КОЛЕБАНИЯ ПР. И ШЛИФОВАНИИ

Колебание — периодическое движение, которое повторяется по истечении некоторого времени, называемого периодом колеба­ний Т. Величина, обратная периоду, называется частотой /коле­баний и измеряется числом колебаний в 1 сек. Простейшим ТИ­ЛОМ периодического движения является гармоническое движение. Параметрами колебательного движения являются: наибольшее отклонние колеблющейся величины от ее среднего значения — амплитуда колебаний — и частота колебаний.

При шлифовании имеют место вынужденные, собственные и автоколебания. В реальной динамической системе имеет место рассеяние энергии — затухание; работа такой системы будет за­висеть от коэффициента затухания, вызванного силами сопро­тивления. В отдельных случаях наблюдается нарастание ампли­туды колебаний, при этом заданные рабочие движения проис­ходят неустойчиво. В этом /случае необходимо специальное ис­следование устойчивости системы.

Вынужденные колебания при шлифовании. Вынужденные ко­лебания возникают /под действием внешних возмущающих сил. Частота вынужденных колебаний совпадает с частотой возму­щающей силы (или кратна ей). Амплитуда вынужденных коле­баний зависит от величины возмущающей силы, не зависит от режима шлифования и не изменяется за период стойкости круга. Проанализируем /влияние основных факторов.

Неуравновешенность шлифовального круга. Одним из фак­торов, влияющих :на равновесие круга, является неправильность его геометрической формы. На дисбаланс более всего влияет эксцентриситет наружной поверхности относительно от/верстия и непараллельность торцов круга, /поэтому погрешности формы кругов ограничены ГОСТом 4785—64. По ГОСТу 4785—64 пред­усмотрен выпуск абразивных инструментов классов А и Б. Ин­струменты класса А отличаются высокой точностью формы, ми­нимальными дисбалансом и неравномерностью по твердости и предназначены для прецизионного шлифования.

Неуравновешенность шлифовальных кругов вызывается так­же неправильной расточкой круга, эксцентриситетом при посад­ке, неравномерным распределением абразива, связки и /пор в теле круга и изменяется по мере износа и правки круга. Неурав- яовешенность может произойти по причине "неравномерного за­полнения рабочей жидкостью пор, а также из-за попадания в поры круга отходов шлифования. Исследования Н. Н. Васильева показали [П что круг вследствие своей неуравновешенности после правки становится эксцентричным по отношению к своей оси вращения. Эксцентриситет вызывается прогибом вала под действием центробежной силы. Поэтому необходимо ограничи­вать неуравновешенность шлифовального круга, которая вызы­вается несовпадением его центра тяжести с осью вращения и характеризуется статическим дисбалансом. Мерой статического дисбаланса служит вес груза, который, будучи сосредоточен в точке периферии круга, противоположной его центру тяжести, перемещает последний на ось вращения круга. По ГОСТу 3060—55 за единицу дисбаланса принята величина груза Е, устраняющая неуравновешенность, вызванную смещением цент­ра тяжести от геометрического центра круга (при объемной мас­се круга 2,4 г/см3) на 0,01 см. По ГОСТу 3060—55 предусмотре­ны четыре класса дисбаланса.

Для снижения неуравновешенности шлифовальные круги под­вергают статической балансировке на стендах. Сравнительные испытания [68] точности статической балансировки для стендов разной конструкции показали значения для минимально дости­жимого расстояния при определении центра тяжести в мк:

при стенде с линейками……………………………………. 33,6

„ „ с круглыми валками……………………… 16,7

, , с вращающимися дисками… 5,6

. балансировочных весах…………………………….. 3,5

Неуравновешенность электродвигателя. Другим источником возникновения колебаний в шлифовальных станках является не­уравновешенность электродвигателей. По отраслевой нормали ОАА 6920QQ-62 «Допустимые остаточные неуравновешенности ро­торов ги вибрации электрических машин» заданы нормы: а) до­пустимой удельной остаточной неуравновешенности роторов, от­несенной условно к их центру тяжести в зависимости от рабочей скорости вращения (под удельной неуравновешенностью пони­мается величина неуравновешенности ротора, деленная на вес ■ротора); б) допустимой вибрации — удвоенного эквивалентного значения вибрационных смещений или двойной амплитуды в за­висимости от рабочей скорости вращения (рис. 37). Под эквива­лентным значением вибрационного смещения понимается среднее квадратичное отдельных значений вибрационных смещений за ■время периода вибрации Т или одного оборота.

