В связи с возрастанием скоростей резания и усложнением конструкции режущих и вспомогательных инструментов важную роль играют возникающие при работе станка колебания. Они резко снижают стойкость режущих инструментов, отрицательно действуют на шпиндельные опоры станка, ухудшают качество обработанной поверхности. Поэтому борьба с вибрациями в условиях работы ГПМ приобретает важное значение.
Имеется много пассивных и активных методов, позволяющих снизить статические деформации и(или) повысить виброустойчивость консольных инструментальных оправок, особенно большой длины. Этого можно добиться снижением уровня сил резания, использованием оправок с высокой демпфирующей способностью, периодическим изменением режимов резания путем изменения частоты вращения инструмента или обрабатываемой детали, шага зубьев многолезвийных инструментов и т.д., применением систем адаптивного управления.
Снижение уровня сил резания может быть обеспечено правильным выбором геометрии инструмента, химическим составом СОЖ или тонкопленочных покрытий на режущих инструментах, подогревом зоны резания, введением в нее дополнительных ультразвуковых колебаний (два последних способа используются при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов).
Демпфирование колебаний может быть достигнуто:
- армированием материала оправок твердосплавными волокнами (анизотропия механических свойств);
- правильным выбором материала оправки (согласно имеющимся данным различия в стойкости инструмента в этом случае достигают 50%);
- комбинацией двух разнородных материалов, например карбида вольфрама и металлического вольфрама, имеющего высокую демпфирующую способность;
- использованием предварительно напряженных оправок. Такая оправка представляет собой трубчатый стержень из алюминиевого сплава с центральным отверстием, замкнутый с двух сторон заглушками с уплотнениями. Отверстие заполняется легкоплавким сплавом, например висмутом, который при отвердевании увеличивается в объеме, т.е. может расширяться. Между трубкой и сплавом имеется слой масла. Расширение твердеющего сплава приводит к расширению трубчатого стержня, изменяя его жесткость.
Так, при длине оправки 710 мм и диаметре 13 мм отмечено увеличение жесткости на 40 %. Оно может быть увеличено при использовании тонкостенных трубок, а также в случае приложения больших растягивающих усилий при изменении материала трубки;
- зажимом инструмента с помощью упругих элементов — резино-металлических цанг или прокладок, тонкостенных втулок и т.п.;
- введением в конструкцию оправки масляных, механических и прочих демпферов.
В некоторых современных устройствах адаптивного управления используется лазер, встроенный в оправку. Схема одного из таких устройств для обработки отверстий большого диаметра. В оправке установлены два резца: черновой и чистовой, а на периферии — направляющие пластины. Чистовой резец закреплен в оправке с помощью упругого прижима. Внутри оправки вмонтирован полупроводниковый лазер. Его излучение через разделитель и зеркало попадает на детекторы.
Деформации оправки под действием сил резания фиксируются с помощью отклонения положения лазерного луча, а также с помощью сенсоров (датчиков касания). Изменение положения вершины чистового резца осуществляется под действием пьезоэлектрического устройства и рычага. Возникающие перекосы оси оправки регулируются двумя шаговыми двигателями и шарико-винтовыми парами. Для направления оправки служат направляющие .
В современных станках даже относительно крупные шпиндели с диаметрами шеек подшипников 100...120 мм и конусом 50, работают с частотами 20.. .30 тыс. об/мин. Такие высокие частоты предъявляют жесткие требования к инструментальной оснастке, в том числе по степени ее динамической балансировки, так как центробежные силы могут достигать очень высоких значений. Например, для инструмента, имеющего массу 10 кг и эксцентриситет только 1 мкм, дисбаланс достигает 108 Н • м, а центробежная сила при частоте вращения 30 тыс. об/мин равна 100 Н. Такая сила может существенно воздействовать на динамическое состояние станка, особенно если частоты резания близки к частотам собственных колебаний. Степень балансировки может влиять на точность и качество обработанной на станке поверхности, стойкость инструмента и ресурс шпиндельных подшипников.
В условиях свёрхскоростного резания в ряде случаев наблюдалось разрушение режущего инструмента в результате дисбаланса.
В системе инструментальный блок — шпиндель именно первый отвечает за появление дисбаланса, поскольку шпиндель точно сбалансирован на станкостроительном заводе. Дисбаланс в инструментальном блоке возникает вследствие целого рада причин, в частности из-за наличия торцовых и продольных шпонок, пазов для захватов манипулятора и ориентации оправки в магазине, головок винтов, единичных лезвий режущих инструментов, например расточных резцов и др.
Точность балансировки для многоцелевых станков, работающих в традиционном диапазоне скоростей, должна быть не ниже класса G2.5 по стандарту ISO 1940/1:1986; для высокоскоростных станков — в пределах классов G1 - GO.4. Номер в обозначении класса представляет допустимый дисбаланс (в миллиметрах) на 1 кг массы, вращающейся с частотой 10 тыс. об/мин.
Согласно данным фирмы «Kennametal-Hertel», использование шпиндельных оправок с комплектом балансировочных колец обеспечивает устойчивую работу при частотах вращения до 40 тыс. об/мин, тогда как для обычных оправок частоты не превышают 8 тыс. об/мин.
Для обеспечения хороших условий работы балансировка инструментального блока производится перед его установкой на станок. Она может осуществляться, в частности, с помощью пары балансировочных колец, располагаемых на оправке.
Балансировка может выполняться в статике или в динамике. В последнем случае используют роторы, установленные на шпинделе, которые могут вращаться под действием постоянного магнитного поля. Два ротора установлены на подшипниках в неуравновешенном вращающемся элементе (шпинделе, оправке и т.д.). Оба ротора на периферии имеют небольшие постоянные магниты. Между роторами и пластинами статора имеется воздушный зазор. В статоре предусмотрена система воздушного охлаждения. Магнитное поле роторов изменяется синхронно с возбуждающим сигналом (колебаниями) и вызывает их циклические повороты, вследствие чего уменьшается дисбаланс.