Антивибрационные инструменты, борштанги, оснастка (Damping vibration tools)

или простым языком о сложных понятиях.

За последнее время число производителей виброгасящего инструмента и оснастки резко возросло. И это не спроста...

Различные резцы с виброгашением, даже при стандартных вылетах расточки до 4-6xD, позволяют вести обработку даже сложных материалов на более высоких режимах, при этом увеличивается не только производительность, но и качество обработанной поверхности. А обработка резцами при вылетах 10-16хD без эффективной системы виброгашения - вообще практически невозможна (конструкции расточных головок с направляющими планками, плавающие развертки и т.д. для расточки отверстий по 2-3 метра в гидроцилиндрах или стволах - сейчас не рассматриваем! Это отдельная тема и оснастка...и такими головками не сделать, к примеру, резьбу, не сделать фасонные канавки и прочие переходы по диаметрам, конуса и т.д.).

И среди всего этого разнообразия появляется масса конструкций (разработок) от различных производителей, но ни в одном источнике не встречается хоть какое-то сравнение эффективности этих конструкций. Зачастую вклеивая твердосплавный стержень в корпус резца, производитель выдает его на ровне с инструментом, где установлена динамическая виброгасящая система, эффективность которой значительно выше (зачастую в разы).

Начну с простого...

Виброгашение далеко не новшество, его уже во всю начинали применять (внедрять) еще во времена СССР. Достаточно заглянуть в нашу базу патентов http://patents.su/ и набрать "виброгасящие резцы", или "виброгасящие оправки" (борштанги и т.д.)

Например,  конструкция Рыжкова, получившая большую известность - так это еще было 50-е годы (возможно были и еще более ранние работы)

И даже в свое время, на различных производствах, я натыкался пусть и на простые дедовские методы, но они тоже приносили желаемый результат в вопросе виброгашения. Зачастую это были очень простые решения (конечно  менее эффективные в сравнении с современными, но вполне работали): и наматывали изоленту на резцы, и резиновые жгуты поверх резца при расточке нержавейки, применяли различные втулки для резцов (из магния, меди, фторопласта), вешали стопку гаек или шайб на резец и т.д. ...кто во что горазд.

Мне  запомнились слова одного старого мастера по поводу его самодельной оправки с виброгашением - это была толстостенная труба, на конце которой приварена державка (крепление для резцов), во внутрь которой зажимались небольшие 10х10 и 12х12 проходные резцы (скорее от токарных автоматов), а внутри трубы (корпуса борштанги) - это был фирменный секрет каждого специалиста - и песок, и свинцовая (или чугунная) дробь, куски резины, ветошь и т.д....даже иногда стружка и просто небольшие болванки железяк (иногда с маслом).

На мой вопрос: "Как это работает? И как настраивать?" так вот пояснил он мне так : "....молодой человек, берем в одну руку молоток, второй слегка держимся пальчиками за борштангу ближе к револьверной головке станка, ...молотком по свободному концу оправки шмяк...и слушаем.... Чем меньше звенит (дребезжит) и чем меньше отдача в другую руку, тем больше шансов, что точить ты будешь хорошо и тихо!"

Точных приборов тогда не было, спектры колебаний посмотреть было негде, но в этом предложении, в принципе, и скрыт весь сакральный смысл мероприятий по виброгашению.

Так какие же бывают конструкции (методы) виброгашения?

Кто желает сильно углубиться в эту тему, очень рекомендую такую прекрасную справочную литературу - "Вибрации в технике" (в 6 томах) главный редактор В.Н. Челомей, Москва "Машиностроение" 1981 г.

В этой же статье, кратко разделим на группы основные конструктивы виброгасителей, наиболее применимые к оснастке и инструменту.

Согласно вышеуказанной литературы, том 6, раздел "Динамические виброгасители", авторы выделяют такие основные конструктивы:

- пружинные одномассовые инерционные гасители - данный принцип реализуется в конструкциях Sandvik, Seco, Kennametal, Dorian и т.д.

- катковые инерционные динамические гасители

- маятниковые инерционные динамические виброгасители

- инерционные динамические гасители с активными элементами

- пружинный одномассовый динамический гаситель с трением

- гироскопические гасители колебаний

- поглотитель колебаний в вязком трении и поглотитель колебаний с сухим трением

- ударные гасители колебаний - реализация данного принципа встречается во многих современных патентах по оснастке и инструменту.


