Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния проблемы. постановка цели и задач исследований 10
1.1. Обеспечение надежности процесса резания на станках с ЧПУ за счет применения систем диагностирования 10
12. Особенности обработки титановых сплавов, 33
1.3. Постановка цели и задач исследований. 40
2. Методика проведения исследований 41
2.1. Модель быстрорежущей концевой фрезы и технологическая оснастка 41
2.2. Методика создания автоматизированного стенда научных исследований обработки резанием 44
2.3. Методика сбора данных и обработки результатов с помощью программного обеспечения Lab VIEW , 53
2.3.1. Общие сведения о программной среде Lab VIEW 53
2.3.2. Программа для сбора и обработки экспериментальных данных. 58
2.4. Методика расчета силовых параметров при фрезеровании. 64
3. Исследование силовых параметров при фрезеровании титановых сплавов концевыми быстрорежущими фрезами 69
3.1. Методика исследования составляющих силы резания при фрезеровании титановых сплавов 69
3.2. Построение математических моделей, описывающих влияние факторов процесса фрезерования на составляющие силы резания Fz и Fy 81
3.3. Выявление диагностических признаков состояния режущего инструмента и построение математических зависимостей изменения составляющих силы резания при обработке криволинейных поверхностей 90
4. Разработка алгоритма управления процессом фрезерования титановых сплавов 94
4.1. Методический подход к разработке системы диагностирования состояния инструмента
4.2. Алгоритм диагностирования быстрорежущих концевых фрез при обработке титановых сплавов 101
5. Общие выводы 107
Список использованной литературы 108
- Обеспечение надежности процесса резания на станках с ЧПУ за счет применения систем диагностирования
- Методика создания автоматизированного стенда научных исследований обработки резанием
- Методика исследования составляющих силы резания при фрезеровании титановых сплавов
- Методический подход к разработке системы диагностирования состояния инструмента
Введение к работе
В настоящее время прогрессивные технологии металлообработки основаны на применении автоматизированного оборудования - станков с ЧПУ, ГПМ и ГПС. Надежная эксплуатация любого автоматизированного технологического оборудования сегодня невозможна без двух составляющих: оценки его состояния - диагностирования, и, по результатам оценки, выработки решения об управляющем воздействии.
Режущий инструмент является особым объектом технологии металлообработки - разнообразные условия: эксплуатации и, следовательно, нагружения его режущей части вызывают многообразные виды повреждений и отказов, а скорости изнашивания инструмента значительно выше, чем скорости изнашивания деталей и узлов станка. Поэтому надежность инструмента в основном определяет работоспособное состояние технологической системы в целом. Сегодня применение автоматизированных процессов металлообработки практически невозможно без контроля и диагностики состояния режущего инструмента в процессе резания.
Техническая диагностика относительно молодая отрасль знаний..В технологии металлообработки она получила заметное развитие, начиная со второй половины 70-х годов прошлого столетия. В 80-е годы отмечался рост лабораторных и производственных реализаций систем диагностирования. Об этом свидетельствует анализ количества публикаций по диагностике, из которого следует, что пик выполненных работ приходится на l конец 80-х годов, причем значительное их число выполнялось в СССР. В эти годы в ЭНИМСе был создан универсальный многоканальный монитор — КДР (что означало: контроль — диагностирование - принятие решений). В НПО «Измеритель» были разработаны датчики, встраиваемые в станок: диагностические подшипники, втулки опор ходовых винтов и др. К сожалению в 90-х годах
эти достижения не нашли дальнейшего развития и имели ограниченное применение на действующем отечественном технологическом оборудовании.
Однако все эти годы работы по созданию контрольно-диагностической аппаратуры активно велись рядом зарубежных фирм. Японская фирма Fanuc разработала устройство диагностирования инструмента и процесса резания — Monitor A; National Instrument — интерфейс системы диагностирования. Ряд фирм предлагают датчики функциональных параметров процесса обработки. Фирма Kistler и Prometec GmbH Aachen — пьезоэлектрические датчики для измерения сил резания и колебаний; Sandvik — тензометрические втулки ходовых винтов; Promess — диагностические подшипники [1].
