Как уменьшить и устранить вибрацию на фрезерном/токарном/сверлильном/шлифовальном станке с ЧПУ?

Вибрация при обработке на станках с ЧПУ может быть распространенной проблемой, влияющей на качество поверхности, срок службы инструмента и эффективность работы. Здесь мы рассмотрим явление вибрации, его причины и практические стратегии по смягчению его последствий в различных процессах обработки на станках с ЧПУ, включая точение, фрезерование, сверление и резку.

1. Что такое вибрация при обработке?

Вибрация при обработке, также известная как вибрация, относится к явлению вибрации при резке в процессах обработки, таких как фрезерование с ЧПУ, точение, сверление и т. д., которое генерирует волны на поверхности обрабатываемых деталей. Это происходит, когда заготовка и режущий инструмент вибрируют на разных частотах. Другими словами, деталь и режущий инструмент движутся в разных направлениях.

2. Типы вибраций при обработке на станках

Во время обработки отклонение режущего инструмента и заготовки, вызванное напряжением резания, приводит к явлению, известному как дребезжание, которое проявляется в виде вибраций на обработанной поверхности. Это отклонение и последующее возвращение к форме происходят неоднократно, что усложняет идентификацию единственного причинного фактора дребезжания. Таким образом, это требует систематического обзора различных потенциальных факторов, включая жесткость инструмента, условия зажима, а также расстояние и направление нагрузки от точки удержания до точки обработки. Детально рассмотреть каждый из них — сложная задача, но основные факторы, вызывающие его, можно сузить до нескольких. Основные факторы, вызывающие дребезжание, обобщены ниже, поэтому давайте рассмотрим два основных типа вибрации дребезжания при обработке с ЧПУ и причины каждого из них:

① Принудительное вибрирование и причины вибраций

Возникает в результате воздействия внешних вибраций на машину, таких как прерывистые силы резания или механические резонансы внутри машины.

Причины вынужденной вибрации

а) Возмущения, связанные с силой: вибрации, вызванные колебаниями силы резания, прерывистым резанием и прерывистыми колебаниями толщины резки.

б) Помехи, связанные с изменением перемещения: вибрации от механических компонентов (двигателей, валов, шестерен и т. д.), а также вибрации, передаваемые от основания машины.

② Самовозбужденная болтовня

Возникает без внешнего возбуждения, как правило, из-за взаимодействия динамических реакций инструмента и заготовки.

Причины самовозбуждающейся вибрации

а) Регенеративный эффект: изменения обработанной поверхности, вызванные вибрациями от предыдущего поворота или предыдущего прохода инструмента, влияющими на текущий процесс обработки (регенерация), и большинство самовозбуждающихся колебаний вызваны регенеративным эффектом, который вызывает большие вибрации.

б) Связь мод: множество мод колебаний взаимодействуют, создавая большие вибрации.

3. Что является причиной вибрации при обработке?

Меры по борьбе с вибрацией различаются в зависимости от формы обрабатываемой детали и жесткости станка, но вот 6 моментов, которые с наибольшей вероятностью могут быть причиной:

① Условия обработки

При появлении вибрации сначала проверьте условия обработки. Лучший способ устранить вибрацию, сохранив при этом текущее состояние оборудования, — изменить условия обработки. Основная мера — изменить условия обработки так, чтобы уменьшить сопротивление резанию. В целом, следующие три условия обработки оказывают большое влияние на возникновение вибрации.

Окружная скорость (скорость вращения)

Более медленная окружная скорость снижает сопротивление резке и может уменьшить вибрацию. Когда возникает вибрация, хорошей идеей будет сначала замедлить окружную скорость и проверить, как возникает вибрация.

Величина подачи (расстояние, которое проходит инструмент за один оборот)

Что касается количества подачи, будь оно большим или маленьким, может возникнуть вибрация. Изменение количества подачи может изменить вибрацию и устранить вибрацию, поэтому измените количество подачи около значения, при котором возникает вибрация, и проверьте, как возникает вибрация.

Глубина реза (глубина резания)

Как и в случае с величиной подачи, вибрация может возникать независимо от того, большая или маленькая глубина резания. Аналогично измените значение около глубины резания, при которой возникает вибрация, и проверьте, как возникает вибрация, изменяя вибрацию.

Обратите внимание, что изменение условий обработки может повлиять на время цикла, поэтому рассмотрите возможность внесения изменений с учетом как времени цикла, так и степени вибрации.

