ЭМЕРДЖЕНТНЫЙ ПОДХОД К СОЗДАНИЮ

Технологии и оборудование обработки металлов резанием
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ
ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.9
ЭМЕРДЖЕНТНЫЙ ПОДХОД К СОЗДАНИЮ
ВИБРОУСТОЙЧИВЫХ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ
Л.А. Васин, С.А. Васин, А.А. Кошелева
Рассмотрены вопросы повышения виброустойчивости процессов точения и
фрезерования на основе использования инструментов с переменными динамическими
параметрами. Предложена конструкция торцовой фрезы с повышенными диссипативными свойствами.
Ключевые слова: вибрации, резец, фреза, жесткость, динамические параметры, виброустойчивость.
В процессе обработки металлов резанием возникают вибрации, которые, при повышении допустимого уровня, приводят к снижению стойкости режущих инструментов в 3…4 раза. Проявление вынужденных колебаний в процессе обработки можно превентивно предотвратить при
проектировании технологической операции. Однако наряду с вынужденными колебаниями как при точении, так и фрезеровании торцовыми фрезами могут зарождаться и развиваться автоколебания. В соответствии с
законом наименьших, автоколебания при резании зарождаются и развиваются в наиболее слабом звене технологической системы. При этом развитие и поддержание автоколебательного процесса происходит в результате
нелинейной положительной обратной связи. В процессе точения и фрезерования торцовыми фрезами положительная обратная связь осуществляется при помощи вибрационных следов (волн), образующихся на поверхности резания обрабатываемой детали.
Для предотвращения развития и существования автоколебаний при
резании необходимо, чтобы следы (волны) от вибраций имели шаги, изменяющиеся по случайному закону, т.е. со случайной частотой.
Наиболее часто слабым звеном технологической системы является
377
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 2
режущий инструмент, а именно:
- при точении – резец;
- при фрезеровании – торцовая фреза.
В процессе обработки вибрационный волны (следы) от колебаний
режущего инструмента как наиболее слабого звена технологической системы образуются на поверхности резания обрабатываемой детали (рис. 1).
Для повышении виброустойчивости режущего инструмента (торцовой фрезы, токарного резца) необходимо разработать такую структуру его
конструкции, при которой имело бы место возникновение эмерджентного
свойства (или свойств), т.е. «рост» содержания. Действительно, если зубья
торцовой фрезы имеют разную собственную частоту колебаний, то от вибрации ее зубьев на поверхности резания обрабатываемой детали будут образовываться следы (волны), шаги которых на поверхностях резания, образуемых последовательно режущими зубьями, отличаются и изменяются по
случайному закону (рис. 1). При этом невозможно как образование нелинейной положительной обратной связи по следам вибраций (колебаний),
образующихся на поверхности резания, так и зарождение, и развитие автоколебательного процесса режущего инструмента. Таким образом, создание торцовой фрезы с разной случайной собственной частотой колебаний
каждого из ее зубьев приводит к возникновению эмерджентного свойства,
состоящего в повышении виброустойчивости как торцовой фрезы, так и
процесса фрезерования на основе проявления механизма, действующего по
принципу отрицательной обратной связи.
Рис. 1. Схема образования вибрационных волн
на поверхностях резания
Проектирование торцовых фрез с разной собственной частотой
зубьев можно осуществлять на основе изменения таких динамических параметров, как жесткость, масса и диссипация (демпфирующая способ378
Технологии и оборудование обработки металлов резанием
ность).
Схема изменения динамических параметров зубьев торцовой фрезы
и их сочетаний друг с другом для получения разных собственных частот
колебаний зубьев приведена на рис. 2.
Рассмотрим возможность повышения виброустойчивости процесса
фрезерования на основе использования торцовых фрез с переменной (разной) жесткостью зубьев (рис. 3). Каждый из зубьев фрезы имеет свою собственную частоту колебаний.
Рис. 2. Схема переменных динамических параметров зубьев фрезы
и их сочетаний друг с другом, влияющих на собственные
частоты колебаний зубьев
Рис. 3. Торцовая фреза с переменной жесткостью зубьев
379
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 2
Поэтому при конструировании фрез с зубьями, имеющими разную
жесткость jпер, можно воспользоваться несколькими способами:
1) изготавливать державки зубьев из материалов с разным модулем
упругости;
2) оснащать зубьями с державками разного поперечного сечения
для изменения момента инерции от зуба к зубу. Различные значения размеров поперечных сечений державок зубьев торцовой фрезы получаются
путем выполнения в них пазов разной глубины a с одной или двух сторон
(рис. 4);
3) применять как цельные державки, так и составные, изготовленные из наборов пластин, соединенных между собой вязкоупругим слоем
клея по плоскостям, параллельным опорной поверхности (рис. 5).
