Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы диагностирования инструмента в процессе резания . 13
ГЛАВА 2. Эффективность фрезерования в автоматизированном производстве с применением диагностирования состояния.инструмента в процессе обработки 20
ГЛАВА 3. Анализ разрушения рабочих поверхностей инструмента при прерывистом резании 35
3.1 Особенности контактного взаимодействия инструмента и обрабатываемого материла на основе изучения коэффициента трения и нормальных напряжений при прерывистом резании 35
3.2 Исследование наростообразования при прерывистом резании 52
3.3 Особенности изнашивания фрез при обработке конструкционных сталей 65
ГЛАВА 4. Отображение критерия отказа H3 фрез с помощью виброакустического сигнала 81
ГЛАВА 5. Исследование температуры в режущем инструменте и ЭДС резания при прерывистом резании 92
5.7 Температура инструмента и ЭДС резания 92
5.2 Методика исследования температуры при прерывистом резании
5.3 Результаты исследования температуры в режущем клине инструмента при прерывистом резании
5.4 Исследование температуры с помощью метода естественной термопары
ГЛАВА 6. Исследование силовых параметров при фрезеровании 123
6.1 Составляющие силы резания при фрезеровании 123
6.2 Методика измерения составляющих Fv, Fh, F. 127
6.3 Разработка методики расчета мгновенных значений составляющих F. и F по измеренным составляющим Fv и Fh 136
ГЛАВА 7. Моделирование мгновенных значений силовых параметров фрезерования на компьютере 152
7.1 Диагностические модели, отражающие взаимосвязь между критерием состояния и силовыми параметрами при фрезеровании 152
7.2 Расчет и графическое моделирование на ПЭВМ силовых параметров фрезерования для выявления диагностического признака состояния инструмента 166
7.3 Исследование значений износа по главной задней поверхности фрез при диагностировании неработоспособного состояния инструмента 193
ГЛАВА 8. Реализация диагностирования состояния и прогнозирования остаточного времени работы инструмента до отказа на станках с ЧПУ при фрезеровании 210
Заключение 222
Список литературы 225
- Эффективность фрезерования в автоматизированном производстве с применением диагностирования состояния.инструмента в процессе обработки
- Особенности изнашивания фрез при обработке конструкционных сталей
- Результаты исследования температуры в режущем клине инструмента при прерывистом резании
- Разработка методики расчета мгновенных значений составляющих F. и F по измеренным составляющим Fv и Fh
Введение к работе
Актуальность проблемы. Опыт развития наиболее крупных экономик мира показывает, что машиностроение все в большей степени базируется на применении автоматизированного или автоматического технологического оборудования с ЧПУ, которое эксплуатируется как автономно, так и в составе ГПС. Неизменным направлением модернизации такого оборудования является повышение его производительности с соблюдением технологических требований к качеству изделий.
Применение технологического оборудования с ЧПУ в совокупности с инновационным режущим инструментом позволяет повысить эффективность производства за счет уменьшения вспомогательного и машинного времени при обеспечении заданного качества изготавливаемых изделий. Однако высокие скоростные возможности современного оборудования могут приводить к несоответствию характеристик станков их реальным эксплуатационным возможностям из-за ограничений, связанных с недостаточной надежностью режущего инструмента, что приводит к фактическому снижению режимов резания и повышению расхода дорогостоящего инструмента. Это сдерживает рост производительности обработки и уменьшает эффективность использования высокотехнологичного оборудования.
Решить проблему повышения эффективности работы станков с ЧПУ можно путем минимизации ограничений по надежности инструмента на стадии эксплуатации за счет применения мониторинга и диагностирования состояния инструмента в процессе резания, не исключая естественно повышение его надежности на стадиях проектирования и изготовления.
Современные системы диагностирования состояния инструмента, предлагаемые производителями станков фрезерной группы, имеют ограниченные возможности, что не позволяет объективно контролировать и достоверно распознавать текущее состояние инструмента при сложных нестационарных процессах механообработки (переменные толщины и ширина срезаемого слоя, различные схемы фрезерования, обеспечивающие разнообразную динамику резания и т.д.).
Отсутствие методик, позволяющих априорно выбирать параметры для достоверного диагностирования фрез, объяснятся тем, что на сегодняшний день отсутствуют системные теоретические и практические исследования, охватывающие все составляющие силы резания при фрезеровании, позволяющие на основе математических моделей рассчитывать силовые параметры в каждый момент резания острозаточенным и затупленным инструментом.
