Применение вибрации при резании может изменять: характер процесса резания, превращая его. из непрерывного в прерывистый, сопровождающийся периодическим выходом режущего клина инструмента из обрабатываемого металла; физическую картину превращения отдельных элементов срезаемого слоя в стружку при том же характере протекания обработки (непрерывном или прерывистом), т. е. воздействовать на процесс стружкообразования. Эти изменения могут касаться или непосредственно основных физических процессов (стружкообразование, пластическое деформирование, разрушение обрабатываемого материала, трения на контактных поверхностях), или только механики формирования отдельных элементов стружки. Иногда наличие вибраций не изменяет процесса стружкообразования относительно обычного резания, а приводит к тому, что формирование отдельных элементов стружки по ее длине происходит при несколько различных скоростях и рабочих углах резания. В этом случае существенных изменений ни в характере процесса резания, ни в механике формирования отдельных элементов стружки, т. е. в целом в процессе резания, не происходит.
Резание с вибрациями резко увеличивает эффективность воздействия СОЖ, особенно если наложение колебаний изменяет, характер резания с непрерывного на прерывистый. Это объясняется прежде всего надежным периодическим омыванием режущего клина, происходящим во время выхода инструмента из обрабатываемого материала.
Выбор принципиальной схемы конструкции вибросуппорта определяется его назначением, т. е. технологическими задачами применения резания с вибрациями. Для осуществления резания с вибрациями как средства стружкодробления необходимы низкочастотные вибраторы, поскольку при принятых сейчас скоростях резания (до 200 м/мин) для получения стружки длиной 10—20 мм (учитывая усадку стружки) достаточно иметь частоту вынужденных колебаний не более 50 гц. Для этой цели можно применять механические (центробежные или эксцентриковые), пневматические и гидравлические вибраторы. Часто применяют вибросуппорты, в которых необходимое колебательное движение резца в направлении подачи задается от шпинделя станка через систему шестерен или от специального электромотора через эксцентрик. Более долговечной и мощной является конструкция гидравлического вибросуппорта.
В этом случае вращение от шестеренчатого гидродвигателя передается на управляющий золотник; он задает параметры движения силового цилиндра, связанного с подвижной кареткой суппорта станка. Частота вибраций регулируется дросселем, изменяющим расход жидкости через шестеренчатый гидродвигатель амплитуда — изменением плеча кривошипа. Для осуществления вибрационного резания в целях улучшения обрабатываемости материалов необходимо применять вибраторы с высокой частотой задаваемых колебаний.
Изменение скоростей резания при этой схеме обработки с вибрациями крайне мало, глубина резания остается неизменной истинный вектор скорости резания является суммой вектора скорости равномерного вращательного движения, вектора подачи 5 мин и вектора скорости колебательного движения. Вектор скорости при точении с вибрациями изменяет свое положение с частотой, равной частоте задаваемых вибраций. Эти изменения существенно влияют на величину рабочих углов резания.
Частоту колебаний, обеспечивающую надёжное стружкодробление, определяют следующим образом. Направление подачи условно дано горизонтально, поскольку фактический угол наклона движения вершины резца крайне мал, так как величина скорости подачи намного меньше скорости резания. Развертки представлены для целого ряда случаев соотношений величины периметра обрабатываемой детали и длины волн целого числа периодов задаваемых колебаний.
Освоение метода вибрационного точения показало, что если вопросы надежного стружко-дробления и точности решаются практически достаточно легко и надежно, то вопрос обеспечения высокого класса чистоты поверхности требует особого внимания. Проследим за геометрической картиной образования шероховатостей.
Вибрационное сверление обычно осуществляют с осевыми колебаниями; оно дает существенное улучшение обрабатываемости. Это происходит прежде всего вследствие надежного измельчения стружки. Как известно, для рационализации операций сверления удаление образующейся стружки является решающим фактором. Так, например, для сверления отверстий 0 1,52,5 мм в деталях из нержавеющей стали и жаропрочных сплавов обычно используют настольно сверлильные станки с ручной подачей. Стружка при сверлении, образующаяся в виде ленты, с большим трудом идет по винтовым канавкам и вызывает периодическое образование пробок, что приводит к необходимости периодического вывода сверла из отверстия в процессе обработки. Применение принудительного механического привода вызывает массовые поломки сверл, что делает невозможным автоматизацию этих трудоемких и широко распространенных операций.
