2.1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА СТАНКОВ
Вибрации формообразующих узлов станков начали интенсивно исследоваться в связи с повышением требований к точности размеров и формы обрабатываемых деталей, появлением новых труднообрабатываемых материалов, широким внедрением автоматизации технологических процессов и созданием станков с автоматическими системами управления и регулирования. При проектировании, изготовлении и эксплуатации металлорежущих станков главным является обеспечение условий, необходимых для получения деталей с минимальными погрешностями размеров и формы, т. е. отсутствие отклонений от заданных устойчивых положений инструмента и заготовки. В. А. Кудиновым [16] определено понятие динамического качества станка и разработаны методы его исследовании, основанные на положении о замкнутости динамическом системы СПИД, допущении о ее линейности, а также на представлении об эквивалентной упругой системе (ЭУС). В работах и методиках [16, 17] основное внимание уделено таким показателям динамического качества станков, как запас и степень устойчивости, отклонение параметров динамической системы при внешних воздействиях, быстродействие системы, т. е. показателям, определяющим устойчивое положение инструмента и заготовки.
Определение показателей динамического качества станков заключается в расчленении динамической системы СПИД на эквивалентную упругую систему станка и рабочий процесс, определении с помощью тестового сигнала (гармонического, импульсного, ступенчатого, случайного) динамических характеристик ЭУС (амплитудно-частотных, фазочастотных, временных, передаточных функций) экспериментальным или расчетно-аналитичес-
3. Зак. 1257
ким методом, определении теоретических [18] или экспериментальных [17, 19] динамических характеристик рабочего процесса и их суммировании с динамическими характеристиками ЭУС. В результате получают динамические характеристики замкнутой системы СПИД, по которым, применяя различные критерии, оценивают показатели динамического качества станка.
При исследовании процессов обработки на металлорежущих станках станок, обрабатываемую деталь и инструмент объединяют в одну систему СПИД, а непосредственно процесс шлифования — в другую. В связи с этим исследования проводят в трех направлениях:
рассматривают закономерности процесса обработки и его влияние на качество обрабатываемых деталей, стойкость инструмента и т. д.; в этом случае принимают, что закономерности функционирования металлорежущего станка не изменяются в процессе обработки [20—35];
изучают закономерности функционирования станка без исследований процесса обработки [10, 11, 36—40];
процесс обработки на металлорежущем станке представляют в виде сложной замкнутой динамической системы, при этом обычно рассматривают [16] эквивалентную упругую систему, включающую систему СПИД вместе с протекающими в ней рабочими процессами, и непосредственно процесс шлифования. Существующие методы исследования виброустойчивости станков основаны на экспериментальном [16] или аналитическом [41] анализе их частотных характеристик с оценкой динамических свойств системы на предельных режимах ее использования по предельной стружке [42], коэффициенту устойчивости [16], мощности колебаний [43].
Экспериментальные частотные характеристики позволяют определить резонансные частоты и запас устойчивости станка, деформацию системы от сил резания, а также наметить пути улучшения его динамических свойств. Однако необходимость внедрения в станок внешнего возбудителя колебаний усложняет эксперимент и вносит определенную погрешность в полученные результаты. Аналитический метод дополняет экспериментальный возможностью математического моделирования динамических свойств станка, но очень трудоемок и требует большого количества априорной и расчетной информации. Вместе с тем при опытно-промышленной доработке конструкции станка часто возникает необходимость в кратчайшие сроки без использования дорогостоящего вспомогательного оборудования исследовать причины его вибраций, устранить или уменьшить их вредное влияние.
В настоящее время развивается статистическая динамика станков, основанная на случайности внешних и внутренних возмущений и случайности параметров динамических систем станков одной и той же модели [44, 45]. Она опирается на методы теории вероятности и математической статистики.
При исследовании динамических характеристик процесса шлифования исходят из того, что ввиду колебаний формообразующих узлов система СПИД изменяет параметры процесса шлифования [10, 46]: глубину шлифования [47], скорость врезания шлифовального круга в обрабатываемую деталь [48], производительность обработки [49], скорость обрабатываемой детали’ [48], мгновенное сечение снимаемого слоя материала [16].
Уровень и состав частотного спектра колебаний формообразующих систем станков в значительной степени определяют точность и качественные характеристики рабочих поверхностей обрабатываемых деталей. Качество динамической системы зависит от того, насколько выбранное конструктивное решение обеспечивает уменьшение погрешностей перемещений формообразующих систем станка, обусловленных различными возмущающими воздействиями. В большей степени нас интересуют перемещения, представляющие собой относительные колебания режущего инструмента и обрабатываемой детали в зоне резания. По этой причине для многих типов станков максимальный уровень относительных колебаний исполнительных органов нормирован в технических условиях на их изготовление. Как правило, контролируется амплитуда относительных колебаний, определяемая как максимальный размах по показаниям измерительного прибора. В реальных же условиях, записывая колебания, мы получаем одну из множества реализаций случайного процесса с различными амплитудами и фазами. Поэтому при изучении колебаний металлорежущих станков целесообразно пользоваться методами теории случайных функций.
Различные характеристики случайного процесса колебаний несут информацию не только об уровнях, но и о возбудителях колебаний, степени их влияния на общий состав частотного спектра. Качественный и количествен
ный анализ частотного спектра колебаний позволяет выявить источники колебаний и определить их удельный вес во всем спектре. Для сравнения же различных колебательных процессов с точки зрения точности оборудования целесообразно использовать однозначный критерий. В качестве такого критерия может быть принята дисперсия (среднеквадратическое отклонение) случайного процесса, характеризующая рассеивание величин колебаний относительно среднего (математического ожидания). На стадии проектирования этот параметр может быть определен различными методами по данным о значениях конструктивных параметров станков, а при отработке или исследованиях существующих конструкций станков—на основе анализа случайных процессов колебаний их формообразующих органов. Изменяя в возможных пределах конструкции отдельных систем жесткость и демпфирующую способность деталей и стыков, можно оптимизировать некоторые конструктивные параметры системы й минимизировать величину колебаний.