Важность борьбы с вибрациями в современном станкостроении
Современные станки, особенно гибкие производственные модули (ГПМ), работают на всё более высоких скоростях резания и используют сложные инструменты. В этих условиях возникающие колебания становятся серьёзной проблемой. Они не только сокращают срок службы дорогостоящего режущего инструмента, но и негативно влияют на шпиндельные опоры, а также ухудшают качество обрабатываемой поверхности. Поэтому эффективное подавление вибраций — ключевая задача для повышения производительности и точности.
Пассивные и активные методы гашения колебаний
Для снижения статических деформаций и повышения виброустойчивости консольных инструментальных оправок, особенно длинных, применяется целый комплекс методов. Их можно разделить на две группы: пассивные (снижающие уровень возмущающих сил) и активные (использующие системы управления).
Снижение сил резания достигается за счёт:
- Оптимизации геометрии режущего инструмента.
- Применения специальных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и износостойких покрытий.
- Подогрева зоны резания или введения ультразвуковых колебаний (особенно актуально для труднообрабатываемых материалов).
Повышение демпфирующей способности самой оправки — ещё одно важное направление. Этого можно добиться следующими способами:
- Армированием материала твёрдосплавными волокнами для создания анизотропии механических свойств.
- Правильным выбором материала оправки, что может повысить стойкость инструмента до 50%.
- Комбинированием разнородных материалов, например, карбида вольфрама с металлическим вольфрамом, обладающим высокой способностью поглощать колебания.
- Использованием предварительно напряжённых оправок. Такая оправка представляет собой трубку из алюминиевого сплава, заполненную легкоплавким сплавом (например, висмутом). При затвердевании сплав расширяется, создавая внутреннее напряжение и повышая жёсткость конструкции. Эксперименты показывают увеличение жёсткости на 40% для оправки длиной 710 мм.
- Применением упругих элементов для зажима инструмента: резино-металлических цанг, тонкостенных втулок, прокладок.
- Встраиванием демпферов — масляных, механических или других типов — непосредственно в конструкцию оправки.
Адаптивные системы управления с использованием лазера
Современные технологии позволяют создавать интеллектуальные системы адаптивного управления. Примером служит оправка со встроенным лазером. В такой конструкции установлены черновой и чистовой резцы, а также направляющие пластины. Чистовой резец закреплён с помощью упругого прижима.
Полупроводниковый лазер внутри оправки направляет луч на детекторы. Деформации оправки под действием сил резания фиксируются по отклонению лазерного луча и с помощью тактильных датчиков. Для компенсации этих деформаций используется пьезоэлектрическое устройство, которое через рычаг точно корректирует положение вершины чистового резца. Дополнительно два шаговых двигателя с шарико-винтовыми парами устраняют перекосы оси оправки.
Критическая важность балансировки на высоких скоростях
Современные высокоскоростные станки работают на частотах вращения 20–30 тысяч об/мин. При таких скоростях даже минимальный дисбаланс инструментальной оснастки приводит к возникновению огромных центробежных сил. Например, для инструмента массой 10 кг с эксцентриситетом всего 1 микрометр дисбаланс составит 108 Н·м, а центробежная сила на 30 тыс. об/мин достигнет 100 Н. Такие силы могут вызвать резонансные колебания, повлиять на точность обработки, снизить стойкость инструмента и ресурс шпиндельных подшипников, а в крайних случаях — привести к разрушению инструмента.
Основным источником дисбаланса в системе «шпиндель-инструмент» является именно инструментальный блок, так как шпиндель балансируется на заводе-изготовителе станка. Дисбаланс возникает из-за наличия шпонок, пазов для манипуляторов, крепёжных винтов и асимметрии режущих кромок.
Стандарты и методы балансировки
Требования к точности балансировки жёстко регламентированы. Для многоцелевых станков в обычном диапазоне скоростей требуется класс точности не ниже G2.5 по стандарту ISO 1940/1. Для высокоскоростной обработки требования ужесточаются до классов G1 – G0.4. Цифра в обозначении класса указывает допустимый дисбаланс в миллиметрах на килограмм массы при скорости 10 тыс. об/мин.
По данным компании «Kennametal-Hertel», использование специальных балансировочных оправок с набором колец позволяет безопасно работать на скоростях до 40 тыс. об/мин, в то время как обычные оправки ограничены 8 тыс. об/мин.
Балансировку инструментального блока рекомендуется проводить до его установки на станок. Часто для этого используют пару балансировочных колец на оправке. Существует статическая и динамическая балансировка.
Один из передовых методов — динамическая балансировка с использованием магнитных роторов. Два ротора, установленные на подшипниках внутри вращающегося элемента (шпинделя или оправки), имеют на периферии постоянные магниты. Между роторами и неподвижным статором находится воздушный зазор. При возникновении дисбаланса магнитное поле роторов синхронно с колебаниями вызывает их циклическое смещение, что автоматически компенсирует неуравновешенность системы.