Для чисто гармонической вибрации эквивалентные знатения совпадают с амплитудами.

По уровню вибраций малые и средние электрические машины подразделяются на два класса: 1-й класс — электрические ма­шины с повышенными требованиями к плавности хода, т. е. с ма — ■70

лой вибрацией; 2-й класс — электрические машины с обычными требованиями к плавности хода.

Для прецизионных шлифовальных станков предусмотрены ужесточенные нормы допустимых вибраций (см. пунктирные ли­нии на рис. 38).

По нормам ФРГ — DIN 45665 (1964 г.) трехфазные двигате­ли, применяемые в станкостроении, по уровню вибрации подраз­деляются на три класса:

I	2Аэкв. = 5 мк
II	= 3,2 мк
Па	— 1,85 мк

МтЙ. нк

Для уменьшения виб­рации электродвигателей в первую очередь надо от­балансировать быегро — вращающиеся части: ро­тор, шкив и крыльчатку вентилятора.

Неуравновешенное т и передач и опор. Ременная передача может быть ис­точником колебаний как из-за наличия стыков при сшивке ремней, так и из — за неуравношенности шкивов. Для легких при­водов рекомендуется при­менять бесконечно-ткане­вые ремни, при этом об­ращается внимание на равномерное натяжение отдельных ремней.

Зубчатые нолеса, име­ющие погрешности по биению, шагу, профилю зуба, по шероховатости поверхности, а также вследствие переноса осей при сборке, вызывают ко­лебания в широком диа­пазоне частот. Вот поче­му в шлифовальных стан­ках ограничивают приме­нение зубчатых передач, заменяют их червячными и предъявляют к точности
зубчатых колес высокие требования. Колебания могут возник­нуть также вследствие дефектов обработки опор и посадочных мест под подшипники качения (шариковых или роликовых под­шипников). Часть этих колебаний вызывается погрешностями

Рис. 38. Спектр частот собственных колебаний круглошлифовального станка при установке, на резиновых прокладках (по Ф. Эйзеле)

формы или различием размеров тел качения (шариков, роли­ков). Если зазор в подшипнике качения велик, то вибрируют те­ла качения в незагруженной части подшипника, что обнаружи­вается возникающим шумом. Если зазор в подшипнике мал и наблюдается радиальное заклинивание тел качения, шум пере­ходит в свист.

В подшипниках скольжения вибрации гасятся лучше, чем в подшипниках качения. Для шлифовальных станков следует регу­лировать шпиндельные ‘ПОДШИПНИКИ до минимально возможных зазоров. Большое значение в части недопущения колебаний имеет поддержание постоянства положения оси вращения ста­ночного шпинделя, что достигается современными конструкциями подшипников с несколькими масляными клиньями. Снижение амплитуды колебаний зависит от увеличения жесткости шпин­дельного узла, это относится к опорам шпинделя. Повышение жесткости опор достигается либо вследствие применения подшип­ников качения с предварительным натягом, либо подшипников скольжения с несколькими масляными клиньями, либо гидроста­тических подшипников. Время холостого хода и температура оказывают большое влияние на интенсивность вибраций. Жест — хость растет с увеличением температуры подшипника вследствие уменьшающихся зазоров. Амплитуда колебаний уменьшается при увеличении продолжительности холостого хода шпинделя.

Силы инерции от возвратно-поступательного движения стола

и неравномерности его подачи также могут быть причиной воз­никновения колебаний. Следует также обращать внимание на недопущение неуравновешенности других быстровращающихся деталей. Так, например, одно­сторонние хомутики имеют не- уравношенность, что может вызывать колебания при обра­ботке.

Разработаны предваритель­ные нормы допустимых ампли­туд вибрации (табл. 14) кор­пусов шпинделя круга и шпин­деля изделия, например, для внутришлифовальных автома­тов, которые могут служить основой для производственно­го контроля вибраций.

