Испытания токарных станков на вибрации - это процесс определения предельной стружки и ее зависимости от того, какая скорость резания на токарном станке. Предельная стружка - это наибольшая ширина среза, снимаемая на станке без вибраций. Предельную стружку определяют по характерному звуку во время работы, по сильной волнистости и зазубренности сходящей стружки, по следам на обработанной поверхности.
Испытание на устойчивость при резании может быть заменено испытанием без резания с помощью вибратора, имитирующего силу резания, датчиков, измеряющих силу и величину перемещения между резцом и деталью, и электронной аппаратуры, позволяющей записать соотношение между силой и перемещением в широком диапазоне частот. По этой зависимости, представляющей собой динамическую характеристику станка, можно после накопления экспериментальных данных определить не только границу устойчивости станка, но и в ряде случаев причину его низкой виброустойчивости.
Испытания токарных станков на вибрации проводились используя токарный станок ТВ 7 в условиях реального резания и в реальном времени. В качестве заготовок использовали предварительно обработанные втулки из стали 35. Обрабатывали резцом с твердосплавной пластиной Т15К6 с углами заточки γ = 0; α = 53°; φ = 45°; λ = 0. Частота вращения шпинделя n = 219; 350 И 650 об/мин; глубина резания изменялась t = О‚1 ÷ 1,2 мм; подача s = 0,1 мм/об. Вибрация на токарном станке измерялась прибором Агат-М, предназначенным для измерения параметров вибрации и числа оборотов, а также для спектрального анализа вибрационных сигналов в целях диагностики технического состояния технологических машин.
Прибор Агат-М соединили (кабелем) с компьютером, что позволяло производить обработку полученных сигналов с использованием программного обеспечения «Диамант 2» системы прогнозируемого обслуживания механического оборудования, разработанного фирмой Диамех 2000. Программное обеспечение «Диамант 2» предназначено для использования в системе прогнозируемого обслуживания механического оборудования и обеспечивает максимальную автоматизацию процессов проведения периодических обследований, ввода данных в базу данных персонального компьютера, их анализ, формирование различных протоколов и отчетных материалов и все основные функции управления базами данных.
Чтобы максимально точно провести испытания токарных станков, на оборудовании были установлены два акселерометра на шпиндельной бабке: один в вертикальной (точка Б) другой в горизонтальной (точка А) плоскостях.
На рис. а и б представлены записи перемещений шпинделя (точки А И Б ) на холостом ходу, а на рис. в и г в режиме резания. В связи с тем, что при работе токарного станка возникают множество факторов, которые вызывают вибрации станков, отдельных их деталей и узлов, то расшифровка полученных материалов представляет значительную сложность. Рассматривали только факторы, вызывающие колебания упругой системы станка. Вибрация станка, ее причины может быть разделена на следующие группы:
- собственные колебания узлов станка;
- колебания, возникающие от частоты вращения шпинделя;
- колебания, возникающие от дефектов опор качения шпинделя;
- колебания, возникающие в процессе резания заготовки.
При рассмотрении собственных колебаний узлов станка необходимо помнить, что узлы станка являются системами диссипативными. Энергия механических колебаний таких систем постепенно расходуется на работу сил трения, поэтому свободные колебания всегда затухают или их амплитуда постепенно уменьшается в том случае, если не наблюдается новых силовых факторов, которые выводят систему из равновесия и снова приводят к вибрации станков.
При рассмотрении спектров вибраций шпинделя (см. рис. 1) следует отметить, что везде присутствуют вибрации одинаковой частоты и значительные по амплитуде, не зависящие ни от частоты вращения шпинделя ни от процесса резания. Эти колебания везде имеют частоту равную 7,25 Гц, а амплитуда у них разная. На холостом ходу она несколько ниже, чем при резании. В точке А амплитуда колебаний значительно больше, чем в точке Б. В точке Б в момент когда проводилось испытание станков на холостом ходу колебания составили около 1 мкм, а при резании они достигают 5 - 8 мкм, что естественно, так как в процессе резания сила резания по направлению практически совпадает с направлением вибраций в этой точке. При этом колебания в точке Б происходят при растяжении - сжатии станка и стола, на котором он установлен. В точке А колебания составляют несколько десятков мкм как на холостом ходу, так и при резании, что объясняется тем, что вибрация на токарном станке в точке А происходит при раскачивании системы «токарный станок—стол».