В данной литературе довольно подробно описаны принципы работы динамических виброгасителей, и одномассовых и многомассовых. Кто желает, может ознакомиться углубленно.

Нажмите на картинку для увеличения

Вернемся к самой теме.

Не будем принижать достоинства одних производителей и восхвалять других, просто постараемся проанализировать конструкции, по возможности дать их оценку, указать преимущества, недостатки и т.д.


И все же понятия виброгасящие инструменты, хочется несколько разделить, хотя возможно это и антинаучно, но все же...

- в одном случае,  это мероприятия (конструкции) направлены на вибропоглощение (увеличение декремента затухания) - это применение различных вибропоглощающих мастик, наполнителей, применение разнородных материалов в одной конструкции, применение высокодемпфирующих сплавов и материалов и т.д.

К примеру, одним из современных материалов Densiment на основе соединения вольфрама-меди-никеля-железа  - на сегодня является серьезным претендентом на материал для корпусов различных инструментов и оснастки.

Нажмите на картинку для увеличения

- в другом случае, это мероприятия (конструктивы) направленные на динамическое виброгашение , т.е в данном случае гашение вибрации осуществляется, к примеру, при помощи демпферов (одномассовых, многомассовых), по сути динамическая колебательная система со связями, в которых тело демпфера колеблется в противофазе относительно тела корпуса инструмента (оправки).

Об этом несколько ниже поговорим.


И нужно отметить, что при разработке конструкций инструментов с виброгашением, разработчикам приходится решать ряд сложных вопросов.

Конструкция должна иметь высокую жесткость. Современные оправки (резцы) при больших вылетах делают с твердосплавным монолитным хвостовиком, к которому припаивается стальной корпус демпфера, внутри которого на резинках закреплен сам демпфер в масле (зачастую тв.сплавный груз, в котором иногда есть перепускные каналы для масла).

Сквозь тело демпфера проходит трубка подачи СОЖ.

Нажмите на картинку для увеличения

Sandvik Coromant Silent Tools

Обработка видео...

ISCAR Anti Vibration Blade tool CGHNM

Обработка видео...

Что касаемо твердосплавного хвостовика...

Сам твердый сплав имеет Е (модуль Юнга) почти в 3 раза выше, чем у стали, отсюда и стрела прогиба твердосплавных хвостовиков значительно меньше, чем аналогичных стальных при одинаковой нагрузке...т.е. хвостовик из тв.сплава является более жестким, чем стальной.

А вот в плане вибропоглощения...твердый сплав - извините -   "звенит" не хуже хрусталя, и ожидать от него поглощения колебаний внутри тела нет смысла.

Некоторые производители, например, Iscar выпускают хвостовики под фрезерные головки MultiMaster из вольфрама - не путайте с тв.сплавом... так вот такой материал и жесткий и лучше поглощает вибрацию.   (Источник: http://www.ito-news.ru/archive/2011/1104iscar.pdf)

Поэтому вся надежда возлагается на блок демпфера - именно он должен максимально эффективно погасить вибрацию.

Располагать его рекомендовано как можно ближе к резцу. Далее можно отметить, что есть работы, где проводились исследования про массу демпфера, его длину, зазоры, толщину и жесткость резиновых колец и.т.д. (кому интересно, ниже по ссылкам можно перейти на статьи или архивы с отечественными и импортными патентами виброгасящего инструмента и оснастки и более детально изучить их конструкции и рекомендации)

Хочу также отметить, что аналогично, опытным путем, было установлено: с одной стороны масса демпфера должна быть существенной (ибо должна иметь запас энергии для противодействия вибрации), а с другой стороны, слишком тяжелые конструкции, еще больше могут склонить инструмент к вибрации.

В частности Mitsubishi несколько обозначает данную проблему

Mitsubishi Materials Anti-Vibration Dimple Boring Bars

Обработка видео...

Нажмите на картинку для увеличения

Какие еще варианты демпферов можно встретить у различных производителей?


Hoffman (Хоффман)

Твердосплавный стержень вклеен в оправку на полимерный клей - несомненно, оправка от этого жестче, даже от полимерного клея есть эффект поглощения вибрации, но сказать что оправка так же эффективна как у Sandvik - это было бы совершенно не верно...

