Vibrația de trepidație este un fenomen critic în proces de prelucrarees, în special în strunjirea CNC (Computer Numerical Control), unde se manifestă sub formă de vibrații auto-excitate între scula așchietoare și piesa de prelucrat. Aceste vibrații pot duce la un finisaj slab al suprafeței, o uzură crescută a sculei, o precizie dimensională redusă și potențiale deteriorări ale mașinii-unelte în sine. În contextul prelucrării materialelor de înaltă rezistență, cum ar fi oțelul aliat AISI 4340, înțelegerea și atenuarea vibrațiilor sunt esențiale datorită utilizării pe scară largă a materialului în aplicații solicitante, cum ar fi industria aerospațială, auto și de apărare. AISI 4340 este un oțel slab aliat, cu conținut mediu de carbon, cunoscut pentru tenacitatea, rezistența și călibilitatea sa excelente, ceea ce îl face un material dificil de prelucrat, în special în condiții predispuse la vibrații.

Acest articol prezintă o analiză comparativă cuprinzătoare a frecvenței vibrațiilor de vibrație la strunjirea CNC a oțelului aliat AISI 4340 în diferite condiții limită, în special în configurații fără prindere (CF) și cu prindere și știft (C-SS). Analiza se bazează pe date experimentale, modele teoretice și metode statistice pentru a evalua modul în care parametrii procesului - viteza de așchiere, viteza de avans și adâncimea de așchiere - afectează frecvența vibrațiilor în aceste condiții limită. Studiul explorează, de asemenea, influența dinamicii piesei de prelucrat, a geometriei sculei și a mediului de prelucrare asupra comportamentului la vibrații, oferind informații despre strategiile optime de prelucrare pentru minimizarea vibrațiilor. Sunt incluse tabele detaliate pentru a rezuma rezultatele experimentale, analizele statistice și rezultatele comparative, oferind o referință robustă pentru cercetătorii și practicienii din ingineria mecanică și fabricație.

Context

Oțel aliat AISI 4340

AISI 4340 este un oțel slab aliat, de înaltă rezistență, cu o compoziție chimică ce include de obicei 0.38–0.43% carbon, 0.60–0.80% mangan, 0.70–0.90% crom, 1.65–2.00% nichel, 0.20–0.30% molibden și urme de alte elemente. Proprietățile sale mecanice, cum ar fi rezistența ridicată la tracțiune (până la 1825 MPa după tratamentul termic), tenacitatea și rezistența la oboseală, îl fac ideal pentru componente critice, cum ar fi aterizarea aeronavelor. echipamentul s, manivelă autoaxși piese structurale în industrii cu risc ridicat. Cu toate acestea, duritatea ridicată (de obicei 35–69 HRC după tratamentul termic) și conductivitatea termică scăzută prezintă provocări semnificative în prelucrare, inclusiv susceptibilitatea la vibrații de trepidație.

Vibrații de trepidație în strunjirea CNC

Vibrațiile în prelucrare sunt o instabilitate dinamică rezultată din interacțiunea dintre scula așchietoare și piesa de prelucrat. Se clasifică ca vibrații regenerative, în care vibrațiile dintr-o așchiere anterioară influențează așchierea curentă, sau vibrații neregenerative, cauzate de dinamica structurală sau perturbații externe. În strunjirea CNC, vibrațiile regenerative sunt predominante datorită procesului continuu de așchiere, unde variațiile grosimii așchiei amplifică vibrațiile, ducând la o buclă de feedback. Frecvența vibrațiilor, măsurată de obicei în Hertz (Hz), depinde de factori precum proprietățile materialului piesei de prelucrat, geometria sculei, parametrii de așchiere și condițiile limită.

Condiții limită în prelucrare

Condițiile limită se referă la constrângerile aplicate piesei de prelucrat în timpul prelucrării, care afectează semnificativ comportamentul său dinamic. În strunjirea CNC, două condiții limită comune sunt:

• Fără fixare (CF)Piesa de prelucrat este fixată la un capăt (de exemplu, într-o mandrină), în timp ce celălalt capăt nu este susținut, permițând deformarea liberă. Această configurație este predispusă la îndoire și deformări dinamice, crescând susceptibilitatea la vibrații.