Актуальность задач разработки станочных систем автоматического диагностирования привела в 90-ые годы экономически развитые страны к участию в реализации единого для всех проекта SIMON (Sensor Fused Intelligent Monitoring System for Machining), который является составной: частью программы создания технологий XXI века.
Страны - участники проекта, достигшие развитого индустриального и постиндустриального технологического уклада, могут обеспечить свойственные им пропорции занятости трудоспособного населения за счет использования современных технологий автоматизированного производства. Статистика показывает, что только 10% трудоспособного населения постиндустриальных стран занято в промышленности, а 85% работает в сфере услуг и 5% в сельском; хозяйстве. При таких ограничениях достигнуть высоких показателей ВВП и качества продукции можно только за счет многократного повышения производительности по сравнению с производительностью обработки на универсальных станках. На станках с ЧПУ достигается повышение производительности до 5 раз; в ГАП - до 7,5 раз; в автоматизированных цехах и участках до 10 и более раз
[1]. Все эти сложные технологические системы требуют постоянного диагностирования их состояния.
Диагностика в качестве приоритетной темы с высокой степенью значимости отмечена в японском прогнозе развития техники и технологии до 2025 года.
Структурный сдвиг в сторону серийного производства высокотехнологичной продукции, который произошел в конце прошедшего века в высокоразвитых странах, произойдет в рамках процесса глобализации и в России. Это вызовет широкое применение упомянутых выше гибких автоматизированных систем, которые непременно будут оснащены диагностическими устройствами.
Сегодня при создании систем управления процессом резания возникает проблема, связанная с отсутствием приемлемых по точности и надежности в условиях производства методов и средств непрерывного контроля состояния режущего инструмента.
Диагностика состояния режущего инструмента в процессе резания является одним из наиболее эффективных способов обеспечения надежной работы автоматизированного станочного оборудования и получения качественной продукции. Особенно это необходимо для тех операций металлообработки, которые создают крайне неблагоприятные условия для работы режущего инструмента. В первую очередь к таким операциям необходимо отнести фрезерование титановых сплавов, детали из которых широко распространены в авиационной технике благодаря своим уникальным эксплуатационным свойствам. Фрезерование титановых7 сплавов является чрезвычайно сложным и энергоемким процессом, что связано с особенностями физико-механических и теплофизических свойств материалов этой группы. Особенно сложным является процесс фрезерования монолитных деталей из титановых сплавов типа турбинных колес и крыльчаток, которые в последнее время получили широкое распространение в конструкции авиационных двигателей.
В процессах чистовой и получистовой обработки титановых сплавов в промышленности наибольшее распространение получили режущие инструменты из быстрорежущих сталей. Специфическими особенностями механической обработки титановых сплавов является высокое удельное давление на контактных поверхностях, инструмента и повышенные температуры резания, связанные с их низкой пластичностью и теплопроводностью [2,3]. Наибольшие затруднения возникают при обработке титановых сплавов с ав > 1000 МПа к которым относится сплав ВТ-20. Скорость обработки этого сплава быстрорежущим инструментом в 2-2,5 раза меньше, чем твердосплавным, однако по надежности при прерывистом резании быстрорежущий; инструмент обладает заметным преимуществом - имеет значительно больший предел прочности на растяжение. Это предопределяет меньшее количество внезапных отказов инструмента из-за хрупкого разрушения - скалывания и выкрашивания. Доля отказов при фрезеровании твердосплавным инструментом из-за скалывания и выкрашивания составляет 75%, в то время как у инструмента из быстрорежущих сталей этот показатель составляет около 1 % - 2 %. Следует иметь ввиду, что доля отказов; концевых фрез из-за скалывания: увеличивается при превышении допустимых значений текущего износа рабочих поверхностей, которые снижают прочность зубьев фрезы
Таким образом, разработка автоматизированных систем оценки (диагностирования) текущего состояния режущего инструмента при фрезеровании поверхностей деталей из титановых сплавов с целью соответствующего управляющего воздействия на процесс резания является очень актуальной проблемой для автоматизированного производства.