Процесс резания является случайным нестационарным процессом. В этой связи зависимости величины доминирующего износа рабочих поверхностей инструмента и параметра процесса резания, выбранного в качестве диагностического признака его состояния, очевидно, также носят случайный характер. Это отражается на достоверности системы диагностирования состояния инструмента и может нивелировать эффективность применения этой системы в реальном времени. Исследования в этой области требуют специальных средств для измерения и анализа параметров процесса резания не только в режиме сбора информации, но и в режиме диагностирования состояния инструмента.
Таким образом, для решения указанных проблем и создания высоконадежных систем диагностирования, наряду с технологическими средствами измерения требуется комплекс расчётных и экспериментальных методик, позволяющих моделировать диагностические признаки состояния инструмента в широком диапазоне условий эксплуатации и комплексно отображающих реальное состояние объекта.
Цель работы. Повышение производительности и снижение расходов на инструмент при фрезеровании заготовок из сталей на станках с ЧПУ путем комплексного диагностирования состояния инструмента в процессе резания с учетом достоверности распознавания неработоспособного состояния объекта.
Для достижения цели работы необходимо решить следующий комплекс
задач:
определение влияния рассеивания времени работы до отказа и вероятности безотказной работы на количественные показатели повышения производительности фрезерования и снижение расходов на инструмент при применении системы комплексного диагностирования по параметрам процесса резания;
установление влияния предельно-допустимого значения диагностического признака состояния и ложного распознавания неработоспособного
состояния инструмента на производительность фрезерования и расходы на инструмент в единицу времени;
выявление критериев отказа фрез и их корреляционной способности отображаться с помощью параметров процесса резания;
установление особенностей развития температуры в режущем клине инструмента при прерывистом резании и сопоставление ее с ЭДС резания как гипотетическим диагностическим признаком состояния инструмента;
разработка методики измерения и расчета силовых параметров для исследования влияния критерия отказа фрез на составляющие силы резания;
разработка методики и программно-математического обеспечения расчета силовых параметров с учетом влияния критерия отказа фрез и факторов фрезерования для различных операций фрезерования с использованием встречной и попутной схем обработки;
разработка модели и алгоритма расчета предельного значения диагностического признака состояния фрез с учетом исключения ложного распознавания неработоспособного состояния инструмента и резервирования времени последнего прохода;
разработка алгоритмов комплексного диагностирования для построения на их основе информационно-измерительных систем, учитывающих возмущающие факторы;
экспериментальное апробирование разработанных методик и программ при диагностировании состояния фрез.
Методы исследований. Теоретические исследования основываются на базовых положениях теории резания материалов, теории анализа случайных величин, методах математического и компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием современного станочного оборудования и измерительных средств. Обработка результатов экспериментов проводилась средствами вычислительной техники с применением положений теории вероятностей и теории планирования экспериментов.
Научная новизна работы заключается в:
установленных причинно-следственных связях между силовыми параметрами фрезерования, рассматриваемых в двух системах координат с общим центром в точке приложения результирующего вектора силы резания, и объектом диагностирования - инструментом, а также математических моделях для определения силовых параметров в зависимости от времени резания и степени изнашивания инструмента;
методике расчета предельно-допустимого значения силового диагностического признака состояния с учетом крайних значений критерия отказа, обеспечивающих распознавание неработоспособного состояния режущего инструмента и резервирование времени последнего прохода при фрезеровании;
предложенной и экспериментально подтвержденной гипотезе о точке приложения результирующей силы резания на активной части главной режущей кромки;
установленном характере распределения тепловых напряжений в режущем клине инструмента, возникающих во время рабочего и холостого ходов при фрезеровании сталей.
Практическая ценность работы заключается в:
разработанном и практически реализованном в системе управления математическо-информационном обеспечении систем диагностирования для станков фрезерной группы с ЧПУ;
рекомендациях по практическому применению систем диагностирования при фрезеровании;
созданном программном комплексе для выбора и расчета предельного значения силового диагностического признака состояния инструмента с учетом показателей производительности фрезерования;
рекомендациях по проектированию технологических процессов и оборудования на основе моделирования мгновенных значений составляющих силы резания при фрезеровании с учетом изнашивания инструмента.
