Analiza: Zastosowanie asymetrycznej podziałki zębów w celu wyeliminowania drgań

Drgania są kosztownym i utrzymującym się problemem podczas frezowania. Wpływ wibracji drgań może być na tyle duży, aby uszkodzić narzędzie, spowodować złomowanie przedmiotu obrabianego, a nawet uszkodzić obrabiarkę. Co gorsza, ze względu na ryzyko drgań, operatorzy obrabiarek mogą być zbyt konserwatywni w doborze parametrów obróbki, przez co możliwości maszyny nie będą w stanie jej najlepiej wykorzystać. Zwykle moc obliczeniowa obrabiarki jest wykorzystywana tylko w połowie lub ułamku.

Trzepotanie to rodzaj wibracji samowzbudnej, co oznacza, że ​​stabilna energia wejściowa z silnika wrzeciona zamieniana jest na wibracje za pomocą pewnego mechanizmu. Głównym mechanizmem drgań obrabiarek jest wzmocnienie fali drgań z dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Zasadniczo sztywność dynamiczna układu obróbczego (w tym narzędzia i przedmiotu obrabianego) jest niewystarczająca. Gdy ząb tnący przetnie przedmiot obrabiany, spowoduje to wibracje, a wibrujący ząb tnący utworzy zmarszczki na powierzchni przedmiotu obrabianego. Gdy kolejny ząb zetknie się z powierzchnią falistą, pofałdowanie powierzchni spowoduje zmianę grubości wióra, zmieniona grubość wióra spowoduje zmianę siły skrawania, a zmieniona siła skrawania spowoduje wibracje.

Jednym ze sposobów wyeliminowania mechanizmu drgań jest przetestowanie charakterystyk dynamicznych systemu obróbki, wykorzystanie wyników testów do obliczenia mapy stabilnego obszaru skrawania i wybrania warunków skrawania w stabilnym zakresie. Ta strategia zakresu wstępnej kontroli polega na dostosowaniu wibracji narzędzia do powierzchni falistej. Kiedy fałdy przednia i tylna pokrywają się, grubość wióra nie zmienia się i wibracje ustają. Gdy liczba fal drgań pomiędzy sąsiednimi zębami wynosi dokładnie 1, 2 lub dowolną liczbę całkowitą, na wykresie krzywej sinusoidalnej stabilności pojawia się stabilny przedział. Ten rodzaj strategii przetwarzania musi uwzględniać stabilną prędkość, utrzymywać stabilną prędkość w dopuszczalnym zakresie prędkości wrzeciona, mieć równomiernie rozłożone zęby frezu i dokładnie kontrolować prędkość wrzeciona.

Alternatywną strategią jest tłumienie mechanizmu wzmacniania fal wibracyjnych z dodatnim sprzężeniem zwrotnym poprzez zmianę rozstawu zębów. Jeżeli zęby tnące mają asymetryczną (nierówną) podziałkę, powierzchnia falista pozostawiona przez poprzedni ząb tnący przecięty przez każdy ząb tnący ma inny kształt falisty, co tłumi drgania. W porównaniu z narzędziami o równomiernie rozstawionych zębach, narzędzia o nierównym rozstawie zębów mogą zazwyczaj osiągnąć bardziej stabilną osiową głębokość skrawania.

Aby jednak uzyskać takie wyniki, wymagane jest dokładne oszacowanie. Ponieważ posuw jest stały, zmiana podziałki zębów spowoduje, że posuw na ząb będzie inny. Zwykle oznacza to, że tylko jeden ząb jest w stanie wytrzymać pełne obciążenie wiórami, podczas gdy pozostałe zęby nie są w stanie ciąć przy pełnym obciążeniu. Z tego powodu należy zmniejszyć efektywny posuw na obrót narzędzia, a redukcję posuwu należy zrównoważyć poprzez zwiększenie osiowej głębokości skrawania, aż zęby zostaną wyrównane.

Rozważmy na przykład 4-ostrzowy frez palcowy z równomiernie rozłożonymi zębami i najbardziej stabilną osiową głębokością skrawania (10 mm). Zęby są rozmieszczone równomiernie pod kątem 90°, a kierunki ułożenia wynoszą odpowiednio 0°, 90°, 180° i 270°. Jeżeli dopuszczalne obciążenie wiórów (posuw na ząb) wynosi 0,2 mm, posuw na obrót wyniesie 0,8 mm/obr. Jeśli orientacja tylko jednego zęba zmieni się o 10°, orientacja tych zębów będzie wynosić 0°, 100°, 190° i 280°. Dlatego rozstaw zębów wynosi 100° (rozstaw maksymalny), 90°, 90° i 80° (rozstaw minimalny).

Aby posuw na ząb przy maksymalnym rozstawie nie przekroczył dopuszczalnej wartości granicznej, jako rozstaw kontrolny przyjmuje się rozstaw maksymalny. Należy zmniejszyć wielkość posuwu zgodnie ze stosunkiem rozstawu równego do rozstawu maksymalnego (w tym przykładzie 90°/100°) w oparciu o równomiernie rozstawiony posuw zęba frezu. W ten sposób obciążenie wiórami odpowiadające każdemu odstępowi między zębami wynosi odpowiednio 0,2 mm, 0,18 mm, 0,18 mm i 0,16 mm. Posuw na obrót wynosi 0,72 mm/obr. W przypadku tego narzędzia dopuszczalny wzrost stabilnej osiowej głębokości skrawania musi być większy niż stosunek 100/90, co oznacza, że ​​11,1 mm jest właśnie wartością krytyczną szybkości usuwania metalu. Ogólnie rzecz biorąc, podczas stosowania tej metody do tłumienia wzmocnienia fali wibracyjnej z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, aby narzędzie o nierównym rozstawie miało wartość aplikacyjną, konieczne jest umożliwienie osiowej głębokości skrawania podwojenia stosunku maksymalnego rozstawu/równego rozstawu.

Podobnie zmiana prędkości wrzeciona może również stłumić wzmocnienie fali wibracyjnej z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, ale gdy wrzeciono obraca się o więcej niż jeden obrót, można również skutecznie zmienić rozstaw zębów narzędzia. Jednakże, ponieważ posuw jest stały, maksymalna odległość może nadal kontrolować posuw. Zanim będzie można osiągnąć jakikolwiek wzrost wydajności usuwania metalu, zmiana prędkości wrzeciona musi umożliwiać stabilną osiową głębokość skrawania podwojenie stosunku podziałki maksymalnej do podziałki równej