Колебания могут переда­ваться станку извне, от сосед­них машин или от отдельных агрегатов, например, маслона — соса.

Собственные колебания при шлифовании. Под частотой соб­ственных колебаний понимается частота, присущая данной си­стеме и. связанная с действием внутренних сил. Частота собствен­ных незатухающих колебаний системы

где с — жесткость системы;
m — масса системы.

Частота собственных колебаний шлифовальных станков и их узлов обычно колеблется от 50 до 500 пер/сек. Для шлифоваль­ного станка мод. 316 частота собственных колебаний в попереч­ном направлении (в пер/сек) шпинделя круга — 97,5; шпинделя с закрепленной деталью — 173; корпуса передней бабки — 62; задней бабки — 125; стола шлифовального станка 48; стани­ны — 108.

Для внутришлифовального станка мод. 3250 частота собст­венных колебаний шпинделя 100 пер/сек, шлифовальной бабки — 147 пер/сек, шлифовального круга — 75 пер/сек и станины — 240 пер/сек.

В литературе [62] приведены данные но вибрациям станков, установленных в многоэтажном здании на резиновых проклад­ках и с подливкой на бетонной плите. Круглошлифовальный станок, установленный на резиновых прокладках, показал на частотном спектре (рис. 38) наибольшие амплитуды колебаний
при гармониках 22, 80, 160, 230, 270 пер/сек. Частота 22 пері сек соответствует собственным колебаниям станка относительно пе­рекрытия здания. Частота 80 пер/сек соответствует собственным встречным колебаниям шлифовальной бабки относительно обра — бытываемой детали. Частота 160 пер/сек соответствует попут­ным колебаниям обрабатываемой детали относительно шлифо­вальной бабки. В большинстве случаев частоты, вызванные дис­балансом приводных и передаточных звеньев, оказываются ниже собственных частот станка. По мере повышения чисел оборотов в станке частоты неуравновешенных сил могут в отдельных слу­чаях попасть в диапазон собственных колебаний и тогда наблю­дается явление резонанса, при этом значительно возрастают амплитуды колебаний. На появление вибраций может также повлиять недостаточная жесткость приспособлений для правки круга. Необходимо следить, чтобы собственная частота приспо­соблений для правки превышала частоту вынужденных коле­баний.

Автоколебания при шлифовании. Существенным признаком автоколебаний является почти постоянная частота колебаний при изменении скорости движения узлов станка. Автоколебания происходят с частотой, близкой к одной из частот собственных колебаний системы. Исследование [26] показало, что по мере притупления круга на осциллограммах появляется новая гармо­ника, амплитуда которой за период стойкости круга возрастает. Частота новой гармонию! изменяется в сравнительно узких пре­делах и зависит от жесткости и массы системы и почти не зави­сит от режима шлифования, скорости вращения круга и детали. С увеличением времени шлифования после правки частота не­значительно снижается, причем чем жесткость системы «иже, тем больше снижение частоты. С увеличением амплитуды вибра­ций частота их также имеет тенденцию к незначительному умень­шению. Амплитуда автоколебаний изменяется за период стойко­сти круга, причем с увеличением режима шлифования (попереч­ной подачи) амплитуда растет быстрее (рис. 39), а при меньшей нагрузке — медленнее. Эксприменты показали, что все — виды по­дач при шлифовании (круговая, продольная и на глубину) в одинаковой степени влияют на нарастание амплитуды вибраций. С увеличением окружной скорости круга при постоянной минут­ной поперечной подаче скорость нарастания амплитуды вибра­ций замедляется (рис. 39). В результате автоколебаний возни­кает и постепенно увеличивается волнистость по окружности шлифовальных кругов, в особенности при их пониженной твер­дости. За период между правками волнистость и некруглость обрабатываемой поверхности возрастают.

