Специальное предложение

Борьба с вибрациями в прецизионной металлообработке


31 Января 2013

Вибрация нарушает планируемые конструктором законы движения машин, механизмов и систем управления, порождает неустойчивость процессов и может вызвать отказы и полную расстройку всей системы. Из-за вибрации увеличиваются динамические нагрузки в элементах конструкций, стыках и сопряжениях, снижается несущая способность деталей, инициируются трещины, возникают усталостные разрушения. Действие вибрации вызывает трансформирование внутренней структуры материалов и поверхностных слоев, изменение условий трения и износа на контактных поверхностях легален машин, нагрев конструкций. Поэтому особое значение приобретают методы и средства уменьшения вибрации. Совокупность таких методов и средств принято называть виброзащитой.

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, 2). 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.
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 (схема 1).

Снижение виброактивности источника

Центробежные силы и моменты, появляющиеся при работе вращающихся частей станков (шкивов, валов, шпинделей и др.), вызывают повышенную вибрацию, быстрый износ подшипников, шум и т.п., поэтому шкивы, валы, шпиндели и др. должны быть уравновешены и сбалансированы.
Для снижения вибрации машин, совершающих возвратно-поступательное движение, большое значение имеет сокращение допусков для уменьшения зазоров в соединениях.
Вибрации подшипников и зубчатых передач зависят от точности изготовления деталей, окружной скорости колес, нагрузки, условий смазки. Основной способ снижения вибрации зубчатых колес — обеспечение высокой точности изготовления с использованием процесса шлифования зубьев.

Вибродемпфирование

Снижение интенсивности вибрации станка также осуществляется путем рассеяния энергии механических колебаний, для этого при изготовлении отдельных частей применяются материалы с высокими демпфирующими свойствами, используются различные вибропоглощающие покрытия, хорошо способствует демпфированию масляный слой (например, в зубчатой передаче).

Виброизоляция

Виброизоляция означает изоляцию станков, измерительных приборов или их отдельных частей от разрушающего воздействия извне. В практике для виброизоляции применяют демпфирующие опоры с низкой собственной частотой (рис. 3, 4).

Динамическое гашение вибрации

Динамическое гашение колебаний целесообразно применять в тех случаях, когда спектр собственных частот защищаемого объекта достаточно узок и близок к частоте возмущающей силы что соответствует условию резонанса. Этот метод заключается в присоединении к объекту дополнительной механической системы (гасителя) в результате чего образуется двухмассовая система, изменяющая характер его колебаний.