Использование метода вибрационного сверления этих сталей позволило получить мелкодробленую стружку удобной для удаления формы и благодаря Этому установить механический привод на подачу. Вместе с возможностью автоматизации внедрение станка для вибрационного сверления отверстий 0 — 1,5 мм в деталях из нержавеющей стали позволило увеличить производительность обработки в 2,5 раза и стойкость инструмента в 3 раза при общем улучшении экономических показателей процесса.
Практическое осуществление метода вибрационного сверления в станке конструкции МВТУ им. Баумана производится путем задания электродинамическим вибратором колебаний упругой системе вибратор — шпиндель — сверло в направлении подачи сверла, т. е. вдоль оси вращения. Таким образом, процесс резания осуществляется по схеме вращение — вибрации в осевом направлении — подача сверла; обрабатываемая деталь неподвижна.
Сверление глубоких отверстий вызывает в производственных условиях особые затруднения; значительную рационализацию операций глубокого сверления получают при использовании метода вибрационного резания с заданием вынужденных колебаний в осевом направлении МВТУ им. Баумана разработана промышленная конструкция станка для сверления глубоких отверстий в труднообрабатываемых материалах. Станок выполнен по схеме горизонтального сверления. Деталь вращается в патроне шпинделя, а сверло закреплено в суппорте на штоке механогидравлического вибросуппорта. Таким образом, оно имеет равномерное движение подачи и вибрирует. Обработку проводят сверлами для глубокого сверления одностороннего резания с внутренним подводом жидкости и наружным отводом стружки, оснащенными пластинкой твердого сплава ВК8; материал корпуса сверла Р9, Р18 или У8А. Применение метода вибрационного резания в сочетании с использованием твердосплавного инструмента и подачи СОЖ под высоким давлением непосредственно в зону резания позволяет повысить производительность на операции сверления отверстий диаметром 4,5 мм в сплаве ЭИ827 на глубину 35 мм в 4—5 раз и резко сократить расход инструмента.
Идея использования тангенциальных вибраций как наиболее эффективных для улучшения обрабатываемости материалов резанием вследствие совпадения их направления с направлением скорости резания была выдвинута В. JI. Татариновым, Н. И. Самокатовым и Д. Н. Дубасовым еще в 1909 г. и рассматривалась в ряде последующих работ. Метод обработки резанием с тангенциальными вибрациями показал положительные результаты как в производственных (вибропилы, виброножницы), так и в лабораторных условиях при точении, развертывании, нарезании резьб, шлифовании и абразивной заточке инструмента.
Вибрационные ножницы широко применяют для раскроя листового материала. Они бывают с вертикальным и качающимся движением верхнего ножа. В качестве инструмента используют верхние и нижние ножи из стали Р18 (HRC 6364) с наклонными режущими кромками.
Использование автоколебаний, обусловленных процессом резания, для улучшения обрабатываемости или дробления стружки является новым средством рационализации операций механической обработки. В этом случае отпадает необходимость наличия специального энергетического источника колебаний — маслонасосной станции, электромотора, ультразвукового генератора. Опоры качения применены для уменьшения потерь на трение при колебаниях. Роль упругого звена в автоколебательном вибросуппорте выполняет пластинчатая пружина. Ограничение амплитуды колебаний достигается за счет нелинейной характеристики рабочей пружины и обеспечивается наличием зазора и одностороннего упора. Регулирование вибратора по амплитуде осуществляют путем изменения жесткости пружины. Вибратор имеет две регулировки по частоте: грубую — сменой пластинчатой пружины и точную — изменением массы качающейся части и регулировкой положения упора. Промышленный вариант вибросуппорта сделан по люлькообразной схеме качания, т. е. ось качения не вертикальна, а горизонтальна. Это создает большую жесткость суппорта по осям у и z. Описанная конструкция автоколебательного вибросуппорта обеспечивает при резании следующие диапазоны изменения параметров вибраций: амплитуды 0,1 —1,5 мм, частоты 20—100 гц\ обработка с его использованием дает надежное дробление стружки, сохраняет точность обработки, что и при обычном точении. Чистота поверхности получается 4—5го классов, что делает пригодным этот метод для чернового и чистового точения.
Стойкостные испытания показали, что вибрации, полученные с помощью автоколебательного вибросуппорта, не увеличивали выкрашивания твердосплавного инструмента. Критерием снятия резца со станка являлось прекращение вибраций из-за увеличенного трения инструмента вследствие износа его задней грани. В связи с этим было принято новое понятие — стойкость вибродробления.