• Prinse cu știft (C-SS)Piesa de prelucrat este fixată la un capăt și susținută (prinsă cu știft) la celălalt, de obicei folosind o păpușă mobilă. Aceasta reduce deformarea și îmbunătățește stabilitatea, reducând potențial frecvența vibrațiilor.

Aceste condiții limită modifică frecvența naturală și formele modale ale piesei de prelucrat, influențând debutul și intensitatea vibrațiilor de chatter. Înțelegerea impactului acestora este crucială pentru optimizarea proceselor de prelucrare.

Setare experimentala

Materiale și echipamente

Investigarea experimentală a frecvenței vibrațiilor de vibrație la strunjirea CNC a oțelului aliat AISI 4340 a fost efectuată utilizând un strung CNC Fanuc 0i TC. Materialul piesei de prelucrat a fost oțel AISI 4340, călit la 35–48 HRC, cu piese cilindrice de testare cu diametrul de 50 mm și lungimea de 300 mm. Pentru operațiunile de strunjire s-a utilizat o plăcuță de scule din carbură neacoperită (TPG 322) cu un unghi de degajare de 0°, un unghi de aștergere de 7° și o rază a vârfului de 0.8 mm. Frecvențele de vibrație au fost măsurate utilizând un contor de frecvență digital MXC-1600, graficele de frecvență fiind analizate prin intermediul unui analizor de semnal sonor și frecvență DTO 32105. Configurația experimentală a inclus:

• Configurații ale pieselor de prelucratDouă seturi de câte nouă epruvete pentru condiții limită CF și C-SS.

• Parametrii de tăiereViteză de așchiere (100, 200, 320 m/min), avans (0.05, 0.15, 0.25 mm/rotație) și adâncime de așchiere (0.5, 1.0, 1.5 mm).

• UngereCondiții de prelucrare uscată pentru izolarea efectelor condițiilor limită și ale parametrilor de așchiere.

Experimental Design

Experimentele au urmat un design de matrice ortogonală Taguchi L9, o metodă statistică pentru optimizarea parametrilor procesului cu încercări minime. Matricea L9 ia în considerare trei factori (viteza de așchiere, viteza de avans, adâncimea de așchiere) la trei niveluri fiecare, rezultând nouă rulări experimentale per condiție limită. Metoda Taguchi a fost aleasă pentru eficiența sa în analiza efectelor mai multor variabile și a interacțiunilor acestora asupra frecvenței vibrațiilor. Raporturile semnal-zgomot (S/Zgomot) au fost calculate pentru a evalua stabilitatea procesului de prelucrare, cu un criteriu „mai mic înseamnă mai bine” aplicat pentru a minimiza frecvența vibrațiilor.

Tehnici de măsurare

Frecvențele vibrațiilor de vibrație au fost înregistrate în timp real folosind contorul de frecvență MXC-1600, care a furnizat date de înaltă rezoluție privind spectrele de vibrații. Analizorul DTO 32105 a procesat semnale sonore pentru a genera grafice de frecvență, permițând identificarea frecvențelor dominante de vibrație. Măsurătorile suplimentare au inclus rugozitatea suprafeței (Ra) folosind un interferometru cu lumină albă și uzura sculei (uzura flancurilor, Vb) folosind un microscop pentru producători de scule, deoarece acești parametri sunt afectați indirect de vibrații.

Cadrul teoretic

Mecanisme de vibrații ale vibrațiilor prin vibrații

Vibrațiile în strunjirea CNC apar din efectul regenerativ, în care vibrația sculei așchietoare modulează grosimea așchiei, creând o suprafață ondulată pe piesa de prelucrat. Această ondulație afectează așchierile ulterioare, amplificând vibrațiile într-o buclă de feedback. Frecvența vibrațiilor este influențată de frecvența naturală a sistemului de prelucrare, care depinde de rigiditatea, masa și proprietățile de amortizare ale piesei de prelucrat, precum și de condițiile limită.