② Длина вылета инструмента

Одним из основных факторов вибрации является длина вылета инструмента. Чем больше длина вылета, тем больше вероятность возникновения вибрации. Расчет величины прогиба приблизительно определяется «длиной», «толщиной» и «нагрузкой» инструмента, но «длина» имеет особенно большое влияние. «Толщина» также имеет столь же большое влияние, но было бы трудно значительно улучшить толщину в реальности. Кроме того, как упоминалось в начале, обработка внутреннего диаметра — это процесс, который часто приводит к длинным вылетам. Идеально использовать инструмент с максимально короткой длиной вылета для каждой заготовки.

③ Толщина заготовки

Если заготовка тонкая, она, скорее всего, будет вибрировать. Такая картина возникает, когда заготовка не выдерживает сопротивления резанию и прогибается. Если обработка внешнего диаметра выполняется до обработки внутреннего диаметра, хорошей идеей будет проверить, можно ли подавить вибрацию, изменив порядок обработки. Выполняя обработку внутреннего диаметра, пока заготовка еще толстая, можно подавить вибрацию.

④ Кончик носа П

Чем меньше носик R, тем меньше сопротивление резанию и тем меньше вероятность возникновения вибрации.

Независимо от носовой части R, если режущий инструмент поврежден, сопротивление резанию может увеличиваться, поэтому, если после длительного использования появляется вибрация, рассмотрите возможность замены его на новый. «Угол ввода» и «угол передка» Элементы, относящиеся к режущей кромке, включают «угол ввода» и «угол передка».

Часть, которая фактически режет заготовку, является контактной частью инструмента (стружка), поэтому вибрацию можно уменьшить, немного улучшив эту часть. Изменяя угол вхождения, сопротивление обработке можно сместить в направлении, которое уменьшает отклонение. Также сопротивление обработке можно уменьшить, обрабатывая с положительным передним углом.

⑤ Состояние зажима

Если сила зажима слабая, заготовка, скорее всего, будет трястись и вибрировать. Было бы неплохо, если бы вы могли просто увеличить силу зажима, но имейте в виду, что вам также нужно учитывать деформацию заготовки. Даже если трудно зажать заготовку сильным зажимом, если заготовку можно толкать по центру, можно использовать толкание по центру, чтобы в некоторой степени уменьшить тряску. Кроме того, если у станка нижняя револьверная головка, вы можете стабилизировать заготовку, поддерживая ее нижней револьверной головкой во время обработки.

⑥ Резонанс из-за собственной частоты

Возможно, что дребезжание вызвано резонансом между заготовкой и инструментом. Вы можете определить, происходит ли резонанс, используя для проверки устройство для измерения вибрации.

Если это вызвано резонансом собственной частоты, то его можно устранить, немного изменив условия обработки.

4. Как уменьшить и остановить Болтовня на токарном станке?

Мы расскажем, как бороться с каждым типом дребезжащих вибраций в зависимости от причин их возникновения:

Методы снижения вынужденной вибрации на токарном станке
Вынужденная вибрация возникает, когда некоторая внешняя сила усиливается машиной. Хотя аналитический расчет скорости усиления опущен, усиленная вибрация может быть определена.

Тип вибрации	Метод ответа	Конкретные примеры методов реагирования	Замечания
Вибрация из-за колебаний силы резания	– Уменьшить силу резания – Изменить принудительную вибрацию	– Изменить форму инструмента – Изменить количество лезвий – Изменить на неравный шаг	Меньшее количество лопастей снижает вибрацию В концевых фрезах применяется неравномерный шаг.
Вибрация деталей машин	– Заменить вибрирующие части – Изменение собственной частоты вибрирующих частей – Изменить или заблокировать путь вибрации	– Изменить тип деталей, таких как двигатели – Изменить траекторию вибрации с линейной на круговую	Изменение частей изменяет собственную частоту (также приводит к изменению пути вибрации)
Внешние вибрации от основания и т.п.	– Изменить или заблокировать путь вибрации – Меры по гашению вибрации	– Переход на виброгасящую базу – Установить резиновые опоры	–
Прочее	– Улучшить динамическую жесткость механической системы	– Увеличить жесткость двигателя	Жесткость по отношению к динамическим силам при ускорении и замедлении (например, двигатели)

Методы снижения самовозбуждающейся вибрации на токарном станке
Самовозбуждающиеся колебания обусловлены характеристиками, связанными с вибрацией системы обработки.

