Показатели динамического качества станка
Основное служебное назначение металлорежущих станков– обеспечивать обработку деталей. При этом должны выполняться несколькоосновных условий:
— обработка должнавыполняться с заданной точностью, все размеры чертежа детали должны бытьбезусловно выполнены;
— обработка должнавыполняться с заданным качеством обрабатываемой поверхности (должен бытьсоблюден микро- и макрорельеф поверхности, отсутствие, или наоборот, наличиенаклепа поверхности);
— обработки на станкедолжна выполняться с заданной производительностью;
— обрабатывать деталина станке должно быть экономически выгодно;
— станок должен бытьудобен в обслуживании как при каждодневной эксплуатации (эргономика рабочегоместа станочника), так и при многолетнем общем сроке службы(ремонтопригодность).
Точность обработки определяется относительнымсмещениями режущего инструмента и детали по нормали к обработанной поверхности,создающими нарушения заданных размеров, формы и относительного положенияповерхностей обрабатываемой детали. Точность обработки деталей на станкезависит главным образом от таких характеристик станка как:
— жесткость станка–способности узлов и несущихконструкций станка противостоять появлению упругих деформаций под действиемсиловых воздействий
механическийметаллорежущий станок резец
j=с = F/d или
c=j= Q/y;
— геометрическая точность станка. Геометрическая точностьобеспечивает заданное взаимное расположение и траекторию перемещения узловстанка;
— точностьпозиционированияисполнительных органов станка (особенно для станков работающих в автоматическомцикле) – является одним из видов геометрической точности;
— теплостойкостьстанка –сопротивляемость возникновению деформаций от внутренних и внешних источниковтепла;
— виброустойчивость – способность всего станка и егоузлов противостоять внешним колебаниям (например, от другого, рядомустановленного оборудования) или возникновению и поддержанию колебаний,источник которых находится в самом станке. Особенно сильно сказываются наточности обработки колебания режущего инструментом по нормали к обрабатываемойповерхности детали.
Виброустойчивость это одна из характеристикдинамического качества станка.
В динамике станков используют понятия иматематический аппарат теории автоматического управления. Физическую величину,характеризующую воздействие на упругую систему (УС), называют входнойкоординатой (хвх), а результат воздействия – выходнойкоординатой (xвых). Например, входная координатаУС – силовое воздействие сил резания на шпиндель, а выходная – вызванное этойсилой перемещение шпинделя.
Динамическая система станка включает сам станок сприспособлением инструментом и деталью (система СПИД) и образуетсясовокупностью упругой системы станка во взаимодействии с рабочими процессами(РП).
Рабочие процессы – процесс резания, трение вподвижных парах и в стыках, гидродинамические процессы гидроаппаратуры(клапанов, золотников, гидродвигателей и т.п.) и трубопроводов,электромеханические процессы в электродвигателях, в электромагнитных муфтах ит.п.
Рабочие процессы оказывают на упругую системусиловое воздействие и приводят к перемещениям и деформациям ее элементов.
Динамические процессы – изменение параметров системы(в том числе и параметров, характеризующих рабочие процессы) под влиянием тогоили иного внешнего воздействия (ВВ) – колебания, разгон, торможение и т.п.
Понятие "внешние воздействия"означает лишь независимость этого воздействия от параметров системы. Поэтомувнешние воздействия – это динамические процессы, происходящие как внутри УСстанка, так и за ее пределами. Внешние воздействия это воздействия силы инерциинеуравновешенных вращающихся или возвратно-поступательных масс, силы веса,усилия закрепления детали, силы резания, толчки и колебания, передаваемые черезопоры станка от другого оборудования или возникающие в самой системе из-занеточности зацепления зубчатых колес, из-за иных погрешностей изготовления илисборки.
Результатом ВВ на рабочие процессы являютсяизменением настройки этих процессов или системы. Результаты внешних воздействийна рабочие процессы выражаются в заданном изменении глубины резания; визменении давления системы смазки направляющих; в изменении электрическогонапряжения электродвигателя и т.п.
Динамические качества станка определяетсяустойчивостью всей станочной системы и характеризуется реакциями системы навнешние воздействия.
Основные показатели динамических качеств станка:
1. запас истепень устойчивости;
2. амплитудаотносительных колебаний инструмента и детали по нормали к обрабатываемойповерхности (как при резании, так и на холостом ходу);
3. быстродействие;
4. отклонениепараметров динамической системы при внешних воздействиях;
5. шум приработе станка и колебания основания, на которое установлен станок.
Эти показатели динамического качества определяютпроизводительность, точность и качество обработки на станке.
Запас устойчивости определяет возможности изменениятого или иного параметра системы без потери ее устойчивости. Устойчивость– это свойство системы возвращаться в исходный или близкий к немуустановившийся режим (состояние) после того, как она выведена из него врезультате какого-либо воздействия. Потеря устойчивости выражается ввозникновении вибраций, «подхватывании» или «подрывании»режущего инструмента, в неравномерности перемещения узлов станка или при ихзаклинивании. Запас устойчивости величина больше единицы. Если системанеустойчива, то достаточно любого толчка, чтобы в ней начался расходящийсяпереходной процесс удаления от исходного режима (состояния) или началиськолебания около установившегося состояния с недопустимо большой амплитудой.
/>
На рис. 1. приведена экспериментальная зависимостьпредельной глубины резания, при которой еще возможен безвибрационный процессрезания, от длины вылета борштанги. При растачивании вращающейся борштангой свылетом резца l и глубиной резания t (точка А на рисунке)запас устойчивости по длине будет выражаться отношением предельной длинывылета, при которой начинаются вибрации к данной длине вылета Кз.у.=lпр/lА и аналогично запас устойчивостипо глубине резания Кз.у.=tпр/tА. Подобный вид имеет изависимость скорости резания от вылета расточной борштанги. Запас устойчивостипо скорости резания выражается подобным отношением
Кз.у.=vпр/vA.
Степень устойчивости определяет способность системырассеивать энергию внешнего воздействия. Чем больше степень устойчивости, тембыстрее затухает переходной процесс, тем меньше отклонения в установившихсядинамических процессах.
/>
Степень устойчивости переходного процесса (например,при врезания резца в поверхность детали при строгании) выражаетсялогарифмическим декрементом
/>
Быстродействие системы определяет время завершенияпереходного процесса. Быстродействие выражается продолжительностью процесса иливременем затухания переходных отклонений до значений, меньших некоторойустановленной величины. Между степенью устойчивости и быстродействием системысуществует прямая связь. Быстродействие системы сказывается на быстротувыполнения вспомогательных движений элементов цикла обработки, напримерпозиционирования.
Отклонения параметровдинамической системыразличаются по виду внешних воздействий:
— статические, вызванные постоянными вовремени воздействиями;
— стационарныединамические,вызванные установившимися во времени воздействиями (с постоянной скоростью,равноускоренные, равнозамедленные и т.п.). кстационарным динамическим отклонениям относятся и вынужденные колебания;
— переходныединамические отклонения,возникающие при переходных процессах;
— случайныединамические,вызванные случайными внешними воздействиями.
Статические нагрузки, действующие в динамическойсистеме станка, могут быть двух видов:
— силы резания итрение, вызывающие рассеяние энергии (диссипативные процессы) в системе;
— силы, изменяющиепотенциальную энергию системы. К ним относятся вес и силы упругостидеформируемых элементов или сжатого рабочего тела.
Динамические нагрузки также бывают двух видов:
— основные,соответствующие принятым законам движения рабочих органов и изменениям вовремени сил резания;
— дополнительные, вызванныеконструктивными и другими факторами. Например, удары, вызванные зазорами впередачах.
При работе станка возникают колебания. Эти колебанияимеют разное происхождение и разную степень важности и называются по-разному.
— Свободныеколебания.Свободные колебания возникают после выведения УС станка из состоянияравновесия, после чего на УС не оказывается никакого воздействия. Т.е. системапредоставлена сама себе;
— Вынужденныеколебания.Вынужденные колебания вызываются колебательными источниками энергии либовнешним воздействием, передаваемым станку через фундамент от постороннихисточников (другие станки, кузнечно-прессовое оборудование, транспорт), либосилами, возникающими в самом станке от неуравновешенности вращающихся масс илипогрешностей изготовления и сборки;
— Параметрическиеколебания.Параметрические колебания порождаются изменениями параметров самой системы.Например, изменение жесткости (при зацеплении прямозубых колес, при зацеплениикосозубых колес на призматических шпонках), или условий резания (изменениесечения среза, ориентации режущего инструмента относительно УС);
— Автоколебания. Автоколебания обусловленыособенностями самой системы и характеристик рабочих процессов резания и трения.Они поддерживаются внешними источниками энергии не колебательного характера.Например, возникновение колебаний поступательно двигающейся каретки скоростипри низкой скорости перемещения.
Вынужденные и параметрические колебания опасны присовпадении их частоты с одной из собственных частот колебаний системы станка. Вэтом случае возникают резонансные колебания системы. Возникающие в зоне резаниявынужденные колебания ограничивают достижимую на станке точность чистовойобработки деталей, а автоколебания – ограничивают предельные режимы черновойобработки.