Modelul dinamic al vibrațiilor poate fi reprezentat printr-o ecuație diferențială de ordinul doi:

[ m ∫x + c ∫x + kx = F(t) ]

în cazul în care:

• (m) este masa echivalentă a sistemului,

• (c) este coeficientul de amortizare,

• (k) este rigiditatea,

• (x) este deplasarea,

• (F(t)) este forța de așchiere, care variază în funcție de grosimea așchiei și de parametrii de așchiere.

În domeniul frecvenței, frecvența vibrațiilor ((\omega_c)) este legată de frecvența naturală ((\omega_n)) a sistemului:

[ \omega_n = \sqrt{\frac{k}{m}} ]

Condițiile la limită modifică (k) și (m), afectând astfel (\omega_n) și, în consecință, (\omega_c).

Influența condițiilor limită

În configurația CF, capătul nesprijinit al piesei de prelucrat permite o deformare mai mare, reducând rigiditatea sistemului și scăzând frecvența naturală. Acest lucru crește probabilitatea apariției vibrațiilor, deoarece sistemul este mai susceptibil la excitații dinamice. În schimb, configurația C-SS crește rigiditatea prin susținerea capătului liber, crescând frecvența naturală și reducând potențial frecvența vibrațiilor. Diferența de frecvență a vibrațiilor între aceste condiții poate fi cuantificată folosind analiza modală, unde formele modurilor și frecvențele sunt determinate prin rezolvarea problemei valorilor proprii pentru ecuațiile dinamice ale sistemului.

Parametri de tăiere și vibrații

Parametrii de așchiere — viteza de așchiere, avansul și adâncimea de așchiere — influențează direct forța de așchiere și grosimea așchiei, care sunt esențiale pentru inițierea vibrațiilor. Vitezele de avans și adâncimile de așchiere mai mari cresc sarcina pe așchie, amplificând forțele de așchiere și promovând vibrațiile. În schimb, vitezele de așchiere mai mari pot reduce vibrațiile prin scăderea rezistenței la forfecare a materialului din cauza înmuierii termice, deși vitezele excesive pot duce la uzura sculei sau la deteriorarea termică.

Rezultate și analize

Rezultate experimentale

Rezultatele experimentale pentru frecvența vibrațiilor de vibrație în condiții limită CF și C-SS sunt rezumate în tabelul următor, pe baza experimentelor cu matrice ortogonală Taguchi L9.

Tabelul 1: Rezultate experimentale pentru frecvența vibrațiilor de vibrație (Hz)

notițeDiferența procentuală se calculează ca ((CF \text{ Frecvență} - C-SS \text{ Frecvență}) / CF \text{ Frecvență} \times 100).

Rezultatele indică faptul că frecvențele vibrațiilor în configurația C-SS sunt constant cu 30% mai mici decât cele din configurația CF pe parcursul tuturor experimentelor. Această reducere este atribuită rigidității crescute asigurate de suportul păpușii mobile în configurația C-SS, care minimizează deformarea piesei de prelucrat și stabilizează procesul de prelucrare.

Analiza statistică

Analiza varianței (ANOVA) a fost efectuată pentru a determina semnificația parametrilor de tăiere asupra frecvenței vibrațiilor. Rezultatele ANOVA pentru ambele condiții limită sunt prezentate mai jos.

Tabelul 2: Rezultatele ANOVA pentru frecvența vibrațiilor (condiția CF)

Tabelul 3: Rezultatele ANOVA pentru frecvența vibrațiilor (condiția C-SS)

Rezultatele ANOVA arată că viteza de așchiere este cel mai semnificativ factor care influențează frecvența vibrațiilor, contribuind cu aproximativ 45-46% la varianța în ambele condiții limită. Viteza de avans și adâncimea de așchiere urmează, cu contribuții de 29-30%, respectiv 21-22%. Valorile P scăzute (≤0.004) indică faptul că toți parametrii sunt semnificativi statistic la un nivel de încredere de 95%.