Уменьшение и прекращение самовозбуждающейся вибрации

Характеристика	Метод ответа	Конкретные примеры методов реагирования	Замечания
Характеристики резки	Изменить инструмент	– Увеличить углы наклона спирали и переднего угла – Принять неравный шаг	Неравномерный шаг позволяет избежать резонанса
Характеристики резки	Изменить условия резания	– Уменьшить скорость резания – Уменьшить скорость подачи – Увеличить скорость шпинделя – Уменьшить скорость шпинделя	–
Динамические характеристики машины	Улучшить динамические характеристики конструкции машины	– Используйте машины высокой жесткости – Использовать смоляную бетонную конструкцию	Смоляной бетон обладает превосходной прочностью на сжатие, растяжение и изгиб.
Динамические характеристики инструмента	Улучшить динамические характеристики инструмента	– Используйте спиральные стержни	Использует хвостовик как пружину для подавления вибраций.

Стратегии вибрации были организованы в вынужденную вибрацию и самовозбуждающуюся вибрацию. Вибрация редко вызывается одним фактором; часто несколько факторов накладываются друг на друга, что приводит к значительной вибрации. Поэтому при возникновении вибрации важно не сосредотачиваться на одной причине, а учитывать все возможные факторы, независимо от того, являются ли они вынужденными или самовозбуждающимися, и реагировать соответствующим образом.

Методы снижения вибрации обрабатывающих инструментов

Контрмеры для вибрации-дребезга можно рассмотреть для каждого режущего инструмента. Здесь, в качестве примера, мы представляем ответы на вибрацию-дребезг из устранения неисправностей концевых фрез.

Уменьшить и остановить Вибрация в концевых фрезах

Тип	Вызывать	Режимы секции мощности	Замечания
Условия обработки	Высокая скорость резания	Уменьшите скорость резки	Уменьшите обороты
Условия обработки	Низкая скорость подачи	Отрегулируйте подачу на зуб	–
Условия обработки	Высокая устойчивость к резанию	– Делайте более мелкие надрезы – Используйте инструменты с меньшим количеством канавок	–
Условия обработки	Высокие углы наклона и зазора	Отрегулируйте углы или смените инструмент	–
Инструмент	Низкая жесткость	– Увеличить диаметр инструмента – Используйте твердый сплав и т.п.	Увеличивает жесткость
Инструмент	Высокий угол наклона спирали	Используйте инструменты с меньшим углом наклона спирали.	Большие углы наклона спирали могут привести к снижению прочности углов, вытягиванию инструмента и изгибу тонких заготовок.
Инструмент	Большая длина выступа	Минимизировать насколько это возможно	Увеличивает изгибающий момент при резке
Инструмент	Большое количество флейт	Уменьшить количество флейт (2-3)	Большее количество канавок повышает жесткость, улучшает качество обработки поверхности и продлевает срок службы инструмента, поэтому требуется компромиссная корректировка

В этой таблице представлены реакции на вибрацию дребезга для концевых фрез, но аналогичные факторы можно учитывать и для других инструментов. Это связано с тем, что вибрации дребезга вызываются не только самим инструментом, но и внешними вибрациями и различиями в условиях обработки и силах резания. Более того, из механизма вибраций дребезга, аналогичные условия возникают в любой операции обработки, и если условия не совпадают, будут возникать вибрации дребезга. Было бы полезно применить методы реагирования, перечисленные в таблице, к другим инструментам для устранения вибраций дребезга. 

Ниже мы также перечислим некоторые распространенные способы снижения и устранения вибрации при различных типах обработки.

5. Как уменьшить и устранить вибрации при фрезеровании с ЧПУ?

Чтобы уменьшить и остановить вибрацию при фрезеровании с ЧПУ, которая может значительно ухудшить качество обработанных деталей, крайне важно учитывать несколько ключевых факторов, как объяснено в исходном тексте. Вот разбивка стратегий по борьбе с вибрацией:

1. Обеспечьте жесткость креплений или установки.

Недостаточная поддержка обрабатываемой детали может привести к вибрации и дребезжанию. Используйте высококачественные, жесткие зажимные системы и приспособления. В тексте упоминаются зубчатые губки, которые крепко захватывают материал с обеих сторон. Кроме того, повторное затягивание захватов после первоначальной настройки может обеспечить надежное удержание.

2. Обеспечьте жесткость инструмента и держателя инструмента.

Недостаточно жесткий инструмент также может вибрировать, что приводит к вибрации. Используйте прочные держатели инструментов с характеристиками, которые повышают устойчивость. Например, в тексте упоминается держатель с двойным контактом (держатель Big Plus), который контактирует как с конусом, так и с фланцем шпинделя, что повышает устойчивость. Кроме того, использование держателя Hydroforce с большим диаметром рядом с инструментом также помогает снизить гибкость и вибрацию. Чем короче выступ инструмента из держателя, тем лучше, так как это снижает эффект рычага, который может вызывать вибрации.

