Снижение шума в процессе резания металла.

1. Закономерности возникновения шума при резании.

В настоящее время шумовые характеристики станков проверяются не только на холостом ходу, но и при резании. Снижение шума в процессе резания актуально потому, что скрежет и свист, возникаю­щий при резании, оказывает особенно сильное утомляющее воздействие на человека.

При резании шум возрастает из-за увеличения нагрузки на при­воды главного и вспомогательных движений (2-3 дБА) и увеличения уровней вибраций упругой системы (УС) станка вследствие ее взаимо­действия с процессом резания. Процесс резания всегда соп­ровождается шумом, т.к. часть энергии неизбежно расходуется на возбуждение упругих волн в УС. Особенно неприятен токарный шум, на 15-20 дБА превышающий обычные, уровни в диапазоне 2-4 кГц, часто возникающий при обработке тонкостенных деталей, при обработке чугу­на, бронзы, при отрезке, точении со снятием широких тонких стружек, выстое (остановке подачи инструмента). В подавляющем большинстве случаев тональный шум при резании является следствием автоколебаний, Автоколебания возникают в результате того, что при относительном движении резца по направлению силы резания последняя оказывается больше своих значений при обратном движении резца. В результате воз­никает разность работ и часть энергии, расходуемой на резание, за­трачивается на поддержание относительных колебаний инструмента. При обработке материалов с сыпучей струж­кой (чугуна, бронзы) демпфирования со стороны стружки оказывается недостаточно, что приводит к возникновению высокочастотных автоко­лебаний, сопровождаемых неприятным свистом. Аналогичные явления возникают и при обработке тонкостенных деталей. Здесь большой раз­мах относительных колебаний по нормали к поверхности резания обес­печивается колебаниями стенок обрабатываемой детали. Уровень то­нального шума особенно высок в случае близости собственных частот колебаний режущего инструмента и обрабатываемой детали, поскольку траектория относительного движения инструмента и детали особенно значительно вытягивается по нормали к поверхности резания.

Кроме неприятного шума высокочастотные автоколебания сущест­венно снижают стойкость режущего инструмента и ухудшают качество обработанной поверхности.

2. Методы устранения шума в процессе резания

Среди методов снижения шума при резании можно выделить сле­дующие: изменение геометрии режущей части инструмента, изменение режимов резания, применение СОЖ, увеличение жесткости системы СПИД, увеличение демпфирования режущего инструмента и обрабатывае­мой детали, применение специальных виброгасителей.

 

рис.7. Виброгасящая фаска

 

Изменение геометрии инструмента должно проводиться для ис­пользования виброгасящих фасок (рис. 7) шириной 0,1-0,3 мм с отрицательным задним углом 5-10° , выполняемых на главной режущей кромке инструмента, имеющей передний угол γ и задний угол α. Фаски о нулевым задним углом менее эффективны. Эффект от применения виброгасящей фаски объясняется тем, что она уменьшает задний угол и, увеличивает си­лу трения, которая за цикл колебаний совершает отрицательную рабо­ту, вычитающуюся из энергии, идущей на развитие колебательного процесса. Снижение интенсивности автоколебаний способствует увели­чению переднего угла и главного угла в плане φ. Наименьшие амплитуды вибраций отмечаются при работе с

φ 90°.

Для снижения высокочастотных автоколебаний при резании реко­мендуется избегать выстоя инструмента и резания со снятием широ­кой тонкой стружки, т.е. стремиться работать с меньшей глубиной и большей подачей. Устранения автоколебаний можно добиться уменьшением скорости резания или же ее значительным увеличением.

Однако такие изменения скорости невсегда возможны из-за снижения производительности, возникновения процессов наростообразования,

снижения стойкости инструмента, перегрева шпиндельных подшипников.

В ряде случаев применение СОЖ позволяет избавиться от тональ­ного шума при резании. Так применение СОЖ при сверлении чугуна уменьшает силы трения между направляющими ленточками сверла и устраняет свист, сопровождающий резание, снижая тональный шум на 5 - 10 дБ.

Увеличение жесткости системы СПИД способствует повышению запаса устойчивости динамической системы станка и снижает шум при резании. Уменьшение вылета инструментов, увеличение жест­кости крепления твердосплавных пластин, жесткости крепления заго­товки способствуют снижению тонального шума и общего уровня звука.

В тех случаях, когда перечисленные мероприятия не дают эффек­та приходится прибегать к дополнительному демпфированию колебаний УС станка. Демпфирование увеличивает рассеяние энергии за цикл колебаний, уменьшая тем самым амплитуду колебаний.

рис.8. Демпфирование колебаний державки комплектами

приклеиваемых пластин I - демпфирующий материал; 2 - стальные пластины;

3 – проставки.