На основании вышеизложенного была сформулирована основная цель работы, которая заключается в разработке алгоритма управления процессом фрезерования титановых сплавов путем автоматизированной
оценки текущего состояния режущего инструмента по силовым параметрам.
Для решения поставленной цели, в работе были решены следующие задачи:
исследованы особенности изнашивания концевых быстрорежущих фрез при обработке титановых сплавов и установлен критерия их отказа;
разработана автоматизированная система измерения физических параметров процесса резания;
установлена функциональная і взаимосвязь и: разработаны модели зависимости между критерием отказа и физическими параметрами процесса фрезерования титановых сплавов быстрорежущими концевыми фрезами и выбран косвенный диагностический признак состояния режущего инструмента;
разработан алгоритм управления процессом фрезерования титановых сплавов путем автоматизированной оценки износа быстрорежущих концевых фрез при фрезеровании криволинейных поверхностей.
При решении перечисленных задач были получены следующие научные и практические результаты.
Научная новизна работы заключается в:
построении математических моделей зависимости изменения составляющих силы резания от износа концевых быстрорежущих фрез при обработке криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов;
разработке алгоритма реализации метода управления процессом фрезерования титановых сплавов на основе косвенной оценки износа быстрорежущих концевых фрез.
Практическая ценность работы состоит в:
- разработке рекомендаций по выбору косвенных диагностических
признаков оценки состояния инструмента при фрезеровании
криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов;
разработке программы расчета мгновенных значений составляющих силы резания для различных сочетаний факторов процесса фрезерования с учетом износа быстрорежущих концевых фрез.
Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» МТТУ «СТАНКИН», на Международных научно-технических конференциях «Производство. Технология. Экология - 2003» в Москве, «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технология National Instruments» в Москве, «Интернет-конференция молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения» в Москве. Кроме того, в 2003 году результаты работы были удостоены серебряной медали третьего Московского международного салона инноваций и инвестиций.
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Автор выражает благодарность научному руководителю работы зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С.Н. Григорьеву, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.
Обеспечение надежности процесса резания на станках с ЧПУ за счет применения систем диагностирования
Опыт эксплуатации технологических систем, созданных на основе автоматизированных станков, показывает, что надежность их недостаточна. Простой из-за отказов функциональных блоков и элементов технологической системы и поисков повреждений резко снижает эффективность технологических процессов.. В связи с этим на стадии эксплуатации технологических систем должны решаться задачи повышения их надежности. Техническая диагностика способствует их решению. В ГОСТе 27518-87 указывается, что целью «диагностирования является поддержание установленного уровня надежности, обеспечение требований безопасности и эффективности использования изделий».
Исходным является измерение основных повреждений, наиболее существенно влияющих на изменение выходного параметра X. Измерения могут выполняться периодически после завершения технологической операции или перехода и непрерывно в течение процесса обработки. Периодические измерения в ряде случаев не решают задачи обнаружения значительных повреждений, приводящих к отказам, так как быстропротекающие процессы могут привести к отказу за время меньшее Тмлш- Поэтому предпочтительными являются непрерывные измерения [1]. Однако часто непрерывные измерения невозможно осуществить прямыми методами из-за того, что доступ к повреждениям местам режущего инструмента во время работы закрыт. Тогда применяют косвенные методы измерения. Косвенные измерения - это измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величиной, доступной для измерения в процессе обработки. Косвенные методы определения повреждений возможны после выявления признаков этих повреждений. В качестве признаков часто используются параметры внутренних физических процессов в работающем объекте, содержащие определенный объем информации о его техническом состоянии. Параметры эти измеряются также косвенными методами. Например, используются электрические методы измерения неэлектрических величин.
