Как да се минимизира вибрацията при фрезованието с висока скорост и висока прецизност на машини за фрезоване с резачни шпинделни глави?

Контрол на вибрациите на шпиндела при фрезоване на високи скорости чрез избягване на резонанс и анализ на диаграмата на стабилността

Идентифициране и избягване на критичните скорости чрез модален анализ и картографиране на хармоничния резонанс

Твърде силната вибрация на шпиндела по време на фрезоване с висока скорост обикновено се дължи на проблеми с хармоничен резонанс. По същество това се случва, когато силите при рязане съвпаднат с естествените честоти на машината. В днешно време повечето инженери разчитат или на практически изпитания, или на компютърни симулации, за да определят онези критични диапазони на скоростта за своите машини. При работа специално с алуминиеви сплави, избягването на основния диапазон от 450 до 900 Hz с около 15 % от двете страни намалява принудителните вибрации с приблизително 40 %, според последни проучвания, публикувани миналата година в списание „Machining Dynamics“. Избягването на тези честоти предотвратява неприятните трептения („чатър“), които възникват, когато режещите инструменти започнат да се огъват и силите при рязане започнат рязко да се променят. В днешно време много производствени цехове инсталират миниатюрни акселерометри направо в своите машини, за да могат да следят хармониците в реално време и да коригират скоростта, преди да са се проявили сериозни проблеми.

Прилагане на диаграми на стабилността на резонансните лобуси за избор на скорости на шпиндела, свободни от вибрации, при обработка на алуминий и сплави за аерокосмическата промишленост

Диаграмите на стабилността на резонансните лобуси, или накратко SLD (Stability Lobe Diagrams), по същество показват как скоростта на шпиндела взаимодейства с осевата дълбочина на рязане и какви последици възникват, когато вибрационните граници бъдат надхвърлени. При анализиране на тези графики операторите могат да идентифицират оптималните работни режими — разположени по-високо в диапазона на оборотите (RPM), — при които е възможно извършването на по-дълбоки резове без възникване на вибрации (чътър). Вземете като пример сплавта Ti-6Al-4V. SLD-диаграмите показват, че при работа в диапазона от 18 000 до 22 000 RPM осевата дълбочина на рязане може да се увеличи с около 35 % спрямо обичайните скорости. Това означава, че производителите могат да премахват метал с 15 % по-висока скорост, като все пак запазват повърхностната шерохватост под 0,8 микрона. Повечето производствени цехове проверяват точността на своите модели чрез FFT-анализ (анализ на бързо преобразуване на Фурие) върху пробни заготовки, което помага да се потвърди дали дразнещите честоти на вибрациите действително са потиснати по време на процеса на машинна обработка.

Конструкция на шпиндела, мониторинг на състоянието и динамично балансиране за потискане на вибрациите

Постигане на биене под 5 µm: прецизно балансиране, оптимизиране на предварителното натоварване на лагерите и реалновременен мониторинг на вибрациите

Задържането на биенето под 5 микрона е от голямо значение за контролиране на вибрациите във високоскоростните шпинделни системи по време на прецизни фрезовъчни операции. Динамичните методи за балансиране помагат да се намалят дразнещите центробежни сили чрез постигане на оптимално разпределение на масата; съвременните лазерни системи всъщност могат да намалят остатъчното неуравновесяване до по-малко от 0,1 грам-милиметър. Когато става дума за лагери, намирането на правилния предварителен натиск също е от решаващо значение. Правилният предварителен натиск елиминира проблемите с вътрешните зазори, без да предизвиква излишно триене. Изследвания показват, че при спазване на този баланс амплитудата на вибрациите може да се намали с 40–60 % в сравнение с конфигурации, при които лагерите не са правилно натоварени. За производствени цехове, използващи реалновременен мониторинг на вибрациите с вградени ускорометри, тези системи регистрират проблеми в честотен диапазон до 20 килогерца, което дава на операторите предупредителни сигнали, преди машините да започнат да резонират неконтролируемо. При конкретното фрезоване на алуминий спектралният анализ помага да се идентифицират модели на неуравновесяване, така че машините могат автоматично да коригират скоростта си, за да останат стабилни дори при максимални обороти. Всички тези фактори, взети заедно, обикновено удължават живота на лагерите с около 30 % в сравнение със стандартните практики, като едновременно с това предотвратяват възникването на вибрационно трептене (chatter) през цялото производствено цикъл.