Использование в торцовых фрезах зубьев с составными державками, изготовленными из наборов платин, соединенных между собой вязкоупругим слоем клея по плоскостям, параллельным опорной поверхности,
позволяет получить переменные собственные частоты зубьев фрезы на основе одновременного изменения как жесткости зубьев, так и их демпфирующей способности.
Рис. 4. Изменение размеров поперечного сечения державки режущего
зуба торцовой фрезы за счет размещения паза с одной или двух сторон
Рис. 5. Торцовая фреза с режущими зубьями, оснащенными
как цельными, так и составными державками из трех и пяти слоев
380
Технологии и оборудование обработки металлов резанием
Изменение жесткости зубьев торцовой фрезы приводит к постоянному изменению частоты их собственных колебаний. На поверхностях резания, образуемых последовательно режущими зубьями, появляются вибрационные волны различной длины (см. рис. 1), которые играют роль
постоянных помех, воздействующих на механизм возбуждения «регенеративного эффекта».
В результате подсистема инструмента не может настроиться, как
это имеет место при использовании торцовых фрез с зубьями, имеющими
одинаковую жесткость, на определенную частоту, равную частоте собственных колебаний зубьев.
Предлагается новая конструкция торцовой фрезы с повышенными
диссипативными свойствами. Для повышения виброустойчивости торцовой фрезы необходимо изготовить опорное кольцо из сплава с высокой
демпфирующей способностью либо армировать опорное кольцо вставками
разной толщины, изготовленными из сплава высокого демпфирования.
Одновременно с этим можно армировать вставками не только опорное
кольцо, но и корпус инструмента.
При использовании материала с высокими диссипативными свойствами происходит некоторое снижение собственных частот колебаний каждой их режущих пластин. В результате собственные частоты колебаний
режущих пластин будут разными, что приведет к предотвращению «регенеративного эффекта». При этом демпфированию колебаний будут подвергаться и зубья торцовой фрезы, что также приведет к повышению виброустойчивости процесса торцового фрезерования.
Кроме того, повышения виброустойчивости процесса торцового
фрезерования можно достигать, изготавливая торцовые фрезы с разной
массой mпер консольной части зубьев, которая обеспечивается в результате,
например, применения сменных режущих пластин из разных сплавов:
- твердых сплавов;
- безвольфрамовых сплавов;
- режущей керамики.
Все вышеперечисленные материалы, используемые для изготовления режущих пластин, имеют разные плотности, а соответственно, разную
массу имеют и режущие пластины. В результате зубья торцовой фрезы будут иметь разную собственную частоту колебаний.
Для получения разной собственной частоты зубьев торцовой фрезы
можно использовать сочетания переменных динамических параметров,
приведенных на схеме (см. рис. 2). Для повышения виброустойчивости
процесса точения и предотвращения образования и развития регенеративных автоколебаний в соответствии с приведенной схемой разработан ряд
конструкций резцов для токарной обработки.
При этом следует отметить, что частота f собственных колебаний
будет изменяться по случайному закону подобно одноименным характери381
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 2
стикам инструмента, а именно:
- в случае переменной жесткости c~
c~
~
f =k
,
m
где k – коэффициент; c – переменная жесткость, Н/м; m – колеблющаяся
масса, кг;
~ консольной части резца
- в случае переменной массы m
~
c
f =k ~ .
m
В результате на поверхности резания образуются вибрационные
волны разной длины l. В этих условиях в системе не могут установиться
колебания определенной частоты, и благодаря этому усиления амплитуды
колебаний от оборота к обороту обрабатываемой детали не произойдет.
Все это, в конечном счете, приводит к образованию непериодических вибраций и ликвидации условий для возникновения наиболее опасных регенеративных автоколебаний при обработке заготовок с неравномерным припуском.
Рассмотрим ряд конструкций токарных резцов, созданных в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.
Изменение частоты колебаний за счет переменной инерционной характеристики инструмента реализовано в конструкции резца, представленной на рис. 6.
На державке 1 резца установлена режущая пластина [2]. В державке выполнено глубокое отверстие, в котором последовательно размещены
стальной шарик 6 и сердечник 4, связанный с катушкой электромагнита 3.
Для надежности крепления узла установлена гайка 2.
Рис. 6. Конструкция резца
с переменной инерционной характеристикой
Угол наклона отверстия в державке α обеспечивает преодоление
шариком силы трения и его движение под действием силы тяжести в консольную часть державки резца (поз. I).
382
Технологии и оборудование обработки металлов резанием
При включении электромагнита 3 под действием электромагнитных
сил шарик 6 перемещается в поз. II, расположенную над опорной поверхностью суппорта 5, уменьшая тем самым массу консольной части державки 1. При отключении электромагнита шарик 6 под действием силы тяжести вновь занимает поз. I. В результате масса консольной части резца
увеличивается на величину, равную массе шарика.
