Механики XXI веку №15 2016

Механики XXI веку. №15 2016 г.

168

ко для определенных узких областей скорости резания, что сдерживает их промышленное примене-

ние.Потребность расширения области эффективного использования этих фрез обуславливает необхо-

димость совершенствования их конструкций на основе изучения динамики работы.

Идея повышения динамической устойчивости фрезерования на основе примененияинстру-

мента с нерегулярным шагом зубьев была впервые в 1965 г. теоретически обоснована J. Slavicek [3].

Позднее эти исследования продолжили H. Opitz [4] и P. Vanherck [5], подтвердившие целесообраз-

ность такого подхода. J. Slavicek и H. Opitz изучали условия подавления автоколебаний при вариации

двух соседних шагов зубьев, а P. Vanherck увеличил количество рассматриваемых шагов. Во всех ис-

следованиях использовали «альтернативный» по западной терминологии вариант изменения шага

зубьев с последовательным чередованием больших и меньших шагов. При этом разность шагов соот-

ветствовала половине длины волны автоколебаний на поверхности резания. Для упрощения рассмат-

ривали прямолинейное движение инструмента, напоминающего протяжку. J. Tlusty [6] исследовал

динамическую устойчивость концевой фрезы, имевшей линейный характер изменения шага зубьев –

его постепенное нарастание с одинаковым приращением. E. Budak [7] показал, что при выборе разно-

сти шага концевой фрезы в половину длины волны автоколебаний линейная вариация более эффек-

тивна, чем альтернативная. Третий вариант выбора непостоянного шага зубьев предложен в работе

Y. Altintas [8], где для данной скорости резания нечетные шаги инструмента соответствуют некото-

рому количеству волн с дробным остатком в четверть волны, а четные шаги – целому их количеству.

В последние годы внимание исследователей концентрировалось на обеспечении динамической ус-

тойчивости концевых фрез путем варьирования шага и угла наклона винтовых зубьев [9 – 14].

В связи с большой трудоемкостью изготовления инструмента с переменным шагом зубьев

упомянутые исследования проводили преимущественно теоретическим путем. На основе моделиро-

вания динамики процесса фрезерования в частотной и временных областях строили диаграммы ус-

тойчивости технологической системы в координатах осевая глубина резания и частота вращения

шпинделя. Использованные авторами различные методики моделирования обеспечили результаты,

точность которых определяется степенью идеализации рассматриваемого процесса. Более точные

результаты дают опыты по резанию, что обуславливает необходимость проведения эксперименталь-

ных исследований работы фрез с изменяемым шагом зубьев.

Рекомендации по выбору разности шагов соседних зубьев инструмента теоретически обосно-

вал С.С. Кедров [15]. Для назначенной скорости резания она должна составлять половину длины вол-

ны автоколебаний. Позже эти рекомендации развил В.Г. Шаламов [16], согласно которому разность

шагов может составлять половину, полторы, две с половиной и так далее длины волны. Однако из

ряда этих значений наиболее эффективно первое.

Влияние количества расположенных на поверхности резания между соседними зубьями волн

автоколебаний на их возбуждение связано с природой регенеративного эффекта [17] и иллюстриру-

ется диаграммой динамической устойчивости, впервые предложенной H.E. Merritt [18]. Согласно

этой диаграмме наиболее сильное возбуждение автоколебаний происходит в том случае, когда их ко-

личество имеет дробный остаток, равный 0,75 длины волны. Подавлению автоколебаний соответст-

вует остаток в 0,25 волны. В этой связи управление динамикой процесса резания заключается в вы-

боре соответствующей скорости резания или величины шага зубьев инструмента.

Из проведенного обзора видно, что подавление автоколебаний переменным шагом зубьев ис-

следовали преимущественно для концевых фрез, а для торцовых фрез этот вопрос изучен недоста-

точно. В этой связи целью представленного ниже исследования является определение опытным пу-

тем влияния переменного шага зубьев торцовой фрезы на динамику технологической системы,

имеющей пониженную жесткость в направлении подачи.

Для проведения исследования была спроектирована и изготовлена специальная оснастка: тор-

цовая фреза с произвольным регулированием шага зубьев и приспособление, позволяющее изменять

жесткость обрабатываемой заготовки в направлениях подачи. Экспериментальная фреза диаметром D

= 125 мм, представленная на рис. 1, имеет корпус 1, на цилиндрической периферийной части которо-

го выполнены два Т-образных паза. В пазы вставлены головки болтов 3, крепящих восемь резцов 2 с

помощью гаек 4. Шайбы 5 служат для обеспечения плотного контакта гаек и резцов. Зубья фрезы,

оснащенные пластинками из твердого сплава Т5К10, заточены с точностью до1°согласно рекоменда-

циям работы [19]со следующими геометрическими параметрами: φ=75º; γ=-5°; γос=-15°30´; γп=-

3°25´; α=16°; λ=15°.Настройку углового положения зубьев с погрешностью не более 0,25° проводили

на оптической делительной головке мод. ОДГ-2 с использованием штангенрейсмаса и жесткого упо-

ра. Фактическая величина биения настроенных зубьев не превышала 0,03 мм в радиальном направле-

нии и 0,05 мм в осевом направлении при допустимом значении 0,05…0,1 мм [20].