Борьба с вибрациями высокоточных станков

Вибрация нарушает заданные конструктором параметры движения машин, механизмов и систем управления, порождает неустойчивость процессов обработки деталей и работы станка, что может вызвать отказы, в том числе полную расстройку всей системы. Вибрация приводит к увеличению динамических нагрузок в элементах конструкций станков и сопряжениях, снижается несущая способность деталей, возникают усталостные разрушения. Для прецизионных, высокоскоростных станков вибрация пагубно влияет на точность обрабатываемых изделий и может приводить к их неравномерному нагреву, растрескиванию и браку.
В связи с этим особое значение приобретают методы и средства уменьшения вибрации, а также исследования динамического состояния станков.

Современный станок представляет собой совокупность систем с разными физическими принципами действия: механическая, электрическая и электронная системы управления, гидравлическая, пневматическая и другие, поэтому прогнозирование качества и надежности станков является сложной проблемой, так как в процессе работы станок подвергается воздействию механической, тепловой, электромагнитной, биологической, химической и др. энергий, под воздействием которых в системах станка возникают процессы различной природы и различной скорости: колебательные, тепловые, износ, старение, коробление и другие. Применение компьютерной техники позволяет прогнозировать выходные характеристики машин, их отдельных систем и узлов, начиная уже с самой ранней стадии проектирования — с уровня принятия концепции (рис. 1).

Рис. 1. Конечно-элементная модель станка

Это особенно актуально для дорогостоящих прецизионных машин, так как при их проектировании возможно уменьшить или вообще исключить натурные исследования и испытания, требующие разработки и создания экспериментальных стендов и образцов. В результате снижаются затраты на доработку конструкции и технологии, на корректировку технической документации, сокращаются сроки внедрения проектируемых машин.

К прецизионным металлорежущим станкам относятся станки токарной, сверлильно-расточной, шлифовальной, зубообрабатывающей и фрезерной группы для высокоточной обработки деталей. Они разделяются на четыре класса точности: станки повышенной точности (П), высокой точности (В), особо высокой точности (А) и особо точные (С). Обработка на прецизионных станках обеспечивает получение изделий, характеризующихся отклонениями от правильной геометрической формы в пределах долей микрометра, высокоточным пространственным положением осей (в пределах единиц микрометра) и высокой чистотой поверхности с параметром шероховатости Ra менее 1 мкм.
Условиями для получения высокой точности обработки являются применение ответственных деталей и узлов повышенной точности, прецизионных и сверхпрецизионных подшипников качения, а также гидродинамических, гидро- и аэростатических подшипников; снижение тепловых деформаций и вибраций; повышение жесткости узлов; применение высокоточных приборов активного контроля; оснащение станков системами отвода стружки и тонкой фильтрации смазочно-охлаждающих жидкостей; высокая степень автоматизации управления станком, загрузки и выгрузки изделий. Особо важное значение при обработке имеет точность перемещения подвижных узлов, что обеспечивается применением высокоточных специальных базовых деталей, направляющих, основных элементов механизмов перемещения и подач, снижением трения в механизмах перемещения подвижных узлов.

Тепловые деформации заготовок, станины, приспособлений и др. деталей и узлов прецизионного станка (возникающие в результате выделения тепла от трения, работы гидроприводов и электроустройств, а также тепла, переносимого смазочно-охлаждающей жидкостью из зоны резания) могут быть уменьшены путем удаления от станка источников нагрева, применения систем смазки со стабилизацией температуры, холодильных устройств в смазочно-охлаждающей системе. При обработке особо точных деталей прецизионные станки устанавливают в термоконтактном помещении.

Одним из основных критериев работоспособности и точности станка под нагрузкой является жесткость технологической системы, то есть способность системы препятствовать перемещению ее элементов под действием силовых факторов. Жесткость, в свою очередь, зависит от конструкции (выбранной компоновки) и качества сборки. Как показывает практика, статическая жесткость станков в 1,2-1,4 раза выше динамической. Поэтому при проектировании более объективной величиной является динамическая жесткость станков, характеризующая вибрации и колебания узлов несущей системы, оказывающая значительное влияние на условия обработки детали.

Рассмотрим подробнее динамические процессы, проходящие в станках. Во время работы станка возникают переменные силы, которые обусловливают соответствующее изменение деформаций несущей системы, нагрузки на механизмы станка и условий работы электропривода, что приводит к колебаниям заготовки и инструмента.
Колебания при резании разделяют на вынужденные, причина возникновения которых — периодически действующие возмущающие силы, и автоколебания, которые не зависят от воздействия возмущающих сил. Источниками возмущающих сил являются неуравновешенные части станка (шкивы, зубчатые колеса, валы), выполненные с дефектом передаточные звенья, неуравновешенность обрабатываемой детали, неравномерный припуск на обработку и другие факторы.
Основными источниками возникновения автоколебаний являются следующие: изменение сил резания вследствие неоднородности механических свойств обрабатываемого материала; появление переменной силы резания в процессе удаления нароста с режущей части инструмента; изменение сил трения на поверхностях инструмента вследствие изменения скорости резания в процессе работы и др. На интенсивность автоколебаний оказывают влияние физико-механические свойства обрабатываемого материала, параметры режима резания, геометрические параметры инструмента, жесткость отдельных элементов и всего станка, зазоры в отдельных звеньях несущей системы.

Для получения параметров о происходящих на станке динамических процессах проводятся экспериментальные исследования. Для этого на станке в определённым образом подобранных местах устанавливаются датчики ускорений (акселерометры), проводится запись колебаний станка в нескольких режимах работы, которая впоследствии обрабатывается для получения необходимых сведений. Места установки датчиков назначаются из конструктивных соображений, с учётом габаритных параметров станка, величин перемещения элементов станка в эксплуатационном режиме, а в некоторых случаях - по результатам конечно-элементых исследований интересующих деталей (рис. 2).

а)	б)
Рис. 2. Экспериментальные (а) и конечно-элементные (б) исследования динамических параметров и колебаний высокоточных станков.

Компания VibroLAB осуществляет замеры вибрации, экспериментального модального анализа и анализа динамического состояния станков различных типов. Ознакомится с перечнем услуг можно на странице, при необходимости заполнить заявку для уточнения деталей.

Проблемы виброзащиты возникают практически во всех областях современной техники, и их решение существенно опирается на специфику системы или реализуемого ею динамического процесса. Выбор законов движения исполнительных органов машин, механизмов, реализующих эти движения, геометрических форм деталей и конструкций, вида их сопряжений и механических характеристик, материалов и способов обработки наряду с функциональными требованиями должен отвечать требованиям вибронадежности и вибробезопасности.
К наиболее универсальным подходам, обеспечивающим виброзащиту, относятся балансировка деталей и узлов машин, конструкционное демпфирование, виброизоляция оборудования, использование средств и систем динамического гашения колебаний. Описанные подходы отображены на схеме 1.

Схема 1. Основные методы борьбы с вибрацией в станках

Ознакомиться с методами снижения вибрации высокоточного оборудования и станков можно на странице "Принципы виброзащиты", примерами проектирования и монтажа систем виброзащиты - на странице выполненных работ.

В подготовке темы использованы данные из статей: Смирнов В.А. в журнале «Промышленное и гражданское строительство» №6, 2012 г., Хомяков, Николаев, Шереметьев в журнале «Техномир», № 1 (27) 2006 г.