Файл: Адаптивное управление металлорежущими станками..pdf

возникают на той главной форме колебаний системы, для которой

емая в системе, минимальна. При этом условие равенства энергии, вносимой в систему резанием, и рассеиваемой энергии достигает­ ся при относительно меньших значениях kp (т. е. глубины резания t), чем на других формах колебаний.

Проиллюстрируем сказанное на примере токарной обработки на станках с максимальным диаметром обработки 300—400 мм. При обработке углеродистых сталей со скоростями резания от 30 до 100—-120 м/мин обычно имеют место низкочастотные автоколе­ бания (сотни герц) и устойчивость определяется параметрами си­ стемы изделия.

При обработке в патроне жестких деталей минимальное демп­ фирование в соответствующем частотном диапазоне имеет шпин­ дель, и частота возникающих автоколебаний, как правило, близка к частоте собственных колебаний шпинделя (200—250 гц).

При обработке в патроне нежестких деталей сравнительно лег­

массивных заготовок частота автоколебаний близка к частоте соб­ ственных качательных колебаний заготовки как жесткого тела (100—180 гц), так как рассеивание в системе зависит главным образом от рассеивания в центровых гнездах (отсюда существен­ ная зависимость устойчивости от силы поджима детали задним центром).

Так же, как и в случае установки в патроне, при обработке з центрах нежестких заготовок частота автоколебаний определяется частотой собственных изгибных колебаний детали.

При высоких скоростях резания, как правило, преобладают высокочастотные автоколебания (тысячи герц) и устойчивость оп­ ределяется системой инструмента, поскольку рассеивание в этом частотном диапазоне зависит от рассеивания в материале резца.

Рассмотренные случаи в чистом виде проявляются не всегда, и в реальных условиях при соответствующих сочетаниях параметров станка, детали и инструмента одновременно могут иметь место колебания нескольких форм.

Принятая схема, существенно упрощающая явления, происходя­ щие при резании, удовлетворительно‘описывает зависимость устой­ чивости при резании, от основных параметров процесса. Однако использование расчетов, в том числе и более точных, для непо­ средственного определения границ устойчивости не представляет­ ся возможным. Это связано с трудоемкостью расчетного опреде­ ления приведенных параметров упругой системы (массы и жест­ кости), недостатком сведений о рассеивании энергии в элементах

механической системы станка и с недостаточной изученностью вида_и параметр,пн динамической ѵяря-ктеристики резания.

Используя приведенные выражения, можно предложить прос­ тейшую схему приближенного расчетного определения границ устойчивости -пересчетом на основе подобия. С помощью такого пересчета были построены расчетные кривые на рис. 94. В этом случае по экспериментальным значениям &p = &pmin и Гр= Г ро > с0"

ответствующим абсолютной устойчивости, определяли -значения kp при других Гр, исходя из условия, что частота автоколебаний во всем диапазоне изменения скорости резания V остается постоян-

Если экспериментальные значения £Рот,пи ГРо> соответствующие

границе абсолютной устойчивости, и частота автоколебаний а> не известны, для построения границы устойчивости в координатах V—t можно использовать пересчет по значениям предельной глу­ бины резания, установленным экспериментально при высокой и низкой скоростях резания. Полагая, что приведенные параметры упругой системы при изменении s/t не меняются, можно записать:

для скорости Ѵі

можно видеть, расчетная и экспериментальная кривые достаточно близки.

Рис. 95. Зависимость предельной глу­ бины резания от скорости резания [93]:

Аналогичным образом можно ориентировочно оценить влияние на устойчивость при резании, изменения условий обработки. При­ веденные выше выражения для значений kv, соответствующих границе устойчивости, справедливы для системы, в которой энер­ гия вносится и рассеивается на одном и том же перемещении. В общем случае амплитуда ар в зоне резания, от которой зависит ве­ личина вносимой энергии, не равна амплитудам а, определяющим уровень рассеиваемой энергии. Известно, что при обработке на

Рис. 96. Расчетные схемы для оценки влиянияна устой­ чивость при резании положения инструмента по длине за­ готовки (а) и по диаметру (б)

токарном станке жесткой заготовки в -патроне с поджимом задним центром колебательную систему изделия, определяющую устойчи­ вость при резании, приближенно можно представить в виде, по­ казанном на рис. 96, а. Для этой системы рассеиваемая энергия

д А ~ ^ - ,

2

где а — амплитуда колебаний заднего конца заготовки.

