Stabilność procesu skrawania

Autor mechanika-obrobka.pl


Napisane 2018-05-18 13:04:05


Stabilność procesu skrawania

Stabilność procesu skrawania 

Bardzo dużym problemem występującym w obróbce skrawaniem są drgania. Mają one negatywny wpływ na cały proces obróbki skrawaniem, szczególnie przy obróbce wykończeniowej. Powodują one przyspieszenie zużycia ostrza, zwiększenie chropowatości powierzchni poddawanej obróbce oraz generują nieprzyjemny hałas.

Drgania towarzyszące obróbce są zależne od wielu czynników np. rodzaju obrabianego materiału, rodzaju obróbki, parametrów obróbki, narzędzi, materiału z którego zrobiona jest maszyna. Dlatego bardzo ważna jest dynamika maszyny i co za tym idzie zapewnienie odpowiedniej stabilności procesu skrawania.

Stabilność procesu jest to stan, w którym wszystkie powstałe drgania są efektywnie wygaszane. Podczas pracy maszyna generuje odpowiadające im siły. Można zmieniać obciążenia występujące w maszynie zmieniając np. prędkości ruchów. Drgania powstają na skutek pracy maszyny – nie pojawiają się znikąd.

Drgania z definicji są okresowymi zmianami układu wokół położenia równowagi. Każdy element posiada własne częstości drgań własnych,  odpowiadają one częstościom z jakimi element będzie drgał gdy wytrąci się go z równowagi. Drgania można podzielić na:

  • swobodne,
  • wymuszone,
  • samowzbudne.

Rodzaje drgań występujących w obróbce skrawaniem

Drgania swobodne - układ wpada w drgania swobodne (np. wahadło matematyczne) gdy zostanie wytrącony z równowagi, poprzez lub zmiany jego położenia lub działanie siły zewnętrznej, o ile na układ nie działają inne wymuszenia. W sytuacji obróbki skrawaniem zwykle wywołane są one zmianą ruchów lub obciążeń. Są to drgania tłumione, gdzie ich częstotliwość jest zbliżona do częstotliwości drgań własnych całego układu.

Drgania wymuszone - W układzie zachodzą drgania wymuszone, gdy działają na niego zmienne w czasie siły. Istnieją dwa rodzaje wymuszeń – kinetyczne i siłowe. Wymuszeniami kinetycznymi mogą być drgania powodowane przez pobliskie obrabiarki przenoszone przez fundamenty, natomiast wymuszenia siłowe mogą być powodowane przez złe wyważenie części obrotowych lub przerywany charakter

Drgania samowzbudne - Powstają one przy pobudzeniu układu niestabilnego i nie zanikają przy zaniku wymuszenia, z powodu tych drgań na obrabianym przedmiocie mogą pojawić się błędy kształtu. Cechą tych drgań jest fakt, że układ sam dozuje energię potrzebną mu do podtrzymywania drgań za pomocą mechanizmu regulującego. Są to jedne z najczęściej rozpatrywanych drgań jeśli chodzi o obróbkę skrawaniem. Przykładem mogą być drgania powstające podczas frezowania czyli drgania typu chatter.

Klasyfikacja niestabilności podczas obróbki skrawaniem

Klasyfikacja drgań występujących w obróbce skrawaniem

 

Drgania typu chatter

 

Regeneracyjne

Tarciowe

Sprzężenie przez przemieszczenie

Termo-mechanicznie

Miejsce występowania

Pomiędzy krawędzią skrawającą a przedmiotem obrabianym

Powierzchnia przyłożenia – przedmiot; wiór – powierzchnia natarcia

Na kierunku sił skrawania i odporowej

Ostrze – strefa plastyczności wióra

Przyczyna

Nakładające się modulacje kolejnych grubości warstw skrawanych

Tarcie na powierzchni przyłożenia i natarcia

Tarcie na powierzchni przyłożenia i natarcia; zmiany grubości wióra; oscylacje kąta ścinania

Temperatura i naprężenia przy formowaniu wióra

Cecha

Pozostawiają pofalowaną powierzchnię obrabianą

Amplituda zależy od układu tłumienia

Równoczesne drgania w dwóch kierunkach

Drgania zależne od prędkości

Metoda tłumienia

Dobranie odpowiedniej głębokości skrawania i prędkości obrotowej

Dobranie odpowiedniego kąta przyłożenia i natarcia

Zmiana ścieżki narzędzia; dobranie odpowiednich parametrów skrawania

Dobranie odpowiedniej prędkości skrawania

Modelowanie

Liniowe równania różniczkowe

Nieliniowe równania różniczkowe

Zestaw liniowych równań różniczkowych

Zestaw cząstkowych i zwyczajnych równań różniczkowych

 

Drgania przypadkowe i swobodne

Drgania wymuszone

 

Zależne od narzędzia

Zależne od przedmiotu obrabianego

Zależne od środowiska pracy

Zależne od elementów wyposażenia

Miejsce występowania

Powierzchnia przyłożenia – przedmiot; wiór – powierzchnia natarcia

Strefa skrawania

Cały proces skrawania

Cały proces skrawania

Przyczyna

Uszkodzenie lub zniszczenie narzędzia; narost

Twardość materiału, twarde ziarna i inne skazy materiału

Zakłócenia zewnętrzne

Niewyważone poruszające się komponenty takie jak np. wrzeciono

Cecha

Przypadkowe i chaotyczne, zależą od warunków skrawania

Przypadkowe i chaotyczne, zależą od właściwości materiału i jego obróbki cieplnej