Реализация результатов работы.
Работа выполнялась в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» в рамках
госконтракта №9411.1003702.05.011 от 23.09.2009 на проведение НИОКР
«Создание универсального интеллектуального комплекса для механообрабатывающего оборудования с ЧПУ» по ФЦП «Национальная технологическая база», госконтракта №02.740.11.0176 от 25.06.2009 на проведение НИОКР «Проведение коллективом государственного инжинирингового центра МГТУ «СТАНКИН» исследований по разработке и практической реализации принципов мониторинга и диагностики состояния металлообрабатывающих станков и инструментов при изготовлении высокотехнологичной машиностроительной продукции» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» и задания Минобрнауки №2.1.2/12315 от 07.02.2011 на проведение НИР «Научно- методические основы создания и применения систем диагностирования и мониторинга состояния в реальном времени прогрессивных технологических процессов металлообработки».
Результаты работы в виде программ внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», Оренбургский государственный университет и ряда других вузов в рамках преподавания дисциплины «Надежность и диагностика технологических систем». Созданный программный комплекс интегрирован в системы ЧПУ опытных образцов пятикоординатных обрабатывающих центров, в настоящее время изготавливаемых на ОАО «Савеловский машиностроительный завод».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских научно-технических конференциях - «Качество машин-2001» в Брянске, «ПРОТЭК-2002» в Москве, «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии в машиностроении-2004» в Минске, «Информационные технологии в науке и образовании-2004» в Бийске, «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения-2011» в Брянске и др. Созданные система диагностирования состояния инструмента и двухкомпонентный динамометр для измерения сил резания при фрезеровании, были удостоены бронзовой медали III Московского международного Салона инноваций и инвестиций в 2003 году и серебряной медали XIV Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД» в 2011 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 научных работ, в том числе 15 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 авторское свидетельство, 2 патента России на изобретение, 1 свидетельство на программы для ЭВМ и 1 монография.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы (62 наименования) и приложения. Общий объем диссертации 250 страниц, включая 80 рисунков и 12 таблиц.
Эффективность фрезерования в автоматизированном производстве с применением диагностирования состояния.инструмента в процессе обработки
Наблюдения рассеивания времени работы до отказа показывают [10, 11, 12], что ее распределение может быть ассиметричным, с большим числом отказов в начальный период эксплуатации, также возможна асимметричность и в другую сторону. Стопроцентной гарантии не случайного характера рассеивания времени работы до отказа инструмента не может дать ни один производитель инструмента. Поэтому вероятность незапланированного отказа, в том числе и по критерию отказа в виде износа рабочих поверхностей инструмента, всегда есть. Она тем меньше, чем больше занижается время работы до смены инструмента, что также имеет свои границы, определяемые экономическими соображениями.
Повышение качества инструмента постоянно ведет к его удорожанию и соотношение цены одной станкоминуты за все время его эксплуатации и цены расходуемого инструмента в единицу времени имеет тенденцию к уменьшению.
Резервом повышения эффективности работы технологического оборудования и инструмента в автоматизированном производстве является применение диагностирования состояния инструмента в процессе резания по параметрам процесса резания.
Диагностика режущего инструмента по параметрам изнашивания рабочих поверхностей различается способами 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, что требует дополнительных временных затрат и не предотвращает от незапланированного отказа, а так же отказа в процессе обработки. Наибольшее применение способ получил при контроле радиального износа, параметров поверхностей обрабатываемой детали [13, 14].
Диагностика режущего инструмента по параметрам- процесса резания основывается на косвенном измерении критерия отказа. Предполагается множество параметров резания, используемых в качестве косвенных диагностических признаков состояния режущего инструмента: ЭДС резания и температура, составляющие силы резания и крутящий момент, уровень вибраций, акустическая эмиссия.
Большинство исследований посвящено параметрической диагностике режущего инструмента при точении и сверлении. Анализ литературных источников показывает, что в наименьшей степени изучены вопросы диагностирования состояния режущего инструмента при фрезеровании. Автору известен опыт Ульяновского завода фрезерных станков по применению тензометрических подшипников шпиндельного узла для измерения составляющих силы резания при обработке конструкционных углеродистых сталей концевыми фрезами. Исследования показали, что существует причинно-следственная связь между износом фрез и силовыми параметрами. Тензометрические подшипники способны устойчиво измерять прирост составляющих силы и использоваться в системах диагностирования при фрезеровании. ,Однако исследования носят ограниченный характер при черновых режимах фрезерования. Метод измерения не пригоден для лабораторных исследований силовых параметров.
