Вибрация при обработке: причины, предотвращение и оптимизация

Вибрация при механической обработке возникает практически во всех производственных процессах. Тяжелые станки, используемые в производстве, генерируют значительные вибрации, что приводит к ухудшению чистоты поверхности и снижению точности размеров.

Стружкерезам приходится бороться с нежелательной вибрацией в различных процессах — токарной, фрезерной или сверлильной обработке на станках с ЧПУ. Однако понимание природы вибрации, её причин и методов предотвращения помогает избежать простоев оборудования, что критически важно для бизнеса.

В этой статье рассматриваются определение вибрации, её виды, последствия и способы устранения.

Что такое вибрация при механической обработке?

Вибрация при обработке — это нежелательные колебания, возникающие при резании или сверлении деталей. Она вызвана дисбалансом вибраций заготовки и режущего инструмента, которые периодически движутся относительно друг друга. Вибрация возникает, когда обрабатываемая деталь и режущий инструмент движутся в противоположных направлениях, вызывая изменение режущей нагрузки на оборот инструмента.

Причины могут кроться в неудачном конструкторском решении для производства или несоответствующем оснащении. Вибрация обычно сопровождается громким шумом и видимой волнистостью на поверхности обработанных деталей. Вибрация при обработке бывает двух основных типов:

• Резонансная вибрация
• Нерезонансная вибрация

Нерезонансная вибрация возникает из-за использования неравномерно изношенных инструментов. Эта вибрация часто постоянна на протяжении всего цикла обработки и обусловлена механическими причинами, которые легко выявить.

Резонансная вибрация, напротив, проявляется на определенных участках траектории инструмента, например, при обработке вогнутых углов.

Виды вибрации при механической обработке

В обработке на станках с ЧПУ можно выделить два основных типа вибрации:

Вибрация инструмента

Как правило, фрезы на станках с ЧПУ вибрируют во время резания. Они начинают удалять материал, передавая вибрацию заготовке, в которую наносят различные элементы. В результате инструмент и заготовка начинают скользить друг относительно друга, что значительно усиливает вибрацию.

Вибрация заготовки

Если заготовка неправильно закреплена на столе фрезерного станка, это может привести к смещению и вибрации. Следовательно, тонкая стенка заготовки может начать вибрировать, передавая колебания режущему инструменту.

Важно отметить, что некоторые виды вибрации часто неизбежны. Если амплитуда вибрации при обработке превышает 100 мкм, на поверхности заготовки могут появиться царапины. Тем не менее, для качества изделия необходимо принимать меры по устранению вибрации инструмента и заготовки. Об этом будет рассказано ниже.

Последствия вибрации при механической обработке

Неконтролируемая вибрация может привести к различным вредным последствиям, например, снижению эффективности обработки. Вот основные из них:

Сокращение ресурса инструмента

Режущие инструменты не рассчитаны на вибрационные удары при контакте с заготовкой. Эти удары могут заламывать и затуплять режущую кромку, ухудшая качество поверхности деталей. Кроме того, это сокращает срок службы инструмента и эффективность резания, а замена оснащения стоит дорого.

Сокращение ресурса станка

Станок состоит из множества узлов, которые при вибрации колеблются на одной частоте. Шпиндель и другие ключевые элементы, обеспечивающие движение по осям, могут изнашиваться быстрее расчетного срока. Вибрация создает избыточные нагрузки на компоненты станка, и если не устранить её, это снизит эффективность обработки и приведет к простоям.

Ухудшение чистоты поверхности

Вибрация влияет на эстетические свойства заготовки и в крайних случаях ухудшает её допуски. Одним из самых очевидных последствий является повышение шероховатости поверхности. Вибрация вызывает видимую волнистость, что снижает качество и долговечность детали.

Снижение точности размеров

Когда режущий инструмент вибрирует при обработке на станке с ЧПУ, он отклоняется от заданной в CAM-системе траектории. Это отклонение может привести к несоответствию размеров деталей: они могут получаться слишком тугими, длинными, короткими или слабыми из-за неточных размеров.

Производственные компании используют различные методы минимизации вибрации при обработке, чтобы поддерживать и заготовки, и режущие инструменты в хорошем состоянии. Вот основные шаги по снижению вибрации при фрезерной обработке на станках с ЧПУ:

Оптимизация стратегии обработки

Степень зацепления фрезы с заготовкой меняется при обычной фрезеровке. На фрезу регулярно действует избыточная сила по мере её движения по траектории. Поэтому лучший способ снизить вибрацию — обеспечить постоянное зацепление инструмента по траектории. В качестве альтернативы можно уменьшить глубину резания.

Также стоит пересмотреть конфигурацию шпинделя. Например, если причиной вибрации является резонанс, увеличение или уменьшение оборотов шпинделя на 5% минимизирует резонансные колебания. Обратите внимание, что некоторые CAM-системы имеют функции для постоянного изменения скоростей шпинделя. Большинство производителей используют эту возможность благодаря её универсальности.