Kyocera         

Многомассовая виброгасящая система https://asia.kyocera.com/products/cuttingtools/wp-content/uploads/2015/03/CP225-3-AD-Bar.pdf

Проведенные опыты показали, что такая система более эффективна при горизонтальном расположении оси инструмента, при вертикальном положении оси инструмента увеличивается давление на нижерасположенные грузы и их подвижность падает. Есть вариант установки промежуточных резиновых колец между каждым грузом, но и в этом случае есть свои нюансы и проблемы.

Такая многомассовая система на корпусной фрезе https://patentimages.storage.googleapis.com/26/16/7a/f458b1bae0cf74/US20130004250A1.pdf

Патент US20130004250A1

Нажмите на картинку для увеличения

Есть ранние проработки Sandvik с применением наполнителей, которые тоже не показали своей универсальности и эффективности.

В данном случае есть много проблем, одну из которых даже пытались решить изоляцией слоев.

Нажмите на картинку для увеличения

Есть разработки по конструктиву гашение вибрации, в которых происходит в следствии зазора в резьбовых соединениях.

К примеру Monkula прорабатывали такие конструкции

Как показала практика эксплуатации, довольно надежно себя зарекомендовали системы динамического виброгашения Sandvik, Dorian, Seco, Kennametal.

5 Cents Test - 32mm Solution Tool!

Обработка видео...


Сегодня  многие бренды практически копируют предложенные ранее их конструктивы.

Цены на такой инструмент (оснастку) очень высокие и даже, к примеру, тайваньские производители Monkula практически составляют 60-70 % от цены Sandvik.


Рамки статьи являются ограниченными, поэтому раскрыть всесторонне такую объемную тему  - задача невыполнимая.

По данной теме собран большой объем информации, патенты, различные научные статьи, литература, а так же были проведены различные практические эксперименты: как с применением фирменного инструмента и оснастки, так и с самодельными образцами, порою изготовленными, как говорят иногда производственники,  "на коленках".

Частично информация была размещена на форуме по металлообработке https://www.chipmaker.ru/topic/16127/?do=findComment&comment=4000401

Так что если кто интересуется, можете принять участие и в изготовлении, и в испытаниях, и в дискуссиях по различным конструкциям.

Будем рады услышать и Ваше мнение. И порадоваться Вашим успехам в данной тематике.


В заключении можно дать такие рекомендации (советы) для тех, кто самостоятельно пытается справиться с проблемами подавления вибрации.

По проведенным испытаниям, были получены такие результаты для инструментов (в частности пока будем говорить про расточные резцы 16-32 мм, для фрез несколько иные результаты):

При вылетах резца 2-4хD - вибрации, как правило, возникают при обработки липко-вязких материалов (в частности нержавеек) и, как правило носят высокочастотный характер (при нормальной жесткости СПИД).


В данном случае помогут даже простые меры, такие как:

- изменение геометрии режущей пластинки (взять меньше радиус 0,2-0,4 мм, по острее пластину, угол в плане увеличить до 90 градусов), и отрегулировать режимы резания (увеличить / уменьшить скорость резания, припуск на сторону и подачу);

- иногда наматывают резиновый жгут или полосу из кожи (но это мало эффективное средство);

- применение вибропоглощающих втулок и прочие мероприятия, что указаны ниже для резцов с вылетом 3-6xD.


При вылетах резца 3-6хD - зачастую на некоторых материалах уже просто изменением геометрии резца (заточкой) и режимами резания не получается добиться нормальной обработки без вибрации (или же обработка проходит на низких скоростях, и производительность очень низкая)

- не плохо помогают разрезные втулки из сплавов магния (магний в этом плане обладает рядом уникальных демпфирующих свойств).


Магниевые сплавы хорошо поглощают вибрации. Удельная вибрационная прочность магниевых сплавов с учетом демпфирующей способности почти в 100 раз больше, чем у дюралюминия, и в 20 раз больше, чем у легированной стали. Сплав магния МЦИ предназначен для литья деталей, работающих в условиях воздействия вибрационных нагрузок. Демпфирующая способность сплава МЦИ в несколько десятков раз выше, чем магниевых сплавов, используемых в качестве конструкционных сплавов. Использование сплава МЦИ в конструкциях, подвергающихся вибрациям, позволит уменьшить массу, увеличить надежность и срок службы изделий, а также существенно снизить шум


Есть ряд и других сплавов с демпферными свойствами, но они в свободном доступе редко встречаются https://www.chipmaker.ru/topic/16127/?do=findComment&comment=4077550.