В работе [15] предлагается диагностировать состояние концевых фрез по акустической эмиссии. Однако это возможно только при входе и выходе зубьев фрезы при рабочем ходе. Отсутствует математическая модель, описывающая функциональную связь между критерием отказа и диагностическим параметром в широком диапазоне факторов процесса. Температура является доминирующим фактором состояния режущей части инструмента. Именно под действием температуры происходят структурно-фазовые преобразования в инструментальных сталях, приводящие к потере физико-механических свойств и интенсивному изнашиванию инструмента. Оценка температуры по применению ее в качестве параметра для диагностирования может быть произведена по ЭДС резания [16, 17, 18]. Для этого необходимо установить корреляционную связь между температурой в наиболее нагретой точке режущего клина и средними значениями ЭДС резания. Фрезерование - один из сложнейших видов механообработки, характеризующийся многообразием видов и схем обработки с переменными в каждый момент резания параметрами срезаемого слоя. В области диагностика оно представлено фрагментарно в работах А.В. Кибальченко [19] и более полно в работах М.П. Козочкина [20,21], где в качестве диагностического признака состояния фрез используется виброакустический сигнал. Еще в работах Н:Н. Зорева [22] теоретически показано что фаска износа по задней поверхности инструмента, являющаяся во многих случаях критерием отказа, оказывает существенное закономерное влияние на составляющие силы резания. Однако использование силовых параметров для диагностирования инструмента при фрезеровании затрудняется тем, что отсутствуют методики, позволяющие объективно рассчитывать или моделировать мгновенные значения всех силовых параметров в единой системе составляющих силы резания с учётом износа инструмента. В работах С.С. Рудника [23], A.M. Розенберга [24], и др. авторов основное внимание уделяется расчету главной составляющей силы резания при фрезеровании F7 на основе решения фрезерного интеграла. Остальные силовые параметры, определяемые как относительно инструмента, так и относительно стола станка, рекомендуется вычислять в соотношении к среднему значению FZi что не дает возможности их анализа в каждый момент резания. Также отсутствуют математические модели расчета силовых параметров в зависимости от факторов фрезерования с учетом критерия отказа фрез.
Согласно принципам диагностики инструмента [25], критерий его отказа должен адекватно отображаться параметрами процесса резания, что требует дополнительных исследований как динамики разрушения контактных площадок инструмента, так и причин, вызывающих разрушения. Процесс резания является случайным нестационарным процессом [26,27,28], который, в свою очередь, определяет случайный характер отказа и влияет на эффективность применения диагностирования.
Особенности изнашивания фрез при обработке конструкционных сталей
Таким образом, выполненные исследования по наростообразованию при фрезеровании концевыми фрезами на различных схемах показали, что действительное изменение размеров нароста по длине рабочего хода отличается от полученных в опытах при непрерывном резании. Как следует из графиков, показанных на рисунке 3.2.4 при фрезеровании с переменной толщиной среза по длине активной части главной режущей кромки изменяется высота нароста. При резании с уменьшающейся толщиной среза высота нароста, достигнув после переходного периода максимального значения, остается примерно постоянной в течение оставшейся части рабочего хода. При резании с увеличивающейся толщиной среза высота нароста постепенно увеличивается до максимального значения в конце хода, что объясняется более длительным переходным периодом. Увеличение высоты нароста от толщины срезаемого слоя приводит к увеличению реального переднего угла у, что способствует более равномерному силовому нагружению зуба фрезы по длине контактирующей главной режущей кромки особенно в.моменты врезания и выхода зуба фрезы.