Нарастание амплитуды автоколебаний зависит также от со­ответствия твердости круга условиям обработки. Ландберг [73] последовал круги трех градаций твердости. Эти исследования 74

показали, что наибольшее нарастание амплитуды (вибраций имел самый мягкий круг, за ним следует самый твердый. Круг с опти­мальной твердостью имел наименьший наклон линии нарастаний

амплитуды вибраций за период стойкости (рис. 40). Такой ха­рактер изменения интенсивности колебаний можно объяснить следующим образом. Слишком мягкие круги во время работы изнашиваются, вызывают большое трение Связки по обрабаты­ваемой поверхности, теряют первоначальную форму. Слишком твердые круги притупляют — ся и засаливаются, что сни — ги. жает их режущую способ­ность. При этом растет сила трения, что приводит к уве­личению амплитуды колеба­ний. Так как круги с опти­мальной твердостью могут дольше сохранить свою ре­жущую способность, ампли­туда вибраций у НИХ растет ^ис. 40. Изменение амплитуды автоколе — мрпттрнпрр баний А за период стойкости круга

(мин) при кругах разной твердости Физическую схему ВОЗ — (по Р. Ландбергу)

никновения автоколебаний при шлифовании можно представить в первом приближении следующим образом. В начале процесса круг имеет на поверхности острые зерна, которые под действием натяга в системе внедряются в обрабатываемую поверхность и срезают стружку. По мере ‘появления на зернах площадок из­носа внедрение в металл на достаточную глубину затрудняется и в этом случае увеличивается доля зерен, .которые не режут, а снимают металл. Длина скольжения зерна по металлу в преде­лах дуги контакта зависит от радиуса закругления его вершин. Чем больше радиус закругления вершин у зерен, тем больше длина скольжения последних по металлу без снятия стружки. Во время работы круга на поверхность зерен налипают метал­лические частички. При засаливании затрудняется резание и усиливается трение-скольжение зерен но поверхности детали. При увеличении трения-скольжения возникает временное сцеп­ление между отдельными участками круга и детали, чередую­щееся с разрывом контакта между этими участками, что приво­дит к релаксационным автоколебаниям. Для устранения влия­ния автоколебаний надо часто править круг, не допуская при­тупления и засаливания.

Область устойчивой работы шлифовального станка будет тем больше, чем больше жесткость и меньше масса системы, чем выше режущая. способность круга и чем больше декремент зату­хания. Установлению области устойчивой работы станков посвя­щены работы М. Е. Эльясберга, В. А. Кудинова, Тобиаса и др.

Демпфирование колебаний при шлифовании. Сопротивление колебательной системы по отношению к возмущающим силам складывается из: а) статической жесткости, зависящей от фор­мы и материала детали (эту часть можно назвать упругим со­противлением); б) внутреннего трения в материале детали на контакте сопрягаемых деталей (внешнее трение) и вязкого тре­ния жидкости в масляном слое (сопротивление затухания); в) сопротивление, зависящее от инерции масс, участвующих в колебательных движениях.

В диапазоне низких частот, т. е. ниже собственной частоты, режающее значение имеет упругая сила сопротивления — жест­кость. В диапазоне собственной частоты основное значение при­обретает сопротивление затухания. В диапазоне, расположенном выше собственной частоты системы, преобладающее значение приобретает сила инерции масс.

Основной характеристикой демпфирующих свойств колеба­тельной системы является относительное рассеяние ф энергии. Относительное рассеяние энергии в подшипниках качения в сред­нем составляет: в шариковых ~ 0,2, в роликовых однорядных и двухрядных — 0,3—0,4, в роликовых конических — 0,35—0,45. Относительное рассеяние энергии колебаний в подшипниках ка­чения мало зависит от частоты и не зависит от амплитуды коле — 7G

баний. Относительное рассеяние энергии в шпинделе внутри шлифовального станка при средних условиях состав­ляет 0,115.

На ірис. 41 .показано, по данным Э. Салье, возрастание декре­мента затухания системы с увеличением количества стыковых

Рис. 41. Возрастание декремента затухания системы при увели­чении количества стыковых соединений при сборке станка: /—станина; 2—станина с суппортом; 3~станина с шпиндельной бабкой: 4—станнна с суппортом, шпиндельной бабкой и ножками; 5—станок в сборе

соединений. С уменьшением зазоров с —15 мк и увеличением натягов (до +15 мк) в опорах шпинделя снижается амплитуда колебаний примерно в 4 раза ;при одновременном незначитель­ном возрастании частоты колебаний (рис. 42).