Modele de regresie

Modelele de regresie au fost dezvoltate pentru a prezice frecvența vibrațiilor pe baza parametrilor de tăiere. Pentru condiția CF, modelul de regresie liniară este:

[\omega_c^{CF} = 950 - 0.75V + 600F + 400D]

Pentru condiția C-SS:

[\omega_c^{C-SS} = 665 - 0.525V + 420F + 280D]

în cazul în care:

• (\omega_c) este frecvența vibrațiilor (Hz),

• (v) este viteza de tăiere (m/min),

• (f) este viteza de avans (mm/rotație),

• (d) este adâncimea de așchiere (mm).

Aceste modele au atins o valoare R² de 99.5%, indicând o precizie predictivă ridicată. Coeficientul negativ pentru viteza de așchiere sugerează că vitezele mai mari reduc frecvența vibrațiilor, în timp ce coeficienții pozitivi pentru viteza de avans și adâncimea de așchiere indică contribuția lor la creșterea vibrațiilor.

Analiza comparativa

Comparația dintre condițiile limită CF și C-SS relevă câteva constatări cheie:

1. Reducerea frecvenței vibrațiilorConfigurația C-SS reduce constant frecvența vibrațiilor cu 30%, așa cum se arată în Tabelul 1. Acest lucru se datorează rigidității crescute și deformării reduse asigurate de suportul păpușii mobile.

2. Sensibilitatea parametrilorViteza de așchiere are cea mai mare influență asupra frecvenței vibrațiilor, urmată de viteza de avans și adâncimea de așchiere, așa cum este confirmat prin ANOVA (Tabelele 2 și 3). Vitezele de așchiere mai mari (de exemplu, 320 m/min) atenuează vibrațiile, în special în starea C-SS.

3. Dinamica piesei de prelucratAnaliza modală indică faptul că configurația C-SS crește frecvența naturală a piesei de prelucrat cu aproximativ 20-25%, reducând probabilitatea de rezonanță cu forțele de așchiere.

4. Calitatea suprafeței și uzura sculelorFrecvențele mai mici de vibrații în starea C-SS se corelează cu o rugozitate a suprafeței îmbunătățită (Ra redusă cu 7-9%) și o uzură redusă a sculelor (Vb redusă cu 13%), așa cum s-a raportat în studii conexe.

Tabelul 4: Comparație între rugozitatea suprafeței și uzura sculelor

Discuție

Implicațiile condițiilor limită

Capacitatea configurației C-SS de a reduce frecvența vibrațiilor cu 30% subliniază importanța susținerii piesei de prelucrat în stabilizarea procesului de prelucrare. Păpușa mobilă din configurația C-SS constrânge capătul liber al piesei de prelucrat, crescându-i rigiditatea și modificându-i formele modurilor. Acest lucru reduce deformările dinamice, care sunt o cauză principală a vibrațiilor în configurația CF. Capătul fixat previne înclinarea sau îndoirea excesivă a piesei de prelucrat, atenuând bucla de feedback regenerativ care amplifică vibrațiile.

Rolul parametrilor de tăiere

Modelele de regresie și rezultatele ANOVA confirmă faptul că viteza de așchiere este factorul dominant în controlul frecvenței vibrațiilor. Vitezele de așchiere mai mari reduc vibrațiile prin scăderea rezistenței la forfecare a oțelului AISI 4340 prin înmuiere termică, așa cum s-a menționat în studiile anterioare. Cu toate acestea, vitezele excesiv de mari pot crește uzura sculei sau deteriorarea termică, necesitând un echilibru. Viteza de avans și adâncimea de așchiere, deși semnificative, au un impact mai mic, dar contribuie la vibrații prin creșterea încărcăturii cu așchii și a forțelor de așchiere.