Также исследования показали, . что при фрезеровании с увеличивающейся толщиной среза нарост в конце рабочего цикла удаляется вместе со стружкой. При работе с уменьшающейся толщиной среза нароет-остается на инструменте, но разрушается при контакте инструмента с деталью в момент врезания. Нарост сдвигается по передней поверхности и прилипает к стружке. Таким образом, рабочие поверхности зуба фрезы свободны от нароста перед каждым рабочим ходом. Установлено, что стадии зарождения и развития нароста» на чистой передней поверхности в начале, рабочего хода длятся значительно больший период времени, чем восстановление нароста после его разрушения во время рабочего хода. Например, при встречном фрезеровании концевой фрезой D = 40 мм, t = 20 мм, В = 3 мм в среднем диапазоне подачи и скорости резания период зарождения нароста может достигать 2/3 всего рабочего хода. При этом он полностью-не защищает главную заднюю поверхность, а только уменьшает удельное давление в зоне контакта. 3.3 Особенности изнашивания фрез при обработке конструкционных сталей
Фрезерование это один из способов резания, который предназначен для получения плоских и фасонных поверхностей, а также пазов и уступов деталей 7... 12 квалитета с шероховатостью Ra=l,25...10 мкм. Процесс резания при фрезеровании имеет свои особенности, отличающие его от других методов обработки основными, из которых являются: - циклическая прерывность процесса резания, определяющая периодическое воздействие силы и температуры на-зубья фрезы; - непостоянство толщины и ширины срезаемого слоя при перемещении лезвия зуба фрезы по поверхности резания, а также переменность толщины срезаемого слоя в каждой точке, контактирующего с обрабатываемым материалом, лезвия зуба фрезы, что вызывает переменный характер физических параметров резания при фрезеровании. Эти особенности эксплуатации фрез определяют характер изнашивания рабочих поверхностей зуба инструмента.
Согласно методическим основам разработки систем диагностирования [25] в качестве критерия состояния необходимо принимать такой параметр приобретенного дефекта инструмента, который однозначно определяет распознаваемое состояние и обладает способностью отображаться с помощью параметров процесса резания, обработанных поверхностей, являющимися потенциальными диагностическими признаками состояния режущего инструмента.
На основании вышеизложенного следует, что при параметрической диагностике фрез необходимо на основе изучения особенностей изнашивания рабочих поверхностей в условиях обработки на различных вариантах и схемах фрезерования, определить параметр изнашивания поверхностей, однозначно характеризующий диагностируемые состояния и адекватно отображающийся для всех вариантов обработки параметрами процесса резания с целью обеспечения наибольших прироста производительности и сокращения расхода инструмента от применения его диагностирования по параметрам резания.
Анализ возможных изменений параметров рабочих поверхностей, выполненный в работах большинства исследователей, имел целью повышение времени работы до смены инструмента и производительности. За критерий отказа в большинстве случаев берется один из превалирующих очагов износа в зависимости от вида инструмента и условий его эксплуатации. Затем на основании этих исследований предлагаются новые более прогрессивные конструкции инструментов, новые варианты износостойких покрытий, оптимальная геометрия и т.д.
Признавая важность и актуальность подобных исследований, необходимо отметить, что изучению особенностей развития изнашивания площадок контакта рабочих поверхностей при эксплуатации фрез на различных схемах при торцевом и цилиндрическом фрезеровании уделялось мало внимания.1 В то время как эти особенности, например радиус лунки . износа на передней поверхности, опускание главной режущей кромки и т.д., определяют изменение параметров процесса резания, которые принимаются в качестве диагностических признаковсостояния инструмента.
Фреза является одним из наиболее- универсальных режущих инструментов, так как предназначена для обработки поверхностей разнообразных форм и размерові Это определяет большое количество вариантов её конструктивного исполнения. Однако существуют лишь два принципиальных вида работы инструмента: цилиндрическое и торцевое фрезерование. Концевые фрезы осуществляют как цилиндрическое, так и торцевое фрезерование, в силу того, что имеют режущие лезвия на цилиндрической и торцевой частях своей конструкции. Это определило выбор инструмента для проведения данных исследований.
Результаты исследования температуры в режущем клине инструмента при прерывистом резании
К виброакустическим (ВА) сигналам относят колебания поверхностей твердого тела на высоких частотах, где проявляются волновые свойства этих колебаний.