Применение правильного закрепления заготовки

Сбалансированные режущие инструменты обеспечивают лучшую настройку. Неправильное позиционирование и фиксация — основные причины вибрации при обработке на станках с ЧПУ. Однако держава инструмента с концевым и коническим контактом обеспечивает максимальную жесткость при обработке. В результате качество поверхности не ухудшается даже на минимальных оборотах.

Также необходимо проверить, создает ли тиски, вакуумный стол, зажим или другое зажимное устройство достаточное давление для надежного удержания заготовки.

При использовании приспособлений и тисков для создания необходимого зажимного давления не следует зажимать только один конец вытянутой тонкой заготовки. Тонкостенные детали плохо гасят удары. Поэтому подкладочные материалы повышают их общую жесткость и снижают вибрацию. Тыльник или аналогичная устойчивая опора — идеальный вариант для таких компонентов.

Использование правильного режущего инструмента

Правильный выбор режущего инструмента помогает избежать вибрации при обработке. Некоторые инструменты генерируют больше вибраций, чем другие. Устранить вибрацию инструмента сложнее, чем вибрацию заготовки. Поэтому при выборе инструмента следует учитывать:

• Покрытие инструмента
• Правильную геометрию подложки
• Соотношение длины к диаметру инструмента

Стружкерезы и инженеры часто используют самый крупный инструмент, соответствующий техническим требованиям. Чем массивнее резак, тем меньше вероятность вибрации. Длинные или тонкие инструменты часто деформируются. Следовательно, лучше выбирать более короткие инструменты с наибольшим диаметром.

Однако комбинирование различных инструментов с разной формой канавок — самый эффективный способ минимизации вибрации. Кроме того, стоит уменьшить вылет инструмента из державы и надежно зафиксировать его. После этого вибрация станет менее вероятной.

Убедитесь, что ваши резаки имеют острые кромки, минимизирующие режущую силу фрезерных станков с ЧПУ. Всегда учитывайте стабильность технологической среды и своевременное обслуживание резака. Также важно обеспечивать правильное и постоянное давление инструмента, чтобы нагрузка на зуб было равномерной.

Определение идеальной траектории инструмента

Фрезерные операции на станках с ЧПУ делятся на два типа — в зуботворное и противозуботворное направление. Если направление режущей силы совпадает с направлением зажима, это может снизить вибрацию изогнутых деталей. Это часто является важным аспектом резания, требующим внимания.

Как правило, станки с ЧПУ имеют предустановленные шариковые винты, повышающие эффективность и точность. Поэтому можно использовать вертикальные обрабатывающие центры для предотвращения вибрации в процессе резания.

Настройка и обслуживание станка

Как и ожидается, станок с ЧПУ должен быть установлен на бетонный пол без трещин, деформаций или разрывов. Расположение станка играет решающую роль в минимизации вибрации при обработке.

Потому что эластичный, мягкий или поврежденный фундамент может усилить дрожание станка. Следовательно, следует использовать анкерные болты и регулируемые опоры для надежной фиксации станка и минимизации вибрации.

WayKen предоставляет эффективные решения для механической обработки

Всегда трудно избежать различных мелких проблем при механической обработке, таких как вибрация, влияющая на конечный результат. Именно тогда нужен эксперт по обработке на станках с ЧПУ, который поможет справиться с ними.

В WayKen, с более чем 20-летним опытом обработки, наши стружкерезы готовы реагировать и решать любые задачи механической обработки. От простых до сложных деталей мы всегда предоставляем эффективные решения экономичным способом. Следовательно, вы можете быть уверены, что получите нужный продукт. Просто загрузите ваш CAD-файл сегодня и получите бесплатный расчет и DFM-анализ.

Заключение

Вибрация — это эффект обработки, вызывающий существенное снижение производительности. Она влияет на работу станка, качество заготовки, режущий инструмент и срок службы станка. Различные факторы способствуют её возникновению: от места установки станка до траектории инструмента.

Однако при возникновении сильной вибрации необходимо тщательно проанализировать ситуацию. Убедитесь, что инструмент и заготовка закреплены правильно, а выбранные режимы обработки верны, чтобы эффективно устранить вибрацию.

Часто задаваемые вопросы

Что такое следы от вибрации при обработке?

Следы от вибрации — это неправильности поверхности, оставляемые выбейным кругом при шлифовке или регулярные следы при точении длинной заготовки на токарном станке из-за вибрации при обработке.

Что вызывает вибрацию при операциях механической обработки?

Режущие силы, возникающие при резании, значительно возрастают, если у станка излишний износ. Повышенная режущая сила обычно приводит к вибрации при обработке жестких материалов.

Что вызывает вибрацию во вращающемся оборудовании?

Наиболее распространенные причины вибрации во вращающемся оборудовании: несоосность, дисбаланс, износ и ослабление. Дисбаланс тяжелого участка вращающегося компонента вызывает вибрацию, когда неравновесный вес вращается вокруг оси станка, создавая центрифугальную силу.

Как определить вибрацию при механической обработке?

Вибрация станка с ЧПУ обычно слышна. Опытный оператор может успешно определить момент возникновения вибрации по её характерному звуку. Также вибрация оставляет видимые волнистые следы на поверхности заготовки.