 

Демпфирование инструмента позволяет уменьшить уровень тональ­ного шума на 20 дБ и более. Широкополосный шум снижается на 2-5 дБ области низких частот колебаний f и на 10-15 дБ в области высо­ких частот колебаний. На рис.8 показан пример демпфирования колебаний резца , с помощью приклеенных к державке комплектов пластин из демпфирующего материала (например, полиуретана и стали) Энергия изгибных колебаний державки поглощается демпфирующим слоем. Таких слоев может быть несколько. Для сохранения размерной точности инст­румента на опорные поверхности державки в демпфирующий слой вставляются стальные проставки, поддерживающие постоянство положения державки под нагрузкой. На этом же рисунке графики показывают эффективность демпфирования резца в уровнях звукового давления (L) в разных частотных диапазонах. Аналогичный метод демпфирования может быть использован и для расточных борштанг (рис.9.). Более простой метод демпфирования резцов состоит в прижатии к боковой поверхности державки с помощью регулировочного вин­та стальной пластины (рис.10.), жестко закрепленной с хвостовиком державки. Трение в стыке пластины с державкой в процессе колебаний будет превращать колебательную энергию в тепловую. Амплитуда колеба­ний уменьшается не только в направлении, параллельном плоскости стыка, но за счет наличия координатной связи и в других направле­ниях. Наибольший эффект достигается при параллельном расположении плоскости стыка направлению наибольших колебаний. В тех случаях, когда тональный шум определяется колебаниями самой режущей пластины, для его устранения достаточно увеличить демпфирование пластины, нап­ример, с помощью тонкой (0,2-0,4 мм) свинцовой подкладки (рис.11). На этом же рисунке показано изменение уровня колебательного ускоре­ния (La) после установки прокладки.

Применение динамических виброгасителей позволяет снизить то­нальный шум при точении на 3-6 дБ. Динамический виброгаситель сос­тоит из металлической пластины (инерционной массы), устанавливаемой через резиновую прокладку (характеризующейся жесткостью и демпфиро­ванием) на консольной части режущего инструмента. Трудность расчета оптимальных характеристик динамического виброгасителя и его невысокая эффективность по сравнению с другими методами демпфирования определяют его редкое исполнение в промышленности. Виброгасители ударного действия за счет возможности их поднастройки нашли большее применение, которое ограничивается громоздкостью виброгасителя и сложностью его установки в зоне резания.

рис.9. Демпфирование колебаний расточной борштанги: I - демпфирующий материал; 2 - стальная втулка; 3 – проставки.

 

 

рис.10. Демпфирование колебаний державки прижатием стальной пластины винтом.

 

рис.11Демпфирование колебаний режущей пластины установкой свинцовой подкладки

 

Если тональный шум при резании определяется колебаниями тонкостенной заготовки, то демпфирование режущего инструмента не дает эффекта и поэтому необходимо демпфировать колебания самой заготовки. При обточке труб, например, иногда бывает достаточно установить в полости трубы свернутый в кольцо кусок резинового шланга, прижимаемый стенкам трубы силами собственной упругости. При обработке труб большого диаметра с толстыми стенками такого метода может оказаться недостаточно, так как здесь требуются большие усилия прижима, которые можно создать с помощью распорных приспособлений, либо с помощью хомутов при операциях внутренней расточки.

При фрезеровании тонкостенных корпусов эффективно применение виброгасящих кулачков, состоящих из 2-х слоев стали (толстого и тонкого), проложенных искусственным материалом с высоким внутренним демпфированием (например, пенополиуретаном), и прижимаемых к наружным поверхностям обрабатываемых корпусов с давлением5-10x10 Н/м². Этот метод позволяет снизить шум на 15+25 дБА.

При работе на отрезных станках дисковыми пилами часто возни­кает значительный шум. Это особенно заметно при резке легких металлов, где скорость резания доходит до 70 м/с. Уровень звука в результате колебаний дисковых пил достигает 115 дБА. Устранить этот шум можно только комплексом мероприятий. Составные пилы в меньшей степени возбуждают шум благодаря внутреннему демпфированию. Шум цельных пил снижают с помощью шедших демпферов. При использовании масляных демпферов с вязкоупругим зажимом диска пилы в качестве демпфирующей среды используют (охлаждающее масло, подаваемое в специальные карманы, сделанные в сегментах, располагающихся с зазором 0,2 мм у плоскости диска.

Установка демпфирующих колец на диск пилы является эффективным средством снижения шума. Кольцевой демпфер состоит из двух колец, изготовленных из комбинированного материала (стальной лист – пластмасса – стальной лист). Демпфирующие кольца устанавливают на заклепках: обеих сторон полотна дисковой пилы. При этом рассеяние энергии происходит и в самих демпфирующих кольцах при изгибных колебаниях дисковых пил и в стыке колец с полотном дисковой пилы. Возможны модификации, когда вместо насаживаемых колец полотно пилы делается многослойным. С помощью таких методов удается снизить шум отрезки на 8-10 дБА. Снижение шума достигается также уменьшением числа

оборотов во время обратного хода после реза дисковой пилы. Предварительной рихтовкой полотна дисковой пилы и повышением точности ее установки можно добиться снижения шума еще на 6 дБА. Применением кожухов, закрывающих полотно пилы, можно добиться дополнительного снижения уровня шума на 6-10 дБА.

Пронзительный шум тарельчатых заточных кругов при обработке деталей можно уменьшить на 10-15 дБ в области частот колебаний больших 2 кГц за счет прижатия резинового диска к внутренней поверхно­сти круга (рис.12).

рис.12.. Демпфирование колебаний тарельчатых заточных кругов.

 

Наиболее эффективным методом снижения шума при процессе резания является установка специальных кожухов, закрывающих зону резания.