3. Отрегулируйте давление инструмента и параметры резки.

Неправильные параметры резания, такие как скорость и подача, могут привести к недостаточному давлению инструмента, что приведет к его подпрыгиванию или вибрации. Регулировка длины поверхности (скорости резания) и скорости подачи может помочь. Уменьшение числа оборотов в минуту при сохранении скорости подачи увеличивает нагрузку на стружку, что, в свою очередь, увеличивает давление резания, стабилизируя инструмент. Альтернативно, увеличение скорости подачи при сохранении постоянной скорости также может увеличить давление на инструмент, уменьшая вибрацию.

4. Оптимизируйте запас и глубину реза

Отрегулируйте количество материала, оставленного для чистовой резки. Иногда, если оставить слишком мало или слишком много материала, это может привести к вибрации во время последних проходов.

5. Оптимизация траектории инструмента

Иногда изменение траектории инструмента может помочь уменьшить вибрацию за счет более равномерного распределения нагрузки на инструмент или за счет исключения резонансных частот, которые могут вызывать вибрации.

6. Как уменьшить и прекратить вибрации при бурении?

Вибрация при сверлении с ЧПУ может существенно повлиять на качество просверленных отверстий, привести к поломке инструмента и снижению производительности. Она вызвана вибрациями между заготовкой и инструментом, что может привести к плохой отделке поверхности и неточным размерам отверстий. Вот как можно уменьшить и прекратить вибрацию при сверлении с ЧПУ:

1. Используйте правильный инструмент

Тип и материал сверла: выберите подходящий материал сверла и геометрию для материала заготовки. Например, твердосплавные сверла лучше подходят для более твердых материалов из-за их более высокой жесткости и износостойкости.

Покрытия инструментов: рассмотрите возможность использования инструментов с покрытием, которое может продлить срок службы и производительность инструмента, а также снизить вибрации, вызванные износом.

Острые инструменты: убедитесь, что сверла острые и хорошо обслуживаются. Тупые инструменты увеличивают силу резания, что приводит к большей вибрации и дребезжанию.

2. Оптимизируйте параметры резки

Скорость резания и скорость подачи: Начните с рекомендуемых производителем скоростей и подач, но будьте готовы к корректировке. Как правило, увеличение скорости и уменьшение подачи может помочь уменьшить вибрацию, но это может варьироваться в зависимости от материала и инструмента.

Сверление с частым толчком: используйте циклы сверления с частым толчком для глубоких отверстий. Эта техника подразумевает периодическое отведение сверла для удаления стружки и охлаждения инструмента, что может помочь снизить накопление сил, которые приводят к вибрации.

3. Повышение жесткости станка и заготовки

Надежный зажим: Убедитесь, что заготовка надежно закреплена. Любое движение во время сверления может вызвать или усилить вибрацию.

Состояние машины: Регулярное техническое обслуживание станка с ЧПУ имеет решающее значение. Ослабленные компоненты, такие как подшипники шпинделя или изношенные направляющие, могут усилить вибрации.

Минимизируйте вылет: используйте максимально короткий вылет инструмента из держателя, чтобы повысить жесткость и уменьшить прогиб.

4. Используйте методы смягчения

Гасители вибрации: установите антивибрационные устройства или используйте держатели инструментов со встроенными функциями гашения вибрации.

Подача охлаждающей жидкости через шпиндель: обеспечивает как охлаждающий, так и демпфирующий эффект за счет снижения тепловыделения и эффективного удаления стружки.

5. Отрегулируйте геометрию сверла

Угол при вершине и угол наклона спирали: отрегулируйте их в зависимости от материала. Больший угол при вершине или другой угол наклона спирали может улучшить отвод стружки и уменьшить силы, действующие на сверло, тем самым минимизируя вибрацию.

6. Программное обеспечение и инструменты мониторинга

Программное обеспечение для моделирования: используйте программное обеспечение ЧПУ для моделирования траекторий сверления и выявления потенциальных проблем перед фактической обработкой.

Системы мониторинга: современные системы ЧПУ, оснащенные средствами мониторинга, способны обнаруживать и корректировать вибрации в режиме реального времени, автоматически изменяя параметры для снижения вибрации.

7. Как уменьшить и устранить вибрации при повороте?

