом.
Переходные процессы в системе управления приводами и самих приводах. В связи с интенсивным развитием электроники, компьютерных технологий, информационных систем управление приводами и другими исполнительными органами станка происходит на более высоком качественном уровне и позволяет не только избегать, но и регулировать и контролировать колебательные процессы в ТС. Примером могут служить токовые фильтры, эквалайзеры АЧХ и другие устройства, позволяющие корректировать и сглаживать АЧХ привода в необходимых пределах.
Погрешность закрепления заготовки (детали). Большая жесткость детали в процессе обработки достигается рациональным положением опор при установке детали на станке, а также применением дополнительных опор. Использование гидравлических, пневматических устройств закрепления заготовки снижает уровень возникновения нежелательных колебаний. При обработке тонкостенных конструкций принимаются меры по изготовлению дополнительной технологической оснастки, использованию специального инструмента, подбора необходимых режимов резания, выбор соответствующей условиям стратегии создания управляющей программы.
Сложные колебания инструмента (фрезы) в процессе обработки. Вибрации – периодические колебания элементов ТС.
Существует несколько видов колебаний, из которых наибольшее влияние на качество и точность оказывают вынужденные и автоколебания.
Вынужденные – вызываются внешними причинами. Этими причинами могут быть – дефекты передач станка, дисбаланс вращающихся масс, прерывистый характер резания, колебания толщины снимаемого слоя материала, внешние удары и толчки и пр.
Способы борьбы с вынужденными колебаниями:
- повышение точности станков
- установка станков на массивные фундаменты или на виброопоры.
Но даже если предположить технологическую систему абсолютно жесткой и исключить вынужденные и др. колебания, то с автоколебаниями дело обстоит иначе.
Автоколебания – создаются и поддерживаются процессом резания. Собственно это и есть колебания фрезы. При совпадении собственной частоты технологической системы с частотой колебаний фрезы и возникает явление резонанса. Диапазон, в котором возникает резонанс, может варьироваться в пределах частоты оборотов вращения шпинделя. А если учесть, что ТС не является абсолютно жесткой, и что колеблются все элементы системы (станок, приспособления, заготовка, инструмент), то возможно появление дополнительных частот (гармоник). Автоколебания приводят к нестабильной работе технологической системы. В результате автоколебаний на поверхности деталей появляются дефекты. Способы борьбы с автоколебаниями:
- увеличение масс колеблющихся частей (с увеличением массы снижается частота собственных колебаний);
- увеличение массы элементов технологической системы; обеспечение необходимых параметров резания.
Дисбаланс вращающихся элементов конструкции станка и ТС. Дисбаланс - векторная величина, характеризующая неуравновешенность вращающихся частей машин (роторов, коленчатых валов, шкивов и тому подобное). Неуравновешенность возникает при несовпадении оси вращения с главной осью инерции. Совмещение этих осей достигается балансировкой. Выделяют статическую и динамическую балансировки.4
В настоящее время для контроля состояния станка существует масса различных диагностических комплексов. В их числе: системы контроля вибраций, представляющие собой встроенное в станки с ЧПУ устройство, обеспечивающее решение многочисленных проблем связанных с вибрациями, возникающими при работе станков с ЧПУ; системы адаптивного управления и контроля, обеспечивающие выбор рациональных режимов металлообработки. Различные производители предлагают каждый свои решения в области вибродиагностки, но в любом случае применение влечет за собой вмешательство в электронную или программную часть станка. Современные системы ЧПУ уже содержат в себе такие комплексы и они, видимо, скоро станут обязательной составляющей для всех систем управления.
Парк фрезерных станков с ПУ, куда нельзя по тем или иным причинам встроить систему вибродиагностики, достаточно велик. Но не каждый владелец оборудования пойдет на сложное дорогостоящее техперевооружение своего станочного парка.
Авторами статьи предлагается способ для определения необходимых параметров обработки деталей любой сложности и на любом оборудовании, в т. ч. универсальном.
При этом не требуется большое количество дорогостоящего инструментария. Для этого необходимы:
- специальная оправка с системой крепления соответствующей системе крепления станка (в нашем случае SK40 с цанговым зажимом ER40); блок приемника-дешифратора; компьютер с установленным программным обеспечением.
В оправку встроен миниатюрный акселерометр, беспроводной радиомодуль, источник питания и установлена фреза с необходимыми диаметром и вылетом. Производитель инструмента обычно указывает рекомендуемые параметры, которые должна обеспечить фреза (скорость резания vc мм/мин, подачу на зуб fz мм/зуб, величину съема ap мм, величину перекрытия ae). Этими данными оперирует технолог при составлении управляющей программы (УП). Во время отработки УП по радиоканалу происходит передача информации с заранее установленной частотой выборки (например, 1000 Гц). Это означает, что 1000 раз в секунду происходит замер значений на выходе акселерометра. Причем датчик выдает три значения соответственно трем осям координат (X, Y.Z). Благодаря тому, что датчик находится в непосредственной близости к рабочей зоне, данные, передаваемые на приемник-дешифратор, являются наиболее достоверными. Кроме того они позволяют исследовать процессы, происходящие в системе зажима инструмента, что недоступно для датчиков с магнитным креплением. В большинстве современных станков фиксация в шпинделе штревеля (хвостовика) оправки происходит посредством цангового зажима, который поджат набором из тарельчатых пружин. На некоторых режимах работы (врезание, выход из зоны обработки и др.) наблюдаются значительные осевые колебания инструмента, что приводит к снижению качества поверхности, требует принятия дополнительных мер (введения в технологический процесс (ТП) дополнительных чистовых операций и т. д.) и способствует удорожанию продукции.
Приемник–дешифратор преобразует сигнал и передает данные на персональный компьютер для последующего анализа и визуализации на экране монитора в виде графической и табличной информации.
Далее инженер-технолог выявляет критические места в процессе обработки тестовой детали и корректирует управляющую программу. Вместо диагностической оправки устанавливается «рабочая». Здесь важно соблюсти такой же вылет инструмента, как и при диагностике. Способ подходит для средне - и крупносерийного производства.
В заключение важно отметить, что системы вибродиагностики приобретают все большую значимость в современном станкостроении и позволяют:
- снизить время обработки; увеличить срок службы инструмента; увеличить производительность станка; увеличить качество и точность выпускаемой продукции; снизить влияние «человеческого фактора».
Интернет-источники
http://www. thermal-rus. ru http://www. friatec. de http://vunivere. ru https://ru. wikipedia. org