Przypadkowe i chaotyczne zależą od środowiska pracy

Drgania wymuszone

Metoda tłumienia

Dobranie narzędzi z materiałów lepszej jakości; dobranie odpowiednich parametrów skrawania

Dobranie odpowiednich narzędzi i parametrów skrawania

Jeśli jest niezbędne odizolowanie narzędzia skrawającego

Dobre wyważenie poruszających się komponentów

Modelowanie

Czynniki nieliniowe w procesie skrawania

Czynniki nieliniowe w procesie skrawania

Czynniki nieliniowe w procesie skrawania

 

Drgania samowzbudne typu CHATTER

Najczęściej występującymi drganiami w procesach obróbczych są drgania typu chatter. Ich cechą charakterystyczną jest dynamiczne pojawianie się, duże amplitudy i brak możliwości reakcji operatora w celu ich wyrównania. Mają niekorzystny wpływ na obróbkę ponieważ w znaczący sposób wpływa na chropowatość obrabianego przedmiotu. Powodują szybkie zużycie a nawet zniszczenie narzędzia.

drgania samowzbudne typu chatter
Powierzchnia detalu po obróbce w zakresie stabilnym i niestabilnym dynamicznie.

Ciągły rozwój, coraz częstsze stosowanie obróbki HSM (High Speed Machining), coraz większe wymagania, zwiększenie wydajności produkcji i jej opłacalności powodują zwiększenie nacisku na szerszą stabilność procesu przy określonych parametrach. Jest ona istotna w przypadku obróbki HSM, gdzie ma ona wpływ na to czy zastosowana metoda będzie efektywna.

drgania samowzbudne typu chatter
Powierzchnia detalu po obróbce, na której widać strefy w której dochodziło do drgań typu chatter.

Obróbki szybkościowe (HSM,HSC) – charakteryzuje je bardzo duża szybkość skrawania, bardzo duże prędkości obrotowe, przy małych posuwach roboczych i małych grubościach warstw skrawanych.

Chcąc zwiększyć efektywność obróbki poprzez zwiększanie parametrów obróbki, trzeba pamiętać aby dokonywać tego z strefach obróbki stabilnej, bo inaczej dojdzie do wzbudzenia drgań samowzbudnych między PO a narzędziem.

krzywe workowe
Krzywe workowe – obszary, które pokazują w jakich zakresach dany rodzaj obróbki zachowuje swoją stabilność lub ją traci. Pozwalają one na dobranie takiej głębokości skrawania i prędkości obrotowej w której obróbka będzie najbardziej efektywna

Metody redukcji drgań w obróbce skrawaniem

Metody redukcji drgań można podzielić  na pasywne, semi-aktywne i aktywne. Metoda pasywna to np. tworzenie krzywych workowych i dobór parametrów na ich podstawie. Większą efektywnością cechują się metody aktywne ponieważ metody pasywne mają bardzo dużo ograniczeń, ze względu na zmienne charaktery obróbki i warunków w jakich są przeprowadzane.

Sposoby redukcji można także podzielić na dwie grupy. Pierwsza obejmująca  metody polegające na zmianie zależność fazowych między drganiami PO a narzędzia. Druga obejmuje metody zmniejszeniu wpływu drgań na PO, przez zastosowanie elementów które będą wchłaniały część drgań.

Zmniejszyć wpływ drgań można także osiągnąć poprzez zmianę przesunięcia fazowego przy zastosowaniu zmiennej prędkości obrotowej wrzeciona. Posuw jest innym parametrem który może wpłynąć na wibrostabilność obróbki. Metody te mają zastosowanie przede wszystkich w operacjach tokarskich.

Wśród stosowanych metod są te wykorzystujące zmianę uchwytu, narzędzia lub elementów obrabiarki. W przypadku frezowania jedną z metod jest zmiana kąta natarcia narzędzia czy nierównomierne rozmieszczenie płytek, które powodują wzrost stabilności procesu.

narzędzie o nieparzystej liczbie ostrzy

Podziałka nierównomierna eliminuje drgania, pozwalając na uzyskanie dobrej jakości powierzchni podczas obróbki zgrubnej przy wysokich posuwach.

Bardzo efektywną metodą są oprawki narzędziowe, każda z oprawek różni się od siebie sprawnością tłumienia drgań. W oprawkach termokurczliwych narzędzie i oprawka stanowią całość i nie wykazują zdolności tłumienia drgań ale np. oprawki firmy SCHUNK z tłumiącymi wkładkami w komorach wokół otworu mocującego zapewniają w bardzo szerokim zakresie stabliny proces skrawania. Stosowanie technologii oprawek tłumiących jest bardzo opłacalne, dzięki redukcji drgań zmniejsza się zużycie narzędzia, co wydłuża jego żywotność nawet o 47%. Oprawki narzędziowe wydłużają także żywotność wrzeciona i chronią je przed uszkodzeniem.

tłumiace oprawki narzędziowe
Anty tłumiąca oprawka narzędziowa, najczęściej takie oprawki mają za zadanie zmniejszenie amplitudy powstających drgań

Tłumienie drgań to także cała obrabiarka, coraz nowsze konstrukcje są w stanie coraz lepiej kształtować stabilność dynamiczną w szerokich zakresach pracy obrabiarki. Jednym ze sposobów polepszania właściwości dynamicznych są np. kompozytowe korpusy, których zdolności do tłumienia drgań są dużo większe  od korpusów stalowych.

korpus wykonany z kompozytu
Korpus wykonany z kompozytu HYDROPOL, którego właściwości dynamiczne, w szczególności zdolność tłumienia drgań jest dużo większa od np. korpusów spawanych (stalowych)