Разработка отечественного варианта расточной оправки со встроенным гасителем вибраций
При растачивании глубоких отверстий или фрезеровании глубоких карманов обработку приходится выполнять инструментом с большим вылетом. При обработке таким инструментом вследствие его низкой жесткости возникают вибрации, приводящие к порче обработанной поверхности и ускоренному износу оборудования. В результате производительность обработки приходится заметно снижать, а некоторые операции, например чистовая расточка отверстия глубиной более восьми диаметров, оказываются практически невыполнимыми.
Для решения данной проблемы зарубежные производители инструмента выпускают расточные державки и фрезы со встроенными гасителями вибраций. Такой инструмент позволяет успешно выполнять обработку с большим вылетом и может окупаться за несколько недель эксплуатации, однако его стоимость очень высока.
В данной работе была поставлена задача спроектировать и изготовить отечественный вариант расточной державки с гасителем вибраций, и ее решение увенчалось успехом.
Рассмотрим гаситель вибраций в виде цилиндрического груза, размещенного с небольшим зазором в полости вблизи вершины инструмента (рис. 1а). Такая конструкция аналогична применяемой в зарубежном инструменте, с той разницей, что полость заполнена не вязкой жидкостью, а воздухом. При соответствующей коррекции зазора воздух способен выполнять в гасителе ту же функцию, что и жидкость, создавая сопротивление перемещением груза внутри полости (рис. 1б).
При проектировании рассматриваемого гасителя вибраций необходимо решить две задачи: найти оптимальные размеры груза и оптимальную величину зазора между грузом и стенками полости.
Рис. 1. Конструкция гасителя вибраций: а — расположение гасителя в державке;
б — поперечное сечение державки с гасителем (зазор изображен не в масштабе)
Оптимальные размеры груза определяются путем нахождения компромисса между сохранением жесткости державки и повышением массы груза гасителя. Статическая жесткость конструкции характеризует ее способность сопротивляться деформациям при равномерной нагрузке, а динамическая жесткость — способность сопротивляться деформациям при переменной нагрузке, вибрациям. Динамическая жесткость конструкции может быть существенно увеличена за счет повышения ее коэффициента демпфирования — параметра, характеризующего скорость затухания колебаний конструкции. На рис. 2 приведен график, показывающий, во сколько раз динамическая жесткость державки будет повышена гасителем вибраций при различных размерах его груза. Рассмотрена державка диаметром 18 мм и вылетом 180 мм. Видно, что оптимальный диаметр груза составляет 16 мм. Длина груза выбрана равной 54 мм, что обеспечивает практически ту же эффективность, что и оптимальное значение в 72 мм, и при этом проще технологически. При таких параметрах гасителя статическая жесткость державки снизится на 13%, а коэффициент демпфирования увеличится в 20 раз, в результате динамическая жесткость державки будет повышена в 18 раз.
Рис. 2. Эффективность гасителя вибраций в зависимости от его размеров: d — диаметр груза; l — длина груза; N — кратность повышения гасителем динамической жесткости державки
Рис. 3. Измерение эффективности снижения вибраций: а — затухание колебаний державки после одиночного удара (a — виброускорение); б — амплитудно-частотная характеристика державки (f — частота воздействия, A — амплитуда колебаний при единичном воздействии)
Оптимальная величина зазора между грузом и стенками полости была рассчитана теоретически. Для контроля было выполнено измерение частотных характеристик полученной державки (модальный анализ) с помощью акселерометра и силоизмерительного молоточка. На рис. 3а показан процесс затухания свободных колебаний после одиночного удара державки без гасителя и с гасителем. Видно, что при наличии гасителя колебания державки затухают существенно быстрее. На рис. 3б приведены результаты измерения амплитудночастотной характеристики державки без гасителя и с гасителем. Видно, что гаситель снижает высоту резонансного пика в 18 раз — именно во столько раз повышается динамическая жесткость державки. Дополнительного повышения эффективности гасителя вибраций можно добиться, дополнив конструкцию упругой подвеской груза в виде резиновых втулок оптимальной жесткости, а также выполнив корневую часть державки из твердого сплава.
Испытания изготовленной расточной державки прошли успешно и подтвердили высокую эффективность гасителя вибраций. Выполнялась чистовая расточка отверстия диаметром 20 и глубиной 180 мм со съемом 0,05 мм на диаметр. Вибраций державки не возникало ни в одном режиме обработки, чистота обработанной поверхности была высокой и составила Ra 1.25. Изготовленный образец державки с гасителем вибраций стал использоваться для производства серийных деталей.