Чтобы уменьшить и остановить вибрацию при токарной обработке с ЧПУ, особенно при работе с длинными, тонкими деталями, подверженными вибрации, важно учитывать несколько факторов, которые влияют на стабильность процесса обработки. Ниже приведено подробное руководство на основе предоставленного текста, в котором основное внимание уделяется инструментам, параметрам обработки и настройкам:

1. Выбор инструмента

Борштанги: Выберите правильный тип материала борштанги на основе жесткости, необходимой для операции. В тексте упоминаются три типа: сталь, тяжелый металл и цельный карбид. Твердосплавные стержни, будучи наиболее жесткими, как правило, обеспечивают наилучшую устойчивость к вибрации, за ними следует тяжелый металл, а затем сталь.

Вставки: Выбор вставки может существенно повлиять на вибрацию. Были испытаны вставки с разными радиусами носа (0.031″, 0.156″ и 0.078″), показав, что большие радиусы носа, как правило, лучше снижают вибрацию из-за сниженных сил резания.

2. Параметры обработки

Скорость и подача: Регулировка скорости резания может оказать сильное влияние на вибрацию. Было отмечено, что снижение скорости по мере того, как инструмент продвигается глубже в деталь (где настройка менее жесткая), может помочь минимизировать вибрацию. Скорость подачи поддерживалась постоянной для соответствия требованиям к чистоте поверхности, но ее регулировка также может потребоваться в зависимости от результата.

Глубина реза: Уменьшение глубины реза с 30 тыс. до 20 тыс. показало некоторые улучшения в снижении вибрации. Более мелкий рез снижает нагрузку на инструмент, тем самым уменьшая тенденцию к вибрации.

3. Настройка корректировок

Длина расточного бруса: поддержание всех расточных брусков одинаковой длины помогает устранить отклонения, которые могут привести к нестабильности и вибрациям. Чем ближе инструмент к револьверной головке, тем он стабильнее.

Поддержка вблизи зоны резания: Увеличение поддержки вблизи губок или зоны резания может повысить устойчивость. Текст предполагает, что ближе к губкам (где деталь более жесткая) вибрация уменьшалась.

8. Как уменьшить и прекратить вибрации при шлифовании?

Вибрация при шлифовании с ЧПУ характеризуется вибрациями между шлифовальным кругом и заготовкой, что может значительно ухудшить качество поверхности и точность обработанных деталей. Она проявляется в виде нежелательных, повторяющихся узоров или волн на поверхности заготовки.

Правильное обслуживание колес:

Регулярно обслуживайте и правьте шлифовальный круг, чтобы он оставался острым и хорошо сбалансированным. Это снижает вибрацию, вызванную неровными поверхностями круга.

Балансировка и монтаж колеса:

Убедитесь, что шлифовальный круг идеально сбалансирован и правильно установлен. Любой дисбаланс или несоосность могут вызвать вибрации.

Оптимальное крепление заготовки:

Закрепите заготовку должным образом, чтобы минимизировать вибрации. Проверьте установку на наличие несоосности или ослабления.

Использование оптимальных шлифовальных жидкостей:

Используйте правильный тип и количество шлифовальной жидкости. Шлифовальные жидкости помогают охлаждать, смазывать и удалять мусор из шлифовальной зоны, что может уменьшить трение и вибрацию.

Состояние и настройка машины:

Регулярное техническое обслуживание шлифовальной машины имеет решающее значение. Убедитесь, что все механические компоненты находятся в хорошем рабочем состоянии и что настройки машины оптимизированы для конкретной операции шлифования.

Отрегулируйте параметры шлифования:

Измените глубину резания, скорость подачи и скорость шлифовального круга в зависимости от материала и типа шлифовальной операции. Поэкспериментируйте с этими параметрами, чтобы найти настройку, которая минимизирует вибрацию.

Использование передовых технологий колес:

Рассмотрите возможность использования специальных шлифовальных кругов, таких как упомянутый в статье «круг из эльбора с керамической поверхностью «Сакура», структура которого снижает сопротивление шлифованию и, таким образом, сводит к минимуму возникновение вибрации.

Методы гашения вибрации:

Внедрите решения по гашению вибрации в конструкцию машины, например, используя антивибрационные опоры или подкладки под машину.

Эффективное управление вибрацией требует понимания взаимодействия динамики станка, инструмента и свойств заготовки. Регулируя настройки станка, повышая жесткость и используя соответствующий инструмент, производители могут значительно сократить возникновение вибраций, что приведет к повышению производительности и качества продукции. Каждая ситуация может потребовать уникального сочетания этих стратегий, что подчеркивает важность индивидуального подхода к работе станка с ЧПУ.