Анализ: Использование зубьев с асимметричным шагом для устранения вибрации.

Вибрация является дорогостоящей и постоянной проблемой при фрезеровании. Эффект вибрации может быть достаточно большим, чтобы повредить инструмент, привести к списанию заготовки и даже повредить станок. Что еще хуже, из-за риска вибрации операторы станков могут быть слишком консервативны в выборе параметров обработки, что делает возможности станка неэффективными. Обычно производственная мощность станка используется только наполовину или частично.

Флаттер — это разновидность самовозбуждающейся вибрации, что означает, что стабильная энергия, поступающая от двигателя шпинделя, преобразуется в вибрацию с помощью определенного механизма. Основным механизмом вибрации станка является усиление волны вибрации по положительной обратной связи. По существу, динамическая жесткость системы обработки (включая инструмент и заготовку) недостаточна. Когда режущий зуб режет заготовку, это вызывает вибрацию, а вибрирующий режущий зуб образует рябь на поверхности заготовки. Когда следующий зуб соприкасается с рифленой поверхностью, гофрирование поверхности приведет к изменению толщины стружки, измененная толщина стружки приведет к изменению силы резания, а измененная сила резания вызовет вибрацию.

Одним из способов устранения механизма вибрации является проверка динамических характеристик системы обработки, использование этих результатов испытаний для расчета стабильной карты зоны резания и выбор условий резания в пределах стабильного диапазона. Эта стратегия диапазона предварительного регулирования основана на регулировке вибрации инструмента так, чтобы она совпадала с гофрированной поверхностью. Когда передняя и задняя гофры совпадают друг с другом, толщина стружки больше не меняется и вибрация прекращается. Когда количество вибрационных волн между соседними зубами равно ровно 1, 2 или любому целому числу, на графике синусоиды устойчивости появляется устойчивый интервал. Для такой стратегии обработки необходимо знать стабильную скорость, поддерживать стабильную скорость в пределах допустимого диапазона скоростей шпинделя, иметь равномерное распределение зубьев фрезы и точно контролировать скорость шпинделя.

Альтернативная стратегия состоит в подавлении механизма усиления вибрационных волн с положительной обратной связью путем изменения расстояния между зубьями. Если зубья фрезы имеют асимметричный (неравномерный) шаг, гофрированная поверхность, оставленная предыдущим зубом фрезы, срезаемая каждым зубом фрезы, имеет различную волнообразную форму, тем самым подавляя вибрацию. По сравнению с инструментами с одинаковым расстоянием между зубьями инструменты с неодинаковым расстоянием между зубьями обычно обеспечивают более стабильную осевую глубину резания.

Однако для получения таких результатов необходима тщательная оценка. Поскольку подача постоянна, изменение шага зубьев приведет к разнице подачи на зуб. Обычно это означает, что только один зуб может выдержать полную нагрузку стружки, тогда как остальные зубья не могут резать при полной нагрузке. По этой причине эффективная подача за оборот инструмента должна быть уменьшена, а уменьшение подачи должно компенсироваться увеличением осевой глубины резания до тех пор, пока зубья не будут сбалансированы.

Для примера рассмотрим четырехзубую концевую фрезу с равномерным расположением зубьев и наиболее стабильной осевой глубиной резания (10 мм). Зубья равномерно распределены под углом 90°, а направления расположения составляют 0°, 90°, 180° и 270° соответственно. Если допустимая нагрузка на стружку (подача на зуб) составляет 0,2 мм, подача на оборот составит 0,8 мм/об. Если ориентация только одного зуба изменится на 10°, то ориентация этих зубов составит 0°, 100°, 190° и 280°. Таким образом, расстояние между зубьями составляет 100° (максимальное расстояние), 90°, 90° и 80° (минимальное расстояние).

Чтобы подача на зуб при максимальном расстоянии не превышала допустимое предельное значение, максимальное расстояние используется в качестве контрольного расстояния. Необходимо уменьшить величину подачи в соответствии с соотношением равного расстояния к максимальному (в данном примере 90°/100°) на основе равномерной подачи зубьев фрезы. Таким образом, нагрузка на стружку, соответствующая каждому интервалу между зубьями, составляет 0,2 мм, 0,18 мм, 0,18 мм и 0,16 мм соответственно. Подача на оборот составляет 0,72 мм/об. Для этого инструмента допустимое увеличение стабильной осевой глубины резания должно быть больше соотношения 100/90, а это значит, что 11,1 мм – это как раз критическое значение скорости съема металла. Вообще говоря, при использовании этого метода для подавления усиления волны вибрации с положительной обратной связью, чтобы инструмент с неравным расстоянием имел прикладное значение, необходимо позволить осевой глубине резания удвоить соотношение максимального расстояния / равного расстояния.

Аналогичным образом, изменение скорости шпинделя также может подавить усиление волны вибрации с положительной обратной связью, но когда шпиндель вращается более чем на один оборот, расстояние между зубьями инструмента также может быть эффективно изменено. Однако, поскольку подача фиксирована, максимальное расстояние все равно позволяет контролировать подачу. Прежде чем можно будет достичь какого-либо увеличения скорости съема металла, изменение скорости шпинделя должно обеспечить стабильную осевую глубину резания, чтобы удвоить отношение максимального шага к равному шагу.