Управление вибрацией для высокопроизводительной металлообработки

Неконтролируемая вибрация создает ряд проблем во время операций обработки. В процессе резания переменные усилия создают вибрации и биение инструмента, что ведет к ухудшению качества обработки поверхности детали, быстрому износу или поломке режущих инструментов, а также повреждению компонентов станка. Изменения в конструкции продукции также могут вызвать вибрации.

Чтобы повысить прочность деталей и снизить расходы на сборку, производители все чаще изготавливают их из монолитных заготовок. Для обработки внутренних элементов деталей необходимо использовать инструменты, позволяющие обрабатывать глубокие полости, однако увеличение длины инструмента ведет к увеличению вибрации. Минимизация вибрации за счет снижения режимов резания приводит к ухудшению производительности и увеличению расходов на производство.

Основными методами управления вибрацией являются системы гашения пассивных и динамических вибраций. Для этого используют инерционный демпфер, поглощаеющий вибрацию до того, как она распространится и станет причиной прерывания процесса обработки.


Вибрация – распространенная проблема

Специалисты всех отраслей промышленности признают, что чрезмерная вибрация – крайне нежелательное явление. Повторяющиеся операции и воздействие внешних усилий создают движение, которое может резонировать внутри станка, здания или моста, достигая опасной величины. Чтобы устранить вибрацию, производители и строители часто применяют инерционный демпфер. Это компонент, который подвешивается внутри станка или конструкции и резонирует в противофазе с нежелательной вибрацией, гасит ее энергию и минимизирует вибрационное движение.

 

Вибрация в металлообработке

При обработке металла вибрацию вызывают переменные усилия, возникающие во время стружкообразования. Силы переменного действия наблюдаются при прерывистом фрезеровании и токарных операциях, когда оправка держателя подвергается периодической нагрузке во время формирования и отламывания стружки.

Рис. 1. а) Традиционный инструмент: вибрация распространяется по шпинделю станкаРис. 1. б) Инструмент гашения пассивной и динамической вибрации: демпфер поглощает вибрацию до ее распространенияПассивный подход к управлению вибрацией в металлообработке заключается в максимальном повышении жесткости элементов системы обработки. Чтобы ограничить нежелательное движение, станок должен быть более крупным и тяжелым, при его изготовлении необходимо использовать структурные элементы высокой жесткости, а также бетон или другой материал, гасящий вибрацию. Что касается заготовки, во  время обработки вибрациям подвержены детали с тонкими стенками и элементами без опоры. Чтобы повысить жесткость, детали можно в ограниченной степени модифицировать. Однако это может привести к увеличению массы детали и сказаться на характеристиках продукции.

Что касается режущих инструментов, пассивный подход к управлению вибрацией включает использование коротких инструментов с жесткой конструкцией и замену стальных держателей на более жесткие держатели из карбида вольфрама.

Рис. 2

Пассивный/динамический подход к управлению вибрацией инструментов заключается в использовании инерционного демпфера. Система Steadyline компании Секо (Seco) оснащена предварительно настроенным инерционным демпфером, состоящим из массивного амортизирующего блока, который изготовлен из материала высокой плотности (для минимизации общих габаритов) и подвешен внутри оправки держателя с помощью элементов гашения радиальной нагрузки. Массивный амортизирующий блок мгновенно гасит вибрацию, когда она передается от режущего инструмента на корпус держателя.

Система Steadyline (рис. 2) позволяет выполнять стандартные операции с бОльшим вылетом по крайней мере в два раза быстрее инструментов, не оснащенных демпфирующей системой. Система обеспечивает повышенное качество обработки поверхности, увеличивает срок службы инструмента и уменьшает нагрузку на станок. Благодаря системе гашения пассивной и динамической вибрации можно использовать длину инструмента, превышающую диаметр держателя в 10 раз, что было бы невозможно даже при минимальных режимах обработки.


Принципы работы системы управления динамической и пассивной вибрацией

На рисунках 3 а и б изображены принципы работы системы управления динамической и пассивной вибрацией Steadyline. На рисунке 3а к характеристикам традиционного держателя из моноблока, которые связаны с вибрацией, относятся его масса (M1), жесткость (K1) и собственная характеристика гашения вибрации (K’1). Характеристики объединены в систему MKK’. Во время обработки режущая сила Fe создает движение (вибрацию) в державке.

При использовании системы Steadyline (рис. 3б) добавляются следующие характеристики второй системы MKK’: масса M2, жесткость K12  и плотность K’12. Частота собственных колебаний системы MKK’ S2  соответствует первоначальной системе MKK’, она резонирует в противофазе с нежелательной вибрацией, гася энергию и вибрацию.
Рис. 3

В системе Steadyline амортизирующая масса располагается спереди держателя, где вероятность изгиба выше всего. Масса может мгновенно погасить вибрацию, которая распространяется от режущей кромки на корпус держателя. Система Steadyline также включает короткие, компактные режущие головки GL, позволяющие расположить режущую кромку близко к амортизирующей массе для максимального гашения вибрации. Система подходит для различных операций и особенно полезна при фрезеровании (обработка контуров, пазов и карманов), токарной обработке, а также для черновой и чистовой расточки.