Согласно литературным данным [47] на площадке износа по задней грани потенциально тоже могут формироваться участки пластического и вязкого контактов по аналогии с передней поверхностью. Однако необходимо учитывать, что из-за лучшего механизма отвода тепла контактное пластическое течение возникает при больших значениях скоростей резания чем на передней поверхности, и то, что размер самой площадки износа зависит от стадии износа. Длина участков упрочнения, разупрочнения и, соответственно, расстояние от режущей кромки границы участка вязкого контакта зависят от режимов резания и условий теплоотвода, определяемых инструментальным и обрабатываемым материалом и другими условиями. При этом температура 9Д, при превышении которой резко повышается энергетический уровень тепловых колебаний атомов, достигается на разных расстояниях от режущей-кромки, определяя начало участков разупрочнения и. вязкого контактов. В связи с этим при малом значении фаски износа на ней не успевают сформироваться все участки цикла контактного взаимодействия. Участок с наибольшей ВА активностью (вязкий контакт) может сформироваться только при больших значениях износа, либо при очень интенсивном теплообразовании, обеспечивающем достижение температуры 0Д близко к режущей кромке. Наличие или отсутствие вязкого контакта на задней поверхности определяют ее ВА активность. ВА активность вязкого контакта по задней поверхности превосходит ВА активность аналогичного участка на передней поверхности, т.к. при усадке стружки 3 скорость резания в 3 раза превышает скорость стружки, обеспечивая на 10 дБ больший уровень амплитуд высокочастотного ВА сигнала на вязком участке задней грани, что позволяет не учитывать сигнал на передней грани. Его будет просто незаметно на фоне преобладающего ВА. излучения от контакта по задней поверхности. Но при отсутствии вязкого контакта на задней поверхности при малом износе, ВА, активность пластического участка, существующего на задней, грани, может быть ниже ВА, активности участка вязкого контакта на. передней грани. В этом случае доминировать будет ВА излучение, формирующееся на передней грани.
В общем. виде типичное поведениеВА сигнала на разных стадиях износа инструмента: несколько повышенный уровень на стадии приработки, нормальный уровень, при начальном развитии износа и рост ВА сигнала при , начале катастрофического износа: Повышенный; уровень; ВА сигнала: на стадии приработки объясняетсяшовышенным давлением; на малой площадке контакта. Это приводит к накоплению: повышенного количества потенциальной энергии при: автоколебаниях. Прш. нормальном износе (в; смысле размера фаски), но при наличии выкрашиваний ВА сигнал может соответствовать предельному износу из-за. снижениям режущей? способности инструмента, увеличения тепловыделения; и достижения температуры. 6 на площадке износа ближе; к:режущей кромке. Это приводит к раннему появлению- вязкого контаїсга. Картина.,получается еще: более сложной, если добавить влияние на ВА сигнал процессов стружкообразования, отделения. нароста, возможность, внешнего трения сливной стружки с. поверхностями деталей станка. Для повышения разрешающей способности диагностической процедуры .было предложено контролировать износ инструментов в моменты технологического выстоя. Под выстоем понимается остановка подачи инструмента перед началом, нового перехода. В этой ситуации: влияние процессов по передней грани прекращается; а условия трения по задней грани более отчетливо зависят от состояния режущей кромки инструмента. Основным препятствием к реализации метода могут быть интенсивные автоколебания, иногда возникающие при выстое из-за низкой динамической жесткости упругой системы при отсутствии стабилизирующего влияния со стороны стружки. Для уменьшения влияния фрикционных автоколебаний на точность оценки износа был предложен ряд технологий, общим недостатком которых является организация самого выстоя. Когда говорят о ВА сигнале, то необходимо учитывать, в каком частотном диапазоне он регистрируется. С помощью полосовых фильтров можно одновременно регистрировать несколько параметров ВА сигнала. В зависимости от ширины частотного диапазона, контролируемых полос может быть много. Для контроля процесса резания обычно берут полосы не менее одной октавы, стараясь выбирать те диапазоны, где меньше помех от работы других механизмов станка. В более узких, по сравнению с октавными, частотных диапазонах сигнал может быть неустойчивым. Разбивать ВА сигнал на отдельные полосы есть смысл только тогда, когда это несет дополнительную информацию о состоянии процесса резания и режущего инструмента. Если, например,, амплитуда в каких-либо полосах меняется пропорционально, то никакой дополнительной информации, уточняющей диагноз, не возникает. Выбор информативных полос зависит от вида инструмента, от режимов резания, от динамических характеристик всей упругой системы, включая и саму деталь. Обычно для мониторинга процесса резания? хватает одного или двух частотных диапазонов, но их набор для разных операций может оказаться разным. Лучше всего конкретизировать оптимальные частотные диапазоны с помощью экспериментов. Изменения режимов резания влияют на температуру в зоне контакта и на положение зон пластического и вязкого контактов. Такие изменения, происходящие на передней грани, на ВА излучение непосредственно почти не сказывается. Основное влияние условий резания будет проявляться при вариациях, ускоряющих появление зоны вязкого контакта на задней грани. Исследования показали, что в определенном диапазоне вариации ширины и толщины срезаемого слоя они могут мало влиять на ВА излучение, порождаемое участками вязкого контакта, если при этом не меняются динамические процессы, сопровождающие резание. Однако необходимо учитывать, что рост глубины резания и подачи вызывает почти пропорциональный рост сил резания (соответственно, упругих деформаций и потенциальной энергии), влияет на форму снимаемой стружки и на возможности ее контакта с элементами упругой системы станка. Эти факторы могут вызвать повышение относительных колебаний инструмента и детали, рост шероховатости обработанной поверхности и увеличение мощности ВА сигнала за счет интенсификации процессов кооперативного (единовременного) обмена связями в контакте.