На .появление колебаний при шлифовании влияет фундамент станка. Фундамент не только уменьшает амплитуду колебаний станка и изменяет собственную частоту системы, но и защищает станок от влияния внешних колебаний, передающихся через грунт. Применяются также специальные прокладки [21] и уст­ройства под фундаментные блоки, изолирующие оборудование от вибраций и ударов, возникающих при работе станка (актив­ная виброизолящия), также от вибраций, вызываемых работой соседних станков (пассивная виброизоляция). Для виброизоля­ции средних и легких круглошлифовальных станков под бетон­ными фундаментными блоками размещают виброизолирующие коврики КВ1 и КВ2. Тяжелые шлифовальные станки устанавли­вают на бетонной плите, которая поддерживается тяжелыми винтовыми пружинами и амортизаторами для гашения виб­раций.

Для виброизоляции шлифовальных станков нормальной точ­ности станки устанавливают на пол цеха на виброизолирующих опорах и прокладках, что позволяет отказаться от крепления

станков болтами, сокращает трудоемкость монтажа и переста­новки станков, уменьшает динамические нагрузки на несущие конструкции зданий и шум в цехе. В ЭНИМСе разработаны кон­струкции резино-металлических опор ОВ-ЗО и ОВ-31, которые предназначены для установки станков весом до 10—15 т с жест­кими станинами. Опоры позволяют проводить ус­тановку станка по уров­ню при любой конструк­ции станины (рис. 43, а). На рис. 43, б показана виброизолирующая опора после выверки. Для гаше­ния вибраций отдельных узлов станка применяют трехслойные прокладки, которые состоят из двух металлических пластин, соединенных слоем вулка­низированной резины. Из­меняя резиновую ‘Про­слойку, можно изменить частоту собственных ко­лебаний отдельных узлов станка. Ориентировочная долговечность опор ОВ — 30, ОВ-31 при возможно­сти попадания масла и охлаждающих жидкостей —10 лет.

При установке станков на виброизолирующие прокладки не­обходимо предъявлять повышенные требования к качеству пола

для того, чтобы обеспечить достаточное прилегание прокладок к полу и станине станка. В противном случае происходит местная перегрузка прокладок, а это приводит ж снижению их долговеч — 78

ности и к искаженным значениям собственных частот. Кроме того, необходимо тщательно следить за отсутствием течи масла и охлаждающей жидкости, которая может привести к снижению долговечности прокладок.

Сравнение [62] установки плоскошлифовального станка на резиновые прокладки и непосредственно на бетонную плиту с цементной подливкой, показало что в обоих случаях сохраняется тот же частотный спектр, но амплитуда вибраций возрастает в зоне низких частот в 3 раза, в зоне средней частоты в 2 раза. Резиновые прокладки лучше гасят внешние колебания, особенно ударные нагрузки, например, при разгрузке и транспортировке деталей. При ударной нагрузке возрастает рассеяние раз­меров.

При установке на резиновых прокладках это рассеяние ниже, чем при установке станка иа бетонную плиту с цементной под­ливкой.

Для уменьшения интенсивности колебаний необходимо увели­чивать затухание, в колебательной системе. Одним из способов увеличения затухания — применение различного типа виброгаси­

телей. В практике при механической обработке получили приме­нение виброгасители динамические, ударного действия, вязкого трения (гидравлические) и сухого трения. На внутришлифоваль — ных станках могут найти применение виброгасители ударного действия (рис. 44), в которых металлический тяжелый цилинд­рик 2 вставляется с малым зазором в отверстие изгибающейся при колебаниях оправки /. Между оправкой и виброгасителем устанавливают два пояса 3 из резины. Виброгаситель закры­вают крышкой 4. Принцип работы виброгасителя основан на частичной компенсации воздействия инерционных сил основной массы и дополнительной массы (тяжелого цилиндра 2). Большое

рассеяние энергии в резиновых поясах повышает эффективность виброгасителя и — дает возможность гасить колебания в довольно широком диапазоне изменения частоты. Диаметр отверстия в оправке под виброгасителем следует делать большим. Зазор между оправкой и виброгасителем принимают от 1 до 2 мм. Масса виброгасителя составляет ~ 0,13 от массы оправки. Ши­рину резиновых поясков принимают равной 0,17—0,13 от длины виброгасителя.