Энергия, вносимая резанием

ДД = тс kpcfi ^ р.+ V l +ут»

1+ “2V

где ûp — амплитуда относительных колебаний инструмента и заго­ товки.

Для весьма жесткой заготовки %

(где L — длина заготовки, X — расстояние от переднего конца за­ готовки до зоны резания). Тогда из условия ДЛ = ДЯ

Приведенная зависиімость может быть использована для оцен­ ки изменения предельных режимов резания по длине заготовки, если влияние жесткости закрепления переднего конца заготовки и ее собственной жесткости незначительно.

При -подрезке торца детали, закрепленной в патроне (рис. 96, б), рассеиваемая энергия

ше, чем больше диаметр зажима и чем меньше диаметр обработки. Коэффициент жесткости зажима с зависит также от зажимаемой длины I (чем больше I, тем больше с и выше устойчивость).

Сравнение результатов экспериментов и расчетов по приведен­ ным зависимостям показывает, что таким путем можно более или менее достоверно определить 'границу устойчивости при изменении условий обработки только в том случае, если-влияние изменяюще­ гося фактора значительно. Удовлетворительную точность дает пе­ ресчет по скорости резания. Аналогичные расчеты пока не позво­ ляют оценить сравнительное влияние на устойчивость толщины среза (подачи), затупления инструмента, изменения жесткости де­ тали и т. п. Использование при расчетах на основе подобия более сложных зависимостей или проведение уточненных расчетов, как уже указывалось, не представляется целесообразным. Поэтому особое значение приобретает оценка возможностей и разработка*

методов автоматического определения момента приближения к границе устойчивости и поддержания процесса резания в устойчи­ вой области.

Оценка возможности автоматического определения границы устойчивости. Границу устойчивой работы в зависимости от режи­ мов резания обычно определяют по так называемой «предельной стружке». Обработку ведут при заданных V H S , постепенно увели­ чивая і пока не начнутся интенсивные вибрации. Такой метод определения области устойчивой работы станка в широком диапа­ зоне изменения условий обработки нельзя считать пригодным, так как возникающие автоколебания быстро приводят к потере стан­ ком точности. Поэтому задача заключается в том, чтобы научить­ ся определять приближение к границе устойчивости заблаговре­ менно, по объективным показателям процесса, которые могут быть измерены, В условиях работы адаптивных систем существенное значение имеет также запас устойчивости, при котором будет фиксироваться момент приближения автоколебательного режима: при большом запасе устойчивости будут недоиспользованы воз­ можности станка, при малом — можно не удержать систему в устойчивом режиме.

В каждом конкретном случае автоколебания в станках происхо­ дят, как правило, на какой-то одной частоте — частоте потенциаль­ но неустойчивой формы колебаний. Так, на станках токарной груп­ пы для системы инструмента характерны высокие частоты (тысячи герц), а для системы изделия — низкие (сотни герц). Допустимый уровень колебаний с точки зрения обеспечения требуемой работо­ способности станка и инструмента оказывается разным на разных частотах. Поэтому суждение о приближении к границе устойчивос­ ти по изменению общего уровня амплитуды колебаний представ­ ляется недостаточно точным. В ЭНИМСе была собрана установка, позволяющая судить о приближении к границе устойчивости по возрастанию уровня не суммарной амплитуды колебаний, а ампли­ туды колебаний на любой из частотных составляющих спектра. Сигнал датчика скорости колебаний, измеряющего колебания резцедержки токарного станка в направлении по нормали к обраба­ тываемой поверхности, после усилителя подавался на анализатор спектра; с экрана анализатора спектр фотографировался.

Для построения области устойчивой работы эксперимент про­ водился, как обычно: при заданных V H S устанавливалась пре­ дельная глубина резания, при которой нет вибраций. При каждом сочетании режимов резания V, s и t спектр фотографировался. На рис. 97 приведены примеры спектров, полученные при определении границ устойчивости по низкочастотным колебаниям изделия (рис. 97, а и б) и высокочастотным колебаниям резца (рис. 97, в). Как можно видеть, по мере увеличения глубины резания амплиту­ да колебаний на частоте /0, соответствующей частоте потенциально неустойчивой формы колебаний, резко увеличивается; уровень ко­ лебаний на других частотах с изменением глубины резания меняет-