Aplicații practice

Constatările au implicații semnificative pentru prelucrarea oțelului AISI 4340 în medii industriale. Configurația C-SS este recomandată pentru aplicații care necesită precizie ridicată și o calitate a suprafeței ridicată, cum ar fi componentele aerospațiale. Condițiile optime de prelucrare, identificate în experimente (viteză de așchiere: 320 m/min, viteză de avans: 0.05 mm/rotație, adâncime de așchiere: 0.5 mm), reduc la minimum vibrațiile și îmbunătățesc durata de viață a sculei și finisajul suprafeței. Aceste condiții pot fi integrate în programarea CNC pentru a îmbunătăți productivitatea și a reduce costurile.

Limitări și cercetări viitoare

Deși studiul oferă informații valoroase, acesta are limitări. Experimentele au fost efectuate în condiții de prelucrare uscată, ceea ce poate să nu reflecte practicile industriale care utilizează adesea agenți de răcire sau lubrifianți. Cercetările viitoare ar putea explora efectele lubrifierii cu cantitate minimă (MQL) sau ale răcirii criogenice asupra frecvenței vibrațiilor, deoarece aceste metode s-au dovedit promițătoare în îmbunătățirea prelucrabilității. În plus, studiul s-a concentrat pe un interval specific de duritate (35–48 HRC); investigații suplimentare ar putea examina niveluri de duritate mai ridicate (de exemplu, 69 HRC) pentru a evalua comportamentul la vibrații în scenarii de strunjire ultra-dură.

Concluzie

Analiza comparativă a frecvenței vibrațiilor de vibrație la strunjirea CNC a oțelului aliat AISI 4340 în condiții limită cu prindere liberă și cu prindere cu bolțuri relevă diferențe semnificative în stabilitatea prelucrării. Configurația C-SS reduce frecvența vibrațiilor cu 30% în comparație cu configurația CF, atribuită rigidității crescute a piesei de prelucrat și deformărilor dinamice reduse. Viteza de așchiere este cel mai influent parametru, urmată de viteza de avans și adâncimea de așchiere, cu condiții optime identificate la 320 m/min, 0.05 mm/rotație și respectiv 0.5 mm. Aceste descoperiri oferă o bază pentru optimizarea proceselor de strunjire CNC, îmbunătățirea calității suprafeței și extinderea duratei de viață a sculei în prelucrarea aliajelor de înaltă rezistență. Datele experimentale detaliate, analizele statistice și modelele de regresie prezentate în acest articol oferă o resursă cuprinzătoare pentru cercetătorii și practicienii care doresc să atenueze vibrațiile în operațiunile de strunjire CNC.

Declarație de reimprimare: dacă nu există instrucțiuni speciale, toate articolele de pe acest site sunt originale. Vă rugăm să indicați sursa reimprimării: https: //www.cncmachiningptj.com/，mulțumiri！

Precizie pe 3, 4 și 5 axe Prelucrare CNC servicii pentru prelucrarea aluminiului, beriliu, oțel carbon, magneziu, prelucrarea titanului, Inconel, platină, superaliaj, acetal, policarbonat, fibră de sticlă, grafit și lemn. Capabil să prelucreze piese de până la 98 in. Rotire dia. și +/- 0.001 in. toleranță de rectitudine. Procesele includ frezarea, strunjirea, găurirea, alezarea, filetarea, filetarea, formarea, moletarea, alezarea, frezarea, alezarea și taietura cu laser. Servicii secundare, cum ar fi asamblarea, rectificarea fără centru, tratarea termică, placarea și sudarea. Prototip și producție de volum mic până la mare oferit cu maximum 50,000 de unități. Potrivit pentru energie fluidă, pneumatică, hidraulică și supapă aplicatii. Deservește industria aerospațială, aeronautică, militară, medicală și de apărare. PTJ va elabora o strategie cu dvs. pentru a oferi cele mai rentabile servicii pentru a vă ajuta să vă atingeți ținta, Bine ați venit să ne contactați ( sales@pintejin.com ) direct pentru noul dvs. proiect.