Так как системы диагностирования устанавливаются на автоматизированном технологическом оборудовании, то и: диагностирование должно осуществляться в автоматическом режиме. Достигается автоматическое определение состояния технологической системы и ее элементов, автоматическое определение выходных параметров. Структура средств контроля и диагностики в общем виде представлена на рис. 1.1.
В зависимости от решаемой задачи в состав этих средств входят различные измерительные устройства, состоящие из первичных преобразователей - датчиков диагностических признаков состояния: объекта и электронного блока для первичной обработки сигналов, датчиков, устройства сбора и обработки информации от измерительных устройств и принятия решений J по результатам обработки, и, наконец, устройства реализации решений. В качестве последнего, как правило, используется либо УЧПУ, либо программируемый контроллер, всегда входящие в состав современной системы управления ГПМ.
Таким образом, функции обеспечения надежной эксплуатации технологической системы в «безлюдном режиме» возлагают на систему контроля, диагностирования и принятия решений, заменяющую сенсорно-моторную деятельность оператора [4].
Предэксплуатационная диагностика осуществляется на стендах АСНИ - автоматизированных системах научных исследований, созданных на базе используемого технологического оборудования.
Для решения широкого круга задач реализуется метод комплексного диагностирования. Для этого стенды оснащаются целым рядом разнообразных датчиков для измерения физических величин, сопровождающих обработку.
Предэксплуатационное диагностирование выполняется при испытании новых металлорежущих станков с целью выявления слабых мест, недостаточно надежных деталей и узлов, требующих доработки конструкций или технологических решений. Определяются критерии состояния оборудования. На стендах АСНИ отрабатываются новые конструкции режущего инструмента, определяются оптимальные варианты инструментального материала и геометрии инструмента для заданных условий обработки. Решаются задачи сертификации инструмента. Наконец, для технологической системы, на базе которой действует АСНИ, разрабатывается система эксплуатационного диагностирования. Для этого выполняются: все необходимые исследования, позволяющие: - определить критерии состояния объекта; - разработать технологию измерения..
Это позволяет составить алгоритм диагностирования технологической системы или ее элементов.
Необходимость диагностирования при эксплуатации вызвана тем, что, наработка до отказа технологической системы и ее элементов является случайной величиной. Диагностирование обеспечивает своевременное прекращение работы за счет оперативного определения состояния отказа.
В соответствии с составленным алгоритмом, в производственное технологическое оборудование переносится необходимое количество датчиков, из числа применяемых на стенде АСНИ., Информация от датчиков передается в ЭВМ с помощью разработанного интерфейса.
Системы диагностирования должны удовлетворять ряду требований, основные из которых следующие: - удобство и простота применения в производственных условиях; - возможность осуществления процесса диагностирования в минимальное время; - обладать необходимой достоверностью.
При эксплуатации технологической системы, диагностирование решает различные задачи в зависимости от вида обработки. При черновой и получистовой обработке диагностируются функциональные отказы. Значительна, доля отказов инструмента из-за хрупкого разрушения и. катастрофического износа. При окончательной обработке деталей должна обеспечиваться параметрическая надежность за счет диагностирования параметрических отказов инструмента и станка. Нарушения выходных параметров, показателей качества обработки, должны предупреждаться в процессе обработки, а не после изготовления деталей;.
Доминирующим повреждением, перекрывающим значительную долю резерва точности технологической системы, часто оказывается; размерный износ или выкрашивание режущего инструмента. Но в большинстве случаев реализованных на производстве систем диагностирования распознают в основном только поломку инструмента.
Систему диагностирования следует рассматривать как совокупность объекта - режущего инструмента и средств его диагностирования. Характер возможных изменений в состоянии инструмента предопределяет алгоритм диагностирования и структуру системы.