Диагностика на източниците на вътрешен дисбаланс — деградация на лагерите, асиметрия на ротора и топлинна несъосност

Когато машините започнат да вибрират упорито, обикновено има три виновници вътре: износени лагери, неуравновесени ротори или части, които са се преместили поради топлина. Лагерите, които се износват, обикновено предизвикват по-високи вибрации на определени хармонични честоти, особено на онези честоти на преминаване на топчетата, за които всички знаем. А когато има питащо повреждение по повърхността, шумът става забележимо по-силен, понякога нараства с около 15–20 децибела. При проблеми с ротора машината вибрира синхронно с оборотите си, което техниците по поддръжка могат да установят чрез методи за фазов анализ. Топлинното несъосност (термично несъосност) обикновено възниква след продължителна работа, тъй като различните части се разширяват с различна скорост. Наблюдавали сме случаи, при които температурна разлика над 15 °C действително измества компонентите извън съосност с около 8–12 микрометра при материали от аерокосмическа класа. Анализът на спектъра на вибрациите помага да се идентифицира кой именно проблем имаме. Проблемите с лагерите обикновено се проявяват като странични ленти (sidebands) в честотния спектър, проблемите с ротора оставят ясни следи на основната честота, съответстваща на оборотите в минута (RPM), докато термичните проблеми постепенно нарастват по амплитуда с времето. Ранното разпознаване на тези модели позволява на техниците да предприемат действия, преди положението напълно да се влоши. Замяната на лагерите по-рано, отколкото по-късно, или коригирането на системите за охлаждане прави цялата разлика при предотвратяването на сериозни повреди и осигуряването на непрекъснато и гладко функциониране на алуминиевите фрези с торцево рязане.

Стратегии за изработка на инструменти, целящи подобряване на твърдостта и намаляване на резонанса, предизвикващ вибрации

Максимизиране на системната твърдост: оптимална дължина на изпъкналата част на инструмента, диаметър на дръжката и избор на хидравличен/механичен държач за инструмент

Постигането на обработка без вибрации всъщност зависи от осигуряване на максимална стабилност на цялата система при правилно настройване на инструмента. Поддържайте инструментите да не стърчат твърде далеч, така че съотношението между дължината и диаметъра им да остава под приблизително 3:1. Това помага да се намалят досадните вибрации, които с течение на времето се усилват. Когато увеличим диаметъра на дръжката с около 20 %, повечето производствени цехове забелязват значително повишаване на твърдостта й според някои основни инженерни принципи. Важно значение имат и държачите на инструменти. Хидравличните държачи обикновено по-добре поглъщат вибрациите в сравнение с обикновените механични типове, тъй като разпределят налягането по-равномерно върху инструмента, което предотвратява микродвиженията, които компрометират прецизната обработка. Всички тези подобрения в твърдостта оказват значително влияние при работа с високоскоростни шпинделни глави, тъй като предотвратяват връщането на голяма част от енергията обратно в зоната на рязане, където тя предизвиква проблеми.