 

Примеры применения

Система Steadyline показала свою эффективность при сложной расточке детали из стали 42CrMo4. Цилиндрическое отверстие диаметром 105,8 мм было увеличено до конического с диаметром 129 мм за пять проходов черновой обработки при глубине резания 3 мм, уменьшающейся до 0 мм. Диаметр держателя составлял 80 мм, а начальная длина резания – 600 мм, что обеспечило увеличенное соотношение длины и диаметра 7,5. Черновая обработка выполнялась при скорости подачи 0,3 мм/об и скорости резания 157 м/мин. Получистовая обработка до окончательного диаметра 130 мм выполнялась при глубине резания 0,5 мм, скорости подачи 0,2 мм/об и скорости резания 200 м/мин. Несмотря на то, что масса заготовки не позволяла использовать максимальную частоту вращения держателя Steadyline, время обработки снизилось с 12 до 2 часов (более чем на 80%) благодаря использованию системы управления пассивной и динамической вибрацией Steadyline.

Чтобы продемонстрировать преимущества системы Steadyline, для бокового фрезерования корпусной детали из стали 1.1206 CK50 (рис. 4) использовался держатель фрезы Combimaster, не оснащенный системой управления пассивной и динамической вибрацией, вместе с фрезой диаметром 20 мм при скорости резания 312 м/мин, скорости подачи на зуб 0,3 мм и глубине резания 0,9 мм. Когда при равной скорости резания и подачи была использована другая модель того же инструмента, оснащенная системой Steadyline, удалось увеличить глубину резания до 2,2 мм  (то есть в 2,3 раза) и при этом избежать нежелательной вибрации.

Рис. 4


Заключение

Системы управления пассивной и динамической вибрацией предназначены главным образом для производителей оборудования в нефтегазовой, аэрокосмической и энергетической промышленности, поскольку именно в этих областях регулярно используются крупные сложные детали с различными элементами, для обработки которых требуются инструменты с увеличенной длиной. Кроме того, такие детали обычно изготовлены из прочных труднообрабатываемых сплавов, создающих высокие усилия резания и вибрацию. В то же время очевидно, что почти каждый производитель сталкивается с операциями, при которых амортизирующие свойства инструментов Steadyline позволяют расширить возможности, улучшить производительность и снизить расходы.

 


Инструменты системы Steadyline

Система управления пассивной и динамической вибрацией Steadyline включает впечатляющий выбор инструментов для фрезерования, токарной обработки и расточки, которые соответствуют самым разнообразным требованиям в области обработки.

Система Steadyline для токарной обработки и расточки включает 7 диаметров хвостовика: 32, 40, 50, 60 и 80 мм, а также 2,5” и 3,0”. Для каждого диаметра доступны три длины инструмента (6xD, 8xD и 10xD) и различные соединения на стороне станка, включая цилиндрические метрические хвостовики 32–80 мм  и дюймовые 1,25–3”, а также соединения Seco-Capto и HSK-T/A.

В оправки диаметром 50 мм или менее устанавливаются компактные режущие головки GL с точными многогранными соединениями, которые быстро и удобно фиксируются с помощью системы гаек.

Оправки диаметром 60 мм и более оснащены соединениями BA. Оправки большего диаметра могут использоваться для токарной обработки с переходниками BA–GL и компактными режущими головками GL50, а также для расточки с головками BA, доступными в качестве инструментальной оснастки.

Головки GL предназначены для черновой и чистовой обработки, а также токарной обработки режущими инструментами в право- и левостороннем исполнении. Негативные пластины могут использоваться для черновой обработки, а позитивные – для чистовой, также имеются пластины для нарезания резьбы, обработки канавок и отрезки.

В дополнение к широкому выбору стандартных инструментов компания Секо предлагает инструмент для решения специальных задач, в том числе оправки с несколькими режущими кромками и очень длинные оправки (более двух метров).

Для операций фрезерования предлагаются конфигурации с системой управления вибрацией Steadyline, оснащенные фрезами Combimaster с заменяемыми головками и диаметром от 20 мм  до 40 мм, а также держателями для торцевых фрез диаметром от 40 мм  до 160 мм. Модели с фрезами Combimaster и торцевыми фрезами подходят для обработки уступов, объемного, торцевого, врезного фрезерования и обработки дисковыми фрезами с различными типами пластин, а также для контурной обработки и врезания под углом по спирали. Цилиндрическая форма корпуса инструмента с усиленным конусом обеспечивает высокую статическую и динамическую устойчивость в тяжелых условиях обработки. Для фрезерных держателей доступны соединения с Seco-Capto, HSK-A, BT, CAT и DIN (включая модель с базированием по конусу и фланцу).

Специализированная оснастка для операций фрезерования может также включать специальные компоненты, такие как термооправки Shrinkfit и специальные цанги.

Соединение GLСоединение BA

Версия для печати
Авторы: Пьер Зунин, Янник Гролл, компания Секо
Разместить ссылку на: 


Добавить комментарий

Автор: *
Тема: *
Код c
картинки: *

Коментарий: