Вибрации при резании. Вынужденные колебания и автоколебания.

В процессе резания в элементах системы резания могут возникать колебания, называемыми вибрациями. Наблюдаются два основных вида колебаний: вынужденные и самовозбуждающиеся или автоколебания.

Вынужденные колебания возникают из-за периодичности действия возмущающей силы вследствии: 1) прерывистого характера процесса резания; 2) дисбаланса вращающихся деталей станка, заготовки и инструмента; 3) дефектов в механизмах станка (в зубчатых и ременных передачах, гидросистеме и т.п.); 4) неравномерности припуска на обработку; 5) передачи колебаний станку от других работающих станков или машин. Для устранения этих колебаний достаточно ликвидировать причины их возникновения.

Автоколебания системы резания возникают вследствие одновременного или доминирующего действия нескольких физических явлений. Физическая модель возникновения и развития автоколебаний при резании может быть представлена следующей схемой (рис.12.1): 1) любое случайное возмущение (толчок) выводит из равновесия упругую систему СПИД и приводит к изменению толщины среза а: 2) установление равновесного состояния зоны вторичной деформации и длины контакта l (рис. 12.1,а) не поспевает за изменением толщины среза а.

Рис. 12.1. Схемы возбуждения автоколебаний при резании:

а – схема расположения внешних и внутренних сил;

б – схема изменения силы резания при врезании и отталкивании инструмента

Например, при увеличении а длина контакта l достигает несколько меньшей величины, а при уменьшении а – несколько большей величины по сравнению с той длиной l, которая была бы при резании с постоянной толщиной срезаемого слоя: 3) при врезании лезвия инструмента в заготовку толщина среза а возрастает, а при отталкивании уменьшается. Поскольку изменения а однозначно связано с изменением силы резания, то сила Р при врезании будет несколько меньше, а при отталкивании несколько больше величины силы Ро, соответствующей мгновенной толщине срезаемого слоя ( рис. 12.1, б ); 4) наличие отставания изменения силы резания Р от изменения толщины среза а переводит возникшие собственные затухающие колебания в незатухающие автоколебания, где энергию, поддерживающую их, создаёт изменяющаяся синхронно, но сдвинутая по фазе сила резания; 5) возникающие при этом на поверхности резания вибрационные следы будут при каждом колебании передавать дополнительную энергию и усиливать колебания; 6) через определенный промежуток времени наступает равновесие между энергией возбуждения, поступающей в систему и энергией, рассеиваемой при колебаниях, и устанавливается определённый уровень автоколебаний. Таким образом, первичным источником энергии возбуждения автоколебаний является неоднозначность силы резания вследствие запаздывания ее изменения при изменении толщины срезаемого слоя. Вторичными или второстепенными источниками автоколебаний могут быть: 1) изменение углов лезвия инструмента при колебаниях; 2) изменения размеров сечения при упругом закручивании стержневого инструмента (сверл, зенкеров, метчиков и др.); 3) неустойчивость процесса резания из-за нароста, налипов, образования элементной стружки и других явлений; 4) изменения силы трения.