Analýza: Použití asymetrických zubů k odstranění chvění

Chvění je nákladný a trvalý problém při frézování. Vliv vibrací chvění může být dostatečně velký na to, aby poškodil nástroj, způsobil sešrotování obrobku a dokonce i poškození obráběcího stroje. Aby toho nebylo málo, kvůli riziku chvění mohou být operátoři obráběcích strojů příliš konzervativní při volbě parametrů zpracování, takže schopnosti stroje je nemohou co nejlépe využít. Obvykle je zpracovatelská kapacita obráběcího stroje využívána pouze z jedné poloviny nebo z její části.

Flutter je druh samobuzené vibrace, což znamená, že stabilní vstupní energie z vřetenového motoru se určitým mechanismem přeměňuje na vibrace. Hlavním mechanismem vibrací obráběcích strojů je pozitivní zpětná vazba zesílení vibrační vlny. Dynamická tuhost obráběcího systému (včetně nástroje a obrobku) je v podstatě nedostatečná. Když zub frézy řeže obrobek, způsobí to vibrace a vibrující zub frézy vytvoří na povrchu obrobku vlnky. Když je další zub v kontaktu se zvlněným povrchem, zvlnění povrchu způsobí změnu tloušťky třísky, změněná tloušťka třísky způsobí změnu řezné síly a změněná řezná síla způsobí vibrace.

Jedním ze způsobů, jak eliminovat mechanismus chvění, je otestovat dynamické charakteristiky obráběcího systému, použít tyto výsledky testu k výpočtu stabilní mapy oblasti řezu a vybrat řezné podmínky ve stabilním rozsahu. Tato strategie rozsahu předběžného ovládání spoléhá na úpravu vibrací nástroje tak, aby se shodovaly s vlnitým povrchem. Když se přední a zadní zvlnění vzájemně shodují, tloušťka třísky se již nemění a vibrace se zastaví. Když je počet vibračních vln mezi sousedními zuby přesně 1, 2 nebo libovolné celé číslo, objeví se na grafu sinusové křivky stability stabilní interval. Tento druh strategie zpracování potřebuje znát stabilní rychlost, udržovat stabilní rychlost v rámci povoleného rozsahu otáček vřetena, mít rovnoměrně rozložené zuby frézy a přesně řídit rychlost vřetena.

Alternativní strategií je potlačení mechanismu zesílení pozitivní zpětné vazby vibračních vln změnou rozteče zubů. Pokud mají zuby frézy asymetrickou (nerovnou) rozteč, má zvlněný povrch zanechaný předchozím zubem řezaným každým zubem frézy jiný tvar vlny, čímž se potlačí vibrace. Ve srovnání s nástroji se stejně rozmístěnými zuby mohou nástroje s nestejnou roztečí zubů obecně dosáhnout stabilnější axiální hloubky řezu.

K získání takových výsledků je však zapotřebí pečlivého odhadu. Protože posuv je konstantní, změna rozteče zubů způsobí, že posuv na zub bude odlišný. To obvykle znamená, že pouze jeden zub vydrží plné zatížení třískou, zatímco zbytek zubů nemůže řezat při plném zatížení. Z tohoto důvodu musí být efektivní posuv na otáčku nástroje snížen a snížení posuvu musí být přizpůsobeno zvýšením axiální hloubky řezu, dokud nejsou zuby právě vyváženy.

Uvažujme například 4břitou stopkovou frézu s rovnoměrně rozmístěnými zuby a nejstabilnější axiální hloubkou řezu (10 mm). Zuby jsou rovnoměrně rozmístěny pod úhlem 90° a směry uspořádání jsou 0°, 90°, 180° a 270°. Pokud je povolené zatížení třísky (posuv na zub) 0,2 mm, bude posuv na otáčku 0,8 mm/ot. Pokud se orientace pouze jednoho zubu změní o 10°, orientace těchto zubů bude 0°, 100°, 190° a 280°. Proto je rozteč zubů 100° (maximální rozteč), 90°, 90° a 80° (minimální rozteč).

Aby posuv na zub při maximální rozteči nepřekročil přípustnou mezní hodnotu, je jako kontrolní rozteč použita maximální rozteč. Je nutné snížit množství posuvu v souladu s poměrem stejné rozteče k maximální rozteči (v tomto příkladu 90°/100°) na základě rovnoměrně rozmístěného posuvu zubů frézy. Tímto způsobem jsou zatížení třísky odpovídající každému intervalu mezi zuby 0,2 mm, 0,18 mm, 0,18 mm a 0,16 mm. Posuv na otáčku je 0,72 mm/ot. U tohoto nástroje musí být přípustné zvýšení stabilní axiální hloubky řezu větší než poměr 100/90, což znamená, že 11,1 mm je právě kritická hodnota rychlosti úběru kovu. Obecně řečeno, při použití této metody k potlačení pozitivní zpětné vazby zesílení vibrační vlny, aby nástroj s nestejnou roztečí měl aplikační hodnotu, je nutné umožnit axiální hloubce řezu zdvojnásobit poměr maximální rozteče/stejné rozteče.

Podobně může změna otáček vřetena také potlačit pozitivní zpětnovazební zesílení vibrační vlny, ale když se vřeteno otáčí o více než jednu otáčku, lze také účinně měnit rozteč zubů nástroje. Protože je však posuv fixní, maximální vzdálenost může stále ovládat posuv. Než bude možné dosáhnout zvýšení rychlosti úběru kovu, musí změna rychlosti vřetena umožnit stabilní axiální hloubku řezu zdvojnásobit maximální poměr stoupání/stejné stoupání