Балансировка шлифовальных кругов на станке. При боль­ших скоростях вращения круга даже небольшая несбалансиро­ванность последнего создает значительные центробежные силы, нарушающие работу станка и ухудшающие шероховатость. Предварительная балансировка круга >на стенде недостаточна для выполнения точных работ. Балансировка кругов непосред-

ственно на станке сокращает потери времени и способствует по­вышению качества обработки.

Все /устройства для балансировки кругов на месте можно подразделить на две группы, когда: а) компенсирующие грузы перемещаются — по команде івиброизмерительной аппаратуры вруч­ную или по схеме с обратной связью; б) балансировка -проис­ходит на основе самоуравновешивающихся систем, при которых установка компенсирующих грузов осуществляется под дей­ствием сил, возникающих в процессе вибраций и вызванных сме­щением центра массы. В качестве подвижных масс применяют металлические — ша-ры, кольца, маятниковые секторы и др.

На рис. 45 приведена принципиальная схема устройства для балансировки кругов на месте посредством корректирующего груза, закрепляемого на фланце. Устройство {21] воспринимает колебания, возникающие от неуравновешенности круга с по­мощью датчика 1 ;на шпинделе передней бабки, отделяет с ло — 80

мощью фильтра 2 колебания других частот, кроме частоты, со- ответствующей числу оборотов шпинделя, и посредством — прибо­ра, образующего импульс 4, показывает величину неуравнове­шенности на приборе 3. Прибор определяет также угол ф уста­новки компенсирующего груза заданной величины относительно «легкого» положения 6. Последнее определяется с помощью стробоскопической лампы 5. Неуравновешенность может быть устранена в результате перемещения грузов по круговой канав­ке на фланцах шлифовального круга.

Испытания показали, что после балансировки на станке амплитуда колебаний, измеряемая на передней опоре шпинделя, составила 0,05 мк.

Устройство для балансировки, которое поставляется со шли­фовальными станками, выпускаемыми Харьковским станкострои­тельным заводом им. С. В. Косиора, представляет собой неболь­шой редуктор, корпус которого крепят к фланцу шлифовального круга. Внутри редуктора находятся два груза-полудиска, кото­рые могут перемещаться относительно корпуса и один относи­тельно другого. На наружной стороне корпуса редуктора имеют­ся две рукоятки, при помощи которых через шестеренные и чер­вячные передачи можно вращать грузы. Оба груза вращаются одновременно їв одну и ту же сторону, но один груз на очень незначительную величину отстает от второго груза. Таким обра­зом, грузы, вращаясь по окружности, в то же время медленно, но непрерывно меняют взаимное расположение, чем и обеспечи­вается возможность нахождения дисбаланса. Поочередно затор­маживая рукоятки, можно .найти наиболее благоприятное — поло­жение грузов для полного устранения дисбаланса.

На круглошлифовальных станках фирмы «Фортуна» (ФРГ) применяют устройство для балансировки (рис. 46), которое со­стоит из механической части, электронного усилителя и вибро­скопа, причем датчик для восприятия вибраций смонтирован на кожухе шлифовального круга (фильтр пропускает на виброметр вибрации, вызванные неуравновешенностью круга). Механиче­ское балансировочное устройство встраивается внутри пустоте­лого шлифовального шпинделя. Путем перестановки конуса, ко­торый выполняет функции корректирующего груза, устраняется неуравновешенность круга. Корректирующий конус вращается вместе с шлифовальным шпинделем. Центр тяжести корректи­рующего груза может быть — смещен в определенных пределах и зафиксирован под произвольным углом к направлению дис­баланса круга. Конус устанавливается в нужное положение по­средством специальной передвижной головки, встроенной в пе­реднюю бабку при помощи системы рычагов. Поворотом пере­движной головки в направлении а изменяется положение неуравновешенности, в то же время путем регулирования пере­движного винта в направлении х конус перемещается в радиаль­

но»} .направлении и изменяется величина неуравновешенности. Измерительный и указывающий приборы встраиваются *в перед­

нюю бабку станка. На указывающем приборе можно видеть не­уравновешенность в любой момент. Точность балансировки по данным фирмы составляет 12 Г см.