Известно, что деформация при изгибе всегда больше, чем при растяжении или сжатии. Таким образом, колебания с частотой 7,25 Гц являются собственными колебаниями станка и стола, на котором установлен токарный станок.
Вибрация станка причины которых является вращение шпинделя происходит из-за действия центробежной силы неуравновешенных масс шпинделя и соединенных с ним деталей (в том числе и заготовки). Неуравновешенность шпинделя вызывается возникновением отклонений геометрических размеров шпинделя и соединенных с ним частей от номинальных конструктивных размеров.
При вращении шпинделя с некоторой угловой скоростью в каждом поперечном сечении, имеющем отклонение размеров от номинальных, возникает центробежная сила, вращающаяся вместе со шпинделем и вызывающая нагрузку на опоры. При этом результирующая сила вращается вместе со шпинделем, но для него она является статической силой, которая вызывает изгиб шпинделя. Центробежная сила зависит от частоты вращения шпинделя, поэтому были произведены расчеты частоты вращения шпинделя в Гц. Испытывали при частоте вращения шпинделя (токарный станок ТВ7) 219; 350 и 650 об/мин, что соответствует: 3,6; 5,8; 10,8 Гц.
При рассмотрении рис. 1 а и б соответствующих спектрам вибраций шпинделя в точках А и Б на холостом ходу хорошо видны пики вибраций соответствующие частотам 3,6; 5,8 и 10,8 Гц. Амплитуды колебаний при увеличении частоты вращения шпинделя в точках А и Б несколько уменьшаются, что обусловлено запаздыванием деформации корпуса шпиндельной бабки по отношению к действующей центробежной силе.
При резании (рис. 1 в и г) также хорошо просматриваются пики вибраций на частотах 3,6; 5,8 и 10,8 Гц; однако амплитуды вибрации станков гораздо меньше, чем на холостом ходу. Это объясняется тем, что в процессе резания возникает сила резания, которая складывается с силой инерции. Если сила инерции имеет практически постоянную величину и изменяется по направлению на 360° за один оборот шпинделя, то сила резания изменяется сравнительно в небольших пределах по величине и направлению. Расчеты тангенциальной составляющей силы резания для условий эксперимента показали, что она составляет: 159 Н для n = 219 об/мин; 148 Н для n = 350 об/мин; 135 Н для n = 650 об/мин.
Для третьего класса точности балансировки (ГОСТ 22061—96), который рекомендуется для шпинделей металлообрабатывающих станков, норма центробежной силы составляет 170 Н. Таким образом по величине центробежная сила и сила резания близки друг к другу. Из рассмотрения сложения силы резания и центробежной силы можно определить, что в случае, когда центробежная сила будет совпадать с направлением от Y, суммарная сила будет равна их сумме, т. е. 329 Н для частоты вращения шпинделя n = 219 об/мин. Для случая, когда центробежная сила будет направлена противоположно от Y, суммарная сила будет равна их разности, т. е. 11 Н. Это говорит о том, что внешняя сила, действующая на шпиндель, изменяется не только из-за изменения самой силы резания (как это указывается во многих источниках литературы), но и от сложения силы резания и центробежной силы, что является еще одной причиной возбуждения колебаний при снятии стружки. Подобные испытания токарных станков могут значительно улучшить понимание процессов резания и как следствие повысить качество обрабатываемых деталей.
Рис. 1 Спектр вибраций шпинделя: а - на холостом ходу в точке А при частоте вращения шпинделя n = 219, 350 и 650 об/мин; б = на холостом ходу в точке Б при частоте вращения шпинделя n = 219, 350 и 650 об/мин; в - при резании в точке А при частоте вращения шпинделя n = 219, 350 и 650 об/мин; глубине резания t = 0,5 мм; подаче s = 0,1 мм/об; г - при резании в точке Б при частоте вращения шпинделя n = 219, 350 и 650 об/мин; t = 0,5 мм; s = 0,1 мм/об