На автоматизированных станках применяют различные виды и типы инструмента. Наибольшее распространение получили твердосплавные резцы и торцовые фрезы с механическим креплением многогранных, пластинок, сверла и концевые фрезы, изготовленные из быстрорежущих сталей. В справочниках нормативов режимов резания даются допускаемые величины износа для этих видов инструмента.
Методика создания автоматизированного стенда научных исследований обработки резанием
При создании автоматизированного стенда научных исследований обработки резанием (АСНИ ОР) следует учитывать, что для каждого инструмента необходимо получать информацию из зоны резания о зависящих от состояния инструмента изменениях, как функциональных параметров, так и параметров физических явлений, с целью определения наиболее информативных из них. Это увеличивает потоки и объем информации, которая не может быть интерпретирована исследователем без дополнительной обработки и представления в форме, удобной для анализа:: в виде графиков, таблиц, гистограмм. R ЗО 12.5+0.1— R 30+0,1
Сокращение трудоемкости решения этих задач достигается применением в составе стенда вычислительной техники и устройств, позволяющих вводить в ЭВМ информацию и выводить из ЭВМ результаты анализа.
Помимо сложности обработки информации, время, затрачиваемое на ее обработку без использования вычислительной техники, оказывается существенно больше, чем может быть отведено для контрольно-диагностических процедур технологического процесса, как процесса, управляемого в реальном времени с. помощью системы диагностирования. Человек должен быть максимально исключен из процедур сбора и переработки измерительной информации и принятия решения.
К основным задачам, решение которых необходимо при разработке АСНИ ОР, можно отнести следующие [1].
Задача автоматизации сбора измерительной информации..
Для автоматизации сбора информации необходимо обеспечить унификацию выходных сигналов датчиков, программно-управляемую коммутацию этих сигналов на общий канал связи. Обеспечить типовой набор операций, выполняемых в измерительном канале: предварительное усиление сигналов, фильтрацию, аналого-цифровое преобразование. В процессе функционирования системы должны отсутствовать ручные операции регулировки и настройки.
Задача автоматизации передачи информации из измерительного канала в цифровое вычислительное устройство (ЭВМ).
Для этого обеспечивается согласование измерительного канала с информационной магистралью вычислительного устройства. Технические средства согласования и протокол их работы получили название «интерфейс». Интерфейс определяет формат передаваемой и принимаемой информации, уровни сигналов, организацию управляющих сигналов и временные соотношения для них.
Задача автоматизации обработки измерительной информации.
Решается путем подключения к измерительному каналу вычислительной техники. ЭВМ управляет по отлаженному алгоритму ходом выполнения экспериментов и обработкой его результатов.
Задача автоматизации документальной регистрации.
Автоматизация этого процесса обеспечивается путем оснащения системы устройствами вывода текстовой и графической информации.
Решение указанных выше задач необходимо производить в рамках единого системного подхода, который должен обеспечить согласованную работу всех программируемых компонентов автоматизированной системы [1].
В АСНИОР приходится управлять сложными динамическими объектами и быстропротекающими процессами, в результате чего требуется переход от измерений отдельных статистических: величин к динамическим измерениям, т.е. к измерениям совокупности различных характеристик динамических процессов. Это стало возможным благодаря созданию информационно-измерительных систем (ИИС). Для проектирования ИИС и их компонентов понадобились иные критерии и подходы по сравнению с автономными измерительными приборами. В частности, необходимость минимизации погрешности динамических измерений и получения результатов измерений в реальном времени привело к созданию многоуровневых ИИС, в которых сбор и обработка информации децентрализированы. При этом сами ИИС в качестве подсистем входят в состав управляющих вычислительных систем и сложных измерительно-вычислительных комплексов [18].
В настоящий момент в связи с сильным развитием компьютерной техники, появляется большое количество систем преобразования аналогового сигнала на базе компьютера. Так как АСНИОР представляет собой измерительный комплекс по сбору и обработке экспериментальных данных, то наиболее важным качеством должна является возможность совмещения на базе одного компьютера нескольких инструментов, таких как измерительная аппаратура аналогового сигнала и система обработки данных, связанных между собой в единую систему.