Изменение массы консольной части резца приводит к изменению
собственной частоты колебаний инструмента. В результате на поверхности
резания образуются вибрационные волны разной длины. В этих условиях в
системе не могут установиться колебания определенной частоты, близкой
к частоте ее собственных колебаний.
Кроме того, было предложено новое техническое решение, а именно конструкция резца с переменной жесткостью (рис. 7) [3]. В державке
данного резца выполнено отверстие с помещенным в него пружинным
амортизатором, воздействующим на пружинящую головку резца через
шток, при этом в качестве пружинного амортизатора используется коническая пружина.
В державке 1 резца с установленной на ней режущей пластиной 2
выполнено отверстие 3, в котором последовательно размещены шток 4 и
коническая пружина 5. Со стороны заднего торца отверстие закрыто
пробкой 6.
Рис. 7. Конструкция резца с переменной жесткостью
При изменении силы резания в системе возникают колебания. Пружинная головка державки смещается на некоторую величину, вызывая
смещение штока. Тот, в свою очередь, воздействует на коническую пружину. Коническая пружина имеет нелинейную жесткостную характеристику. Наибольшие деформации имеют место у витков наибольшего радиуса. Поэтому с увеличением нагрузки происходит замыкание витков
большего диаметра как самых мягких; тем самым они выключаются из работы, а жесткость пружины в целом увеличивается. Это приводит к увеличению динамической жесткости инструмента в целом и изменению его
частоты колебаний.
383
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 2
Повышение виброустойчивости инструмента за счет увеличения
диссипации энергии реализовано в конструкциях резцов, представленных
на рис. 8 [4, 5].
а
б
Рис. 8. Конструкция резцов с повышенными
диссипативными свойствами
Резец (рис. 8, а) содержит державку, сменную режущую пластину,
узел клинового крепления режущей пластины. Узел клинового крепления
оснащен втулкой, установленной в отверстии, выполненном в режущей
пластине. При этом втулка выполнена из сплава высокого демпфирования.
Резец (рис. 8, б) содержит сменную пластину, узел крепления сменной режущей пластины накладным прихватом. Рабочая часть накладного
прихвата армирована вставкой посредством термостойкого клея, которая
контактирует с режущей пластиной. При этом вставка выполнена из сплава высокого демпфирования.
Следует отметить, что применение эмерджентного подхода позволяет создавать виброустойчивые конструкции режущих инструментов.
Таким образом, использование инструмента с переменными динамическими характеристиками позволяет уменьшить вероятность возникновения наиболее опасных регенеративных автоколебаний как при токарной обработке, так и торцовом фрезеровании.
Список литературы
1. А.с. 1192907 СССР. МПИ В23 В27/16. Резец / С.А. Васин,
Л.А. Васин, О.Л. Дмитриева. Опубл. 23.11.85. Бюл. № 43.
2. Пат. 66706 Российской Федерации. МПК В23В 17/00. Резец /
С.А. Васин, Л.А. Васин, Н.Н. Бородкин, А.А. Кошелева. Опубл. 27.09.07,
Бюл. № 27.
3. Пат. 72427 Российской Федерации. МПК В23В 17/00. Резец /
С.А. Васин, Л.А. Васин, А.А. Кошелева. Опубл. 20.04.08, Бюл. № 11.
4. Пат. 66707 Российской Федерации. МПК В23В 17/00. Резец /
С.А. Васин, Л.А. Васин, А.А. Кошелева, Н.Н. Бородкин. Опубл. 27.09.07,
Бюл. № 27.
384
Технологии и оборудование обработки металлов резанием
5. Пат. 70471 Российской Федерации. МПК В23В 27/00. Резец /
С.А. Васин, Л.А. Васин, А.А. Кошелева, Н.Н. Бородкин. Опубл. 27.01.08,
Бюл. № 13.
Васин Леонид Александрович, д-р техн. наук, проф., зав. каф., Россия, Тула,
Тульский государственный университет,
Васин Сергей Александрович, д-р техн. наук, проф., зав. каф., Россия, Тула,
Тульский государственный университет,
Кошелева Алла Александровна, д-р техн. наук, доц., проф. каф., Россия, Тула,
Тульский государственный университет
EMERGENT APPROACH TO CREATION
OF VIBRATION-PROOF CUTTING TOOLS
L.A. Vasin, S.A. Vasin, A.A. Kosheleva
The problems of increase of vibrostability of turning and milling through the use of
the tool with variable dynamic parameters. The structure of a mill with the increased dissipative properties is offered.
Key words: vibration, cutter, mill, rigidity, dynamic parameters, vibration
resistance.
Vasin Leonid Aleksandrovich, doctor of technical sciences, prof., manager of
department, Russian, Tula, Tula State University,
Vasin Sergey Aleksandrovich, doctor of technical sciences, prof., manager of
department, Russian, Tula, Tula State University,
Kosheleva Alla Aleksandrovna, doctor of technical sciences, docent, prof. of
department, Russian, Tula, Tula State University
385