Под действием сил резания все элементы системы СПИД испытывают упругие деформации. Происходит смещение центров станка, прогиб заготовки, отжим суппорта и режущего инструмента. Эти отклонения присутствуют всегда, однако при достаточной жесткости системы их величины малы и практически не влияют на точность обработки, размеры деталей и качество поверхности. При недостаточной жесткости хотя бы одного элемента отклонения становятся значительными, что приводит к снижению точности, ухудшению шероховатости и появлению вибраций. В этом случае говорят, что станок «дробит».
Следует учитывать, что при малых силах резания влияние недостаточной жесткости выражено слабее, а при увеличении нагрузки деформации и вибрации усиливаются.
Причины недостаточной жесткости элементов системы СПИД
Жесткость токарного станка во многом определяется не только конструкцией его узлов, но и качеством их сборки и регулировки. Даже достаточно массивные детали суппорта могут образовывать нежесткую систему при неправильной сборке. Существенное влияние оказывает неправильная регулировка клиньев, расположенных между направляющими салазок, а также износ и непрямолинейность направляющих поверхностей. В результате возникает отжим суппорта и резца.
Недостаточная жесткость приспособлений, таких как трехкулачковые или четырехкулачковые патроны, также может быть следствием износа или некачественной сборки. Аналогичные причины вызывают отжим режущего инструмента. Основными факторами здесь являются слишком большой вылет резца, малое сечение державки и недостаточно прочное закрепление инструмента в резцедержателе.
Жесткость обрабатываемой детали зависит от ее длины, диаметра и конструктивной формы. Тонкие и длинные заготовки обладают малой жесткостью и легко прогибаются под действием сил резания. Однако в процессе обработки жесткость детали может быть искусственно увеличена. Для этого применяют задний центр, люнеты или дополнительные опоры.
Изменение жесткости в процессе резания
В ходе обработки одной и той же детали жесткость системы СПИД не остается постоянной. Силы резания изменяются вследствие колебаний глубины резания, неоднородности материала заготовки и затупления режущей кромки инструмента. По мере роста сил резания увеличивается отжим суппорта и резца.
При неравномерном износе направляющих величина отжима изменяется в зависимости от положения салазок. Недостаточная жесткость задней бабки проявляется сильнее в начале обработки вала, а передней бабки – в конце. Недостаточная жесткость детали, установленной в центрах, наиболее заметна при обработке ее средней части. Отжим резца особенно возрастает при возникновении максимальных нагрузок.
Последствия недостаточной жесткости системы СПИД
Если вал обрабатывается в центрах при жестких бабках станка, под действием сил резания он прогибается в сторону, противоположную резцу. Наибольший прогиб возникает при обработке средней части детали. В результате диаметр в средней зоне получается больше, чем у концов, и вал приобретает бочкообразную форму.
При недостаточной жесткости бабок станка форма обработанного жесткого вала искажается по иной схеме. Если же деталь закреплена в патроне без поддержки задним центром, искажения формы становятся еще более выраженными. Такие дефекты могут быть вызваны как недостаточной жесткостью самой детали, так и слабой жесткостью патрона или передней бабки.
Особенно характерные искажения формы возникают при обработке тонкостенных деталей. При зажатии упругого кольца в кулачковом патроне его форма искажается под действием зажимных усилий. В зажатом состоянии внутренняя поверхность после обработки может быть цилиндрической, однако после снятия заготовки с патрона кольцо распрямляется, и внутренняя поверхность оказывается далекой от правильной формы.
Причины возникновения вибраций
Вибрации при токарной обработке приводят к ухудшению качества поверхности, появлению волнистости, ускоренному износу инструмента и снижению точности обработки. Причины вибраций могут быть различными.
Одной из причин являются колебания, передающиеся от других работающих машин через фундамент или перекрытия. В таких случаях применяют усиление оснований станков и упругие прокладки.
Вибрации могут быть вызваны неуравновешенностью вращающихся частей станка, патрона или заготовки. Устранение таких вибраций достигается балансировкой вращающихся элементов и, при необходимости, балансировкой самой заготовки с помощью дополнительных грузов.
Еще одной причиной являются дефекты передач станка. Плохо изготовленные или неправильно собранные зубчатые передачи, а также некачественные ремни создают периодические возмущающие силы, которые могут вызвать вибрации. В этом случае необходимо устранить дефекты.
Вибрации возникают также при прерывистом характере резания, например при обработке поверхностей с окнами, пазами или другими перерывами. Регулярное чередование участков резания и холостого хода может вызвать устойчивые колебания, для борьбы с которыми увеличивают жесткость детали или изменяют условия обработки.
Особое место занимают собственные колебания процесса резания. Они могут возникать даже при обработке уравновешенной детали на исправном станке без видимых внешних причин. Частота таких колебаний зависит главным образом от жесткости системы СПИД: чем выше жесткость, тем выше частота и тем менее заметны вибрации.
Интенсивность вибраций и факторы влияния
Интенсивность вибраций определяется высотой волн на обработанной поверхности и зависит от режима резания и геометрии инструмента.
При увеличении скорости резания интенсивность вибраций сначала возрастает, достигая максимума при средних скоростях, а затем снижается. Поэтому условия высокоскоростного резания часто оказываются более благоприятными с точки зрения виброустойчивости.
Увеличение глубины резания приводит к усилению вибраций, тогда как увеличение подачи оказывает противоположное, но менее выраженное влияние. Резцы с малыми углами в плане, несмотря на их производительность, часто вызывают вибрации. Увеличение переднего угла резца способствует снижению колебаний, тогда как резцы с отрицательным передним углом более склонны к их возникновению.
Способы борьбы с вибрациями
Предупреждение вибраций при токарной обработке достигается комплексом мер.
Прежде всего необходимо повышать жесткость системы СПИД. Для этого уменьшают вылет пиноли задней бабки и резца, регулируют клинья суппорта, зажимают каретку при отсутствии необходимости ее перемещения, используют дополнительные грузы на суппорте. Во многих случаях правильная регулировка заднего центра позволяет полностью устранить вибрации.
Большое значение имеет выбор рациональных режимов резания. Часто устранение вибраций достигается переходом на более высокие или, в отдельных случаях, на более низкие скорости резания, а также увеличением подачи.
Существенную роль играет выбор и заточка резца. Применение больших углов в плане, увеличение переднего угла, введение специальных фасок и галтелей на передней поверхности снижают склонность к вибрациям. Резцы с противовибрационными фасками особенно эффективны при обработке деталей с пониженной жесткостью. Такие резцы устанавливаются строго на уровне центровой линии станка.
Дополнительной мерой является тщательная балансировка приспособлений вместе с закрепленной заготовкой.
В ряде случаев, особенно при работе на скоростях порядка 120–150 м в минуту, перечисленные меры могут оказаться недостаточными. Тогда применяют специальные устройства для гашения колебаний, называемые виброгасителями.