В МГТУ «СТАНКИН» на кафедре Высокоэффективные технологии обработки была создана АСНИ ОР - многофункциональная система; контроля и диагностики состояния режущего инструмента и процесса резания на базе аппаратуры National Instruments. Данный комплекс обладает возможностью осуществлять функции множества измерительных приборов различного назначения, а также функции обработки результатов измерений, т.е. представлять результаты измерений тех величин, которые наиболее полно характеризуют процесс резания [19];
Методика исследования составляющих силы резания при фрезеровании титановых сплавов
Титановые сплавы относятся к VII группе обрабатываемости по классификации, предложенной для сталей. и сплавов; со специальными свойствами [2]. По предполагаемой классификации. все рассматриваемые, стали и сплавы разделены на восемь групп. Для каждой группы материалов приведены примерные факторы резания, применяемые при обработке инструментом из твердого сплава и быстрорежущей стали. Быстрорежущий инструмент применяется при обработке титановых сплавов без окалины, как правило, это получистовая и чистовая обработка. Наибольшие затруднения возникают при обработке титановых сплавов с ов 1000 МПа к которым относится сплав ВТ-20. Скорость обработки данного сплава быстрорежущим инструментом в 2-2,5 раза меньше чем твердосплавным инструментом, однако по надежности при прерывистой обработке быстрорежущий инструмент обладает преимуществом, т.к. обладает большим пределом прочности на растяжение, что предопределяет меньшее количество отказов по причине сколов поломок режущего инструмента. Это подтверждается данными работы [25], а именно доля отказов при фрезеровании: твердосплавным инструментом из-за скалывания и выкрашивания составляет 75 %. У инструмента из быстрорежущей стали этот вид отказа составляет около 1 - 2 %. Следует сказать, что в большей степени доля отказов из-за поломки увеличивается при приближении к допустимым значениям; текущего износа рабочих поверхностей, что связано с особенностями конструкции концевых фрез, которые ослабляют прочность зубьев фрезы.
Фрезерование концевыми фрезами является одним из распространенных видов механической обработки. Оно преобладает при обработке корпусных изделий и его доля увеличивается; при наблюдающейся тенденции замены растачивания на планетарное фрезерование.
Основным видом отказа концевых фрез является износ по главной задней поверхности ближе к фаске, который перерастает в катастрофический износ по уголку, приводит к браку изделия или требует дублирующего инструмента из более твердого инструментального материала, а так же дополнительного времени для снятия появившегося упрочненного слоя обрабатываемого материала. В совокупности это приводит к снижению эффективности обработки.
Таким образом, обеспечение высокой надежности процесса фрезерования концевыми быстрорежущими фрезами в условиях: автоматизированного и автоматического производства является актуальной проблемой.
Одним из путей решения этой задачи является создание и внедрение в технологическое оборудование систем контроля процесса резания и диагностирования состояния режущего инструмента. Диагностирование режущего инструмента в процессе резания происходит в результате сравнения действительного значения параметра или параметров процесса резания с предельно допустимым значением, устанавливаемым субъектом управления.
Критерием оценки параметров резания для выбора косвенного диагностического признака, является относительный прирост параметра, выраженный в простых процентах [26]: л[й3=0] — значение параметра R при острозаточенном режущем инструменте.
Анализ литературных источников показывает, что наиболее пригодным для диагностирования состояния режущего инструмента при фрезеровании, являются силовые параметры [27, 28, 29]. Разработка принципов выбора силовых параметров при фрезеровании концевыми фрезами титановых сплавов является актуальной задачей. Решение этой задачи может быть осуществлено посредством установления причинно-следственных связей: параметров и факторов процесса, прямых и косвенных диагностических признаков.