Геометрии на инструменти за потискане на резонанса: фрези с променлив стъпка и интегрирано демпфиране

Фрезите с променлив ъгъл на завитата повърхност боравят с вибрациите (чътър), като имат канали с неравномерно разположение по периферията на инструмента, а не равномерно разположени. Този нерегулярен модел предотвратява дразнещите резонансни ефекти, които се натрупват при обработката на алуминий и сплави за аерокосмическа техника. Геометрията по принцип променя мястото, където стружките удрят материала, така че това да не съвпада с нестабилните честоти, показани на диаграмите на стабилността (графики, които машинистите използват, за да определят безопасните режещи параметри). Някои производители също вградяват специални системи за гасене на вибрации в своите режещи инструменти. Те включват например микроскопични тежести, които поглъщат вибрациите в момента на възникването им. Когато се комбинират с повърхности, гравирани на микроскопично ниво, тази комбинация дава изключителни резултати, според последните научни публикации. Изпитанията показват подобрение от около 40 % в устойчивостта към вибрации (чътър) в сравнение със стандартните инструменти. Най-доброто? Тези инструменти справят и двата типа вибрационни проблема, без да нарушават основната форма на режещия ръб.

Оптимизация на параметрите за рязане, за да се предотврати самовъзбуждащият вибрационен шум при прецизно фрезоване с крайна фреза

За да спрем онези дразнещи самовъзбудени вибрации по време на фрезоване с висока скорост, трябва да подберем параметрите точно в три основни области. Нека започнем с режещата скорост (Vc). Повечето хора знаят, че твърде бавната скорост — около 100 метра в минута за алуминий — може да предизвика проблеми, тъй като системата попада в това, което инженерите наричат „резонансни зони“. По-добри резултати се постигат, когато увеличим скоростта в диапазона от приблизително 120 до 180 м/мин, където цялата система работи по-плавно и без онези вибрации. Следващият параметър е подаването на зъб (fz). Той изисква внимателна настройка, тъй като влияе върху натрупването на хармонични колебания с течение на времето. Добро начало е да използваме стойност, равна на половината от препоръчаната от производителя, след което постепенно я увеличаваме, като наблюдаваме за необичайни вибрации. Накрая, дълбочината на рязане (Ap) също има значително значение. При черново фрезоване се препоръчва максимална дълбочина под 1 мм, а за финишната обработка оставяме само минимален допуск — между 0,05 и 0,1 мм. Защо? Защото по-дълбоките резове оказват по-голямо натоварване върху материала и водят до нежелани „шумови белези“, които никой не иска да види. Ако тези параметри са неправилно избрани, инструментите се износват почти с 40 % по-бързо, а повърхностите стават почти три пъти по-груби! Затова умните производствени цехове днес инвестирали в оборудване за мониторинг в реално време. Тези системи проверяват дали избраните параметри действително работят в практиката и помагат за поддържане на стабилна работа на шпиндела дори при онези изключително високи обороти, които съвременните машини могат да постигнат.

ЧЗВ

Какви са проблемите с хармоничния резонанс при вибрациите на шпиндела?

Проблемите с хармоничния резонанс възникват, когато силите при рязане съвпаднат с естествените честоти на машината, което често води до излишни вибрации на шпиндела. Те могат да бъдат идентифицирани и избягнати чрез модален анализ и картиране на хармоничния резонанс.

Как диаграмите на стабилността могат да помогнат при машинна обработка?

Диаграмите на стабилността отразяват взаимодействието между скоростта на въртене на шпиндела и осевата дълбочина на рязане и помагат на операторите да определят оптималните диапазони на оборотите в минута (RPM), за да се избегне трептенето и да се извършват по-дълбоки резове ефективно.

Каква роля играе динамичното балансиране при потискане на вибрациите на шпиндела?

Динамичното балансиране помага за намаляване на центробежните сили чрез оптимизиране на разпределението на масата, което допринася за прецизната работа на шпиндела и минимизиране на вибрациите.

Какви стратегии за използване на режещи инструменти повишават твърдостта и предотвратяват резонанса, предизвикан от трептене?

Осигуряването на оптимална дължина на изваждане на инструмента и диаметър на дръжката, както и използването на хидравлични държачи за инструменти, увеличава твърдостта на системата и нарушава вибрациите, което подобрява прецизността при машинната обработка.