В народном творчестве можно встретить втулки из меди, алюминия, фторопласта, свинца и прочих материалов - эффект от этого конечно есть, но не значительный (хотя зачатую достаточный, что бы выполнить разовую работу).

- применение гидропластовых патронов тоже существенно помогает в борьбе с вибрациями высокочастотного типа (на низкочастотных вибрациях эффективность гашения гидропластовыми патронами падает)

- хорошо помогает наполнение державки различными вибропоглощающими материалами:

в расточном резце, например, сверлится отверстие со стороны хвостовика, практически до головки резца (просверлить можно даже буром по бетону для перфоратора, предварительно переточив его под сверление стали), отверстие сверлится из расчета примерно 60% от диаметра державки,  далее отверстие заполняют  либо резиной (набивают), либо насыпают песок с маслом, либо мелкую свинцовую или чугунную дробь с маслом и даже отходами твердосплавных пластин с маслом (можно отверстие заполнять разными слоями: с изоляцией слоев герметиком или клеем)...правда тут тоже есть ряд нюансов и при этом наблюдается разная эффективность гашения  - дополнительную информацию можно получить по контактам на сайте у тех. специалиста.

Не рекомендуется! заливать свинец в просверленное отверстие, эффективность от такого рукоделия весьма не высокая.

- хороший эффект дает виброгаситель ударного типа, в данном случае в просверленное отверстие вставляют груз (демпфер, например,  из стали) с небольшим зазором.

Как вариант так же может быть нарезана резьба в отверстии и вставлен демпфер с резьбой, но при этом нужно предусмотреть зазоры (осевой и радиальный) в резьбовом соединении, т.е. сделать прослабленную резьбу с зазором (зачастую добавляется небольшое количество масла малой вязкости)


Очень не рекомендуется  зажимать резец сразу болтами (даже в резцовом блоке под расточные резцы) а для вылетов еще больше применяются специальные держатели, которые плотно охватывают (сжимают) хвостовик на длине 4-6D


При вылетах до 7-8хD жесткость инструмента со стальным хвостовиком значительно падает, производительная обработка уже такими инструментами становится невозможной.

В данном случае рекомендуются инструменты с тв.сплавным хвостовиком, их закрепление через магниевые втулки или гидропластовые патроны (тоже весьма положительно влияют на снижение вибраций).

Вольфрамовые хвостовики рекомендованы до 8D для чистовых операций, но встречаются редко.

Хвостовик может быть или полностью из твердого сплава или можно производить вклеивание тв.сплавных стержней в имеющиеся резцы или борштанги на полимерный клей (типа 2-х компонентных холодной сварки), запрессовывать тв.сплавные стержни не рекомендуется (увеличение жесткости конечно есть, а вот виброгашения у такой конструкции практически не будет).


При вылетах более 7-8хD без нормальных демпферов работать эффективно практически не возможно.


При вылетах до 10-12хD -  нужны эффективные динамические виброгасители, причем настраиваемые, и державки с цельным тв.сплавным хвостовиком.

Самостоятельное изготовление инструментов до 10хD вполне возможно, и, как правило, больших проблем не вызывает, правда работа ими с аналогичной производительностью, как у демпферных инструментов Sandvik или Dorian, к сожалению, получается крайне редко (в основном приходится занижать режимы, уменьшать припуска)... без определенных навыков и приборов для настройки добиться качественной работы демпфера весьма сложно.


При вылетах 12-16хD - в основном уже есть смысл применять активные динамические виброгасители, самодельные инструменты с пассивным динамическим демпфером возможны, но весьма не производительны.


Для фрез, расточных борштанг и прочих инструментов, работающих на станках с вертикальной осью, некоторые вышеуказанные конструкции будут не эффективны.

По всем возникшим вопросам Вы можете обратиться к техническому специалисту по контактам, указанным на данном сайте .

В заключение приведем ряд ссылок на патенты, литературу и прочие статьи по этой теме.

Зарубежные патенты конструкций виброгасящих инструментов (оснастки).  Скачать

Литература по данному вопросу.  Скачать

И еще несколько рабочих фото из проводимых экспериментов и различных конструкций

Нажмите на картинку для увеличения