Анализ, существующих методик исследования и расчета силовых параметров [30, 31, 32] показывает, что наиболее приемлемыми являются методики разработанные в МГТУ «СТАНКИН» на кафедре ВТО [24, 33]. Это определяется следующими особенностями: - методика базируется на общем подходе к силовым параметрам, как к векторной системе, имеющей несколько взаимосвязанных систем координат с общим центром; - предполагаемые методики позволяют определять мгновенные значения составляющих силы резания в каждый момент времени контакта зубьев фрезы с обрабатываемым материалом; - недостатком разработанных моделей является, то, что они отображают условия моделирования составляющих силы резания при обработке конструкционных углеродистых материалов, а так же могут быть использованы только при линейных перемещениях по подаче детали инструмента.
Поэтому возникает необходимость разработки моделей силовых параметров при обработке титановых сплавов, как при линейных перемещениях по подаче детали и инструмента, так и при круговых.
Исследования силовых параметров осуществлялось на специализированном стенде, созданном на базе вертикально-фрезерного станка ВМ 123. Схема стенда представлена на рис 3.1.
На столе фрезерного станка установлен универсальный динамометр Мухина УДМ-600 на котором закрепляется с помощью оправки 3 обрабатываемая заготовка 4. Модель концевой фрезы 5, описанная а главе 2, вставляется в специальную динамометрическую головку 6, которая закрепляется в шпинделе станка 7. Электрические сигналы передаются на динамометрическую головку и с головки посредством 6-ти канального щеточного токосъемника 8 модели SK-6 немецкого производства. Сигналы от динамометрических средств измерения поступают на тензометрическую станцию ТА-5 и далее в систему сбора и обработки информации, описанную в главе 2.
Конструкция динамометрической головки показана на рис. 3.2 Она состоит из корпуса 1, который устанавливается в шпинделе станка. В корпусе размещаются конические роликовые подшипники 2, нагруженные кольца которых фиксируются с помощью кольца 3. Диэлектрическое кольцо 4 служит для закрепления монтажных проводов 5 и в свою очередь крепится к оправке 6, которая насажена на внутренние кольца подшипников 2. Натяг подшипников осуществляется с помощью разрезанных гаек 7. Концевая фреза 8 вставляется в оправку б, уплотнительное кольцо 11 и гайка 12 служат для закрепления концевой фрезы в оправке 6. Тензорезисторы 13 наклеиваются на чувствительные элементы 14, выполненные: в виде прямоугольных балок. Шпильки 15 служат опорами для чувствительных элементов 14 и контрятся гайками 16.
Конструкция динамометрической головки практически исключает возможность деформации чувствительных элементов 14 за счет осевой силы и сил, изгибающих фрезу, так как эти силы воспринимаются подшипниками.
Методический подход к разработке системы диагностирования состояния инструмента
Надежность процесса резания на станках с ЧПУ в первую очередь зависит от надежности; режущего инструмента, которая формируется на стадии проектирования, изготовления, назначения факторов резания, а реализуется при его эксплуатации. Обеспечение надежности процесса резания при; эксплуатации инструментов в автоматическом режиме возможно только при применении в станках с ЧПУ систем диагностирования состояния; режущего инструмента. Функция системы диагностирования состоит в распознавании состояния объекта- и констатации факта отказа. Система диагностики входит составной частью в систему управления, которая: реализует алгоритм: обеспечения надежности процесса резания. При создании этих алгоритмов возможны два различных подхода.
Первый подход базируется на замене инструмента в результате анализа информации об оставшемся ресурсе работоспособности инструмента, который определяется как разность: Тост Тр- Т; (4.1) г=\ где Тр — время резания до смены инструмента; т, — время резания при выполнении инструментом определенного перехода; п — количество выполненных переходов к рассматриваемому моменту времени.
Распознавание состояния инструмента в данном случае осуществляется периодически после выполнения технологического перехода при анализе альтернативного отношения: Т [Т ], где [Т ] предельно допустимое значение оставшегося ресурса работоспособности. [Тост] = ТІ.