Активное виброгашение

Вибрационная зашита с помощью пассивных систем оказывается малоэффективной при возбуждении в области низких частот, а также при действии вибрации с широким спектром. В этих случаях все большее применение находят управляемые системы виброзащиты, получившие название активных. Активное виброгашение сводится к компенсации вибрации защищаемого объекта дополнительным источником механической энергии.
Активные системы виброгашения применяются для зашиты технических средств в тех областях, где предъявляются особо жесткие требования к допустимому уровню вибрации; при виброизоляции прецизионных станков и стартовых платформ ракет, для зашиты пилота от перегрузок и повышения комфортности транспортных средств.
В общем случае такие системы содержат чувствительные элементы, управляющие, усилительные и исполнительные устройства. В качестве чувствительных элементов используют датчики, регистрирующие силы возбуждения или его кинематические параметры — перемещение, скорость, ускорение. Сигналы датчиков характеризуют качество виброзащиты и используются для формирования сигналов управления, осуществляемого элементами цепи обратной связи. После усиления сигналы подаются в исполнительное устройство, формирующее управляющее воздействие.
В зависимости от вида исполнительного устройства различают гидравлические, пневматические, электромеханические, электромагнитные системы активной виброизоляции. Выбор типа системы определяется предъявляемыми к ней техническими требованиями. Так, при необходимости обеспечения высокой статической жесткости целесообразно использовать гидравлическую систему. Пневматические системы обладают более высоким быстродействием и позволяют в широких пределах варьировать амплитудно-частотные характеристики.
Рассмотрим работу этих систем. Пусть защищаемый объект сместился вниз от требуемого уровня. Датчики перемещения вырабатывают пропорциональный этому перемещению сигнал, который, поступая на управляющее устройство, позволяет ему перевести клапан в положение, открывающее доступ сжатого воздуха в баллон или жидкости под давлением в камеру. В камере, таким образом, повышается давление, стремящееся возвратить объект в исходное положение. Чем больше отклонение машины от положения равновесия, тем больше уровни сигналов датчиков перемещений и управляющих сигналов регулятора и тем больше избыточное давление в рабочих камерах. Если объект смешается вверх, то, наоборот, давление в камерах уменьшается, что приводит к перемещению объекта вниз. Таким образом, активная система поддерживает положение объекта в определенном положении. Такие системы, использующие пневматические или гидравлические элементы, находят все большее применение в системах виброзащиты.
Недостатком таких активных систем является низкое быстродействие, обусловленное особенностями характеристик применяемых в них жидкостей и газов. Значительно большим быстродействием обладают активные системы виброгашения, в которых источниками дополнительного силового воздействия являются электродинамические вибраторы.
Серьезным ограничением применения метода активной виброзащиты является невозможность обеспечения широкой частотной полосы гашения различных мод. При расширении полосы частот возникают условия для положительной обратной связи, и вместо ослабления наступает неустойчивая работа системы, а на некоторых частотах даже самовозбуждение, проявляющееся в резком возрастании амплитуд колебаний системы. Вообще возможность самовозбуждения является одним из самых серьезных недостатков активного виброгашения. Поэтому центральное место при реализации активных методов виброзащиты занимает анализ устойчивости и условий самовозбуждения системы.
Во всех случаях использования активных систем виброзащиты следует помнить, что при этом в вибрационное поле вводится дополнительная колебательная энергия, которая должна в какой-то области пространства материализоваться, причем если эта область будет невелика, то увеличение в ней колебательной энергии может быть большим.
Важный класс активных систем виброгашения составляют адаптивные системы, в которых параметры системы могут меняться, подстраиваясь под изменения, например режима работы машины, с тем, чтобы обеспечить минимум передачи вибрации.
Широкое применение метода активной виброзащиты сдерживается невозможностью обеспечения широкой частотной полосы гашения, сложностью необходимой аппаратуры. Вместе с тем в ряде частных случаев, особенно когда речь идет о снижении вибрации на дискретных частотах, применение активных методов компенсации может быть целесообразно по техническим, конструктивным и экономическим соображениям.
Одним из наиболее перспективных направлений в активном демпфировании вибрации прецизионных станков считается применение пьезокерамики.
Несмотря на то, что пьезоэффект давно известен и теория и технология создания пьезокерамических материалов активно развивались со второй половины XX в., считается, что пьезокерамика — один из перспективных материалов века XXI. Причиной такого взгляда является то, что замечательные свойства, присущие пьезокерамике, до сих пор не в полной мере востребованы наукой, техникой и технологиями.
Пьезоэлектрический эффект присущ как некоторым природным кристаллам (кварц, турмалин), так и поликристаллическим сегнетоэлектрикам (пьезокерамика).
В отличие от пьезоэлектрических кристаллов пьезокерамические элементы изготавливаются методом полусухого прессования, шликерного литья, горячего литья под давлением, экструзии или изостатического прессования с последующим обжигом на воздухе при температуре 1000-1400°С. С целью уменьшения пористости обжиг может проводиться в среде кислорода или элемент изготавливается с помощью метода горячего литья. По специальной технологии на поверхность заготовок наносятся электроды. После этого керамику делают пьезоэлектрической с любым выбранным направлением поляризации путем помещения ее в сильное электрическое поле при температуре ниже так называемой точки Кюри. Поляризация обычно является окончательным процессом при изготовлении пьезокерамических элементов, хотя за ним следуют термостабилизация и контроль параметров. Пьезоэлектрическая керамика представляет собой твердый, химически инертный материал, совершенно нечувствительный к влажности и другим атмосферным воздействиям. По механическим качествам она подобна керамическим изоляторам.
Чувствительность пьезокерамики в режиме обратного пьезоэффекта в десятки раз выше чувствительности пьезоэлектрических кристаллов. Выпускаемые серийно пьезокерамические элементы могут иметь самую разнообразную конфигурацию — от плоской (цилиндрические, прямоугольные пластины) до объемной (сферы, полусферы) (рис. 5).
На базе пьезокерамических элементов реализуются различные по кинематическим схемам исполнительные механизмы перемещений, в которых управляющее электрическое напряжение преобразуется в перемещение подвижного звена. С целью увеличения диапазона перемещений в пьезоэлектрическом исполнительном механизме применяют многослойные пьезоэлементы.
Многослойные пьезоэлементы (рис. 6) состоят из чередующихся тонких слоев пьезокерамики и электродов. Толщина керамического слоя обычно 0,2-0,6 мм. В многослойном пьезоэлементе каждый слой соединен с последующим слоем электрически параллельно. Перемещение, создаваемое структурой, является суммой перемещений всех слоев. Преимущество конструкции заключается в том, что при заданном значении управляющего напряжения перемещение, создаваемое структурой, возрастает в N раз (N — количество слоев). Многослойные пьезоэлементы изготавливают по стандартной технологии многослойных конденсаторов. На начальном этапе формируется пакет из тонкослойных пластин или шайб, при большом давлении пакет уплотняется и спекается при высокой температуре.
Пьезоэлектрические исполнительные механизмы с учетом компактности, удобства управления перемещением и быстродействия идеальны при использовании в станкостроении для подавления как вынужденных, так и автоколебаний в технологической системе. Обеспечивая перемещение от 1 до 300 мкм с точностью 0,01-0,005 мкм, они способны развивать усилия до 50 кН, при этом собственная частота механизма составляет не менее нескольких кГц. Кроме того, эксплуатация пьезоактюаторов в промышленной аппаратуре в течение пяти лет показала их высокую надежность — частота отказов менее 1 %.
Высокая жесткость, быстродействие, широкая частотная полоса гашения, незначительные габариты, простота конструкции дают возможность адаптивно менять параметры технологической системы. Для этого технологическая система оснащается контуром управления, который по своей структуре может быть замкнутым или разомкнутым. В разомкнутой структуре с помощью пьезоэлектрического исполнительного механизма осуществляется компенсация возмущающей силы. В замкнутой структуре измеряется отклонение регулируемой координаты технологической системы с последующей отработкой рассогласования исполнительным механизмом. При этом исполнительный механизм размешается в узлах базирования заготовки или инструмента.
Применение таких автоматических систем обеспечит минимум передачи вибрации, что будет способствовать резкому повышению качества обрабатываемых деталей, увеличению срока службы инструмента и снижению уровня шума станка.

В. Хомяков, д.т.н., профессор, Ю. Николаев, к.т.н., доцент, К. Шереметьев
Журнал «Техномир», № 1 (27) 2006


Возврат к списку

Задать вопрос