Практика резания показывает, что процесс резания есть случайный нестационарный процесс [1, 35].. Это определяется множеством причин: количеством дефектов при изготовлении режущего инструмента и обрабатываемого материала, колебаниями факторов процесса из-за наростообразования, биения; заготовки, и т.д. Особенно это касается концевых фрез, которые испытывают воздействие переменных температур и силовых напряжений за весь период своей работы. Поэтому для назначения времени резания до смены инструмента Тр, обеспечивающего высокую надежность режущего инструмента необходимо знать параметры вероятностных моделей резания. Случайной величиной является время резания до отказа. Следует также отметить, что время резания до смены инструмента должно приниматься как гамма-процентный ресурс, то есть наработка, в течение которой инструмент не достигает предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах [36]. Принцип регистрации времени резания также допускает осуществление профилактической замены инструмента после заданной временной наработки Тр.
Основной причиной, приводящей к незапланированным отказам режущего инструмента при использовании данного способа обеспечения его надежности, является то, что при одном законе распределения времени работы до отказа или функции плотности распределения, масштабные параметры разные для выбранных инструментов, заготовок и режимов обработки. Наблюдения рассеивания времени работы до отказа показывают [25], что ее закон распределения может быть ассиметричным, с большим числом отказов в начальный период эксплуатации, также возможна ассиметричность и в другую сторону.
Подход к обеспечению надежности эксплуатации инструментов в автоматическом режиме, основанный на их замене по временному фактору имеет следующие недостатки: ? ужесточение требований по качеству инструмента и: обрабатываемого материала; ? необходимо знание масштабных параметров для каждой партии; инструмента; ? назначение заниженных временных факторов процесса обработки; ? неполное использование ресурса режущего инструмента.
По этим причинам при эксплуатации многоцелевых станков с ЧПУ с целью обеспечения требований надежности режущего инструмента, как правило, назначают заниженные факторы резания, предусматривающие наихудшие условия обработки, при: планируемом количестве брака в изготовляемых деталях. Как показывает анализ производственного опыта и литературных данных, скорость резания и подачу на станках с ЧПУ назначают меньше, чем на универсальных в среднем на 20%. При этом производительность резания, а именно объем металла, снимаемый в единицу времени, оказывается в 1,5- -2 раза ниже. Однако при существующих ценах на многоцелевые станки с ЧПУ рациональные, с экономической точки зрения, режимы резания должны быть выше, чем на универсальных станках.
Диагностика режущего инструмента по параметрам изнашивания рабочих поверхностей различается по способам измерения доминирующего износа, принятого в качестве критерия отказа. Возможны два вида измерения величины износа: прямой и косвенный. В первом случае измеряется непосредственно величина износа, во втором параметр, связанный с износом. В первом случае контроль параметра осуществляется после процесса резания. Этот способ позволяет точно измерить контролируемый параметр, но замена инструмента происходит так же, как и по временному фактору, на основании анализа остаточного ресурса. Наибольшее применение способ получил при контроле радиального износа, размеров формы и детали [37].
Диагностика режущего инструмента по параметрам процесса резания основывается на косвенном измерении критерия отказа.
Используя модели функциональной связи факторов процесса с учетом изнашивания режущего инструмента, полученные в настоящей работе, были проведены эксперименты по оценки надежности, процесса фрезерования за счет диагностирования состояния режущего инструмента по силовым параметрам.
Эксперименты проводились при обработке титанового сплава ВТ-20. В качестве режущего инструмента применялась модель фрезы, описанная в главе 2 с режущей частью из быстрорежущей стали Р6М5. Факторы процесса: В=5 мм, t=l мм, D j,p=45 мм, SMH[I=40 мм/мин, V=39 м/мин, схема фрезерования встречная. Для; выбранных факторов процесса, путем моделирования был найден диагностический признак состояния режущего инструмента, а именно составляющая силы резания Fy.