Разработка методики расчета мгновенных значений составляющих F. и F по измеренным составляющим Fv и Fh
Анализ существующих методик и результатов исследований силовых параметров при фрезеровании показывает, что они непригодны для изучения составляющих силы резания с целью выбора силового параметра, используемого в качестве диагностического признака состояния инструмента. Это определяется следующими недостатками этих методик и исследований: - отсутствует общий подход к силовым параметрам, как векторной системы, имеющей несколько взаимосвязанных систем координат с общим центром; - предлагаемые методики не позволяют определять мгновенные значения всех составляющих силы резания в каждый момент времени контакта зубьев фрезы с обрабатываемым материалом; - рассматриваются средние значения сил, что занижает их максимальные значения; - отсутствуют универсальные математические модели значений силовых параметров, учитывающих изнашивание рабочих поверхностей. Поэтому возникает необходимость разработки общей методики изучения силовых параметров при фрезеровании на базе теоретических и экспериментальных взаимосвязей векторов сил, а также разработки математических моделей, позволяющих рассчитывать силы в каждый момент времени контакта зубьев фрезы в процессе резания с учетом их изнашивания и условий эксплуатации. Силовые параметры при фрезеровании могут быть измерены различными способами. С помощью динамометрической головки, закрепленной в шпинделе станка измеряется крутящий момент, возникающий от действия силы Fz на зубьях фрезы. Применяя тензометрические подшипники, измеряют осевую силу Fx и радиальную составляющую Fy. Используя трехкомпонентный тензометрический динамометр можно измерить Fv,Fh,Fx. Анализ способов измерения силовых параметров при фрезеровании показывает, что невозможно одним способом измерить все составляющие силы резания при фрезеровании. В любом, случае отдельные составляющие необходимо рассчитывать по измеренным- параметрам. С этой точки зрения наиболее приемлемым способом для исследования силовых параметров является применение трехкомпонентного тензометрического динамометра; так как силы Fv и Fh являются векторами одной системы координат, а также одновременно измеряется и сила Fx. В данном случае, вектора окружной и радиальной сил могут быть получены расчетным путем по измеренным Fv и Fh, после разработки соответствующей методики. Точность результатов расчета можно определить, измерив один из рассчитанных параметров одновременно с используемыми в расчетах параметрами (Fv и Fh). Наиболее приемлемым средством измерения является динамометрическая головка, так как тензометрические подшипники требуют капитального демонтажа, применяемого для исследований технологического оборудования и квалифицированной сборки шпиндельного узла, что трудноосуществимо в лабораторных условиях вуза. Основываясь на вышесказанном, для исследований составляющих силы резания при фрезеровании был разработан и смонтирован специальный стенд на базе вертикально фрезерного станка ВМ 123. Схема стенда представлена на рисунке 6.2.2. На столе фрезерного станка 1 установлен универсальный динамометр Мухина модели УДМ-600 с закрепленной на нем с помощью оправки 3 обрабатываемой заготовки 4. Фреза 5 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 германского производства. Динамометрические сигналы поступают на тензометрическую станцию 9 модели ТА-5, а с нее напрямую или через фильтры 10 комплекса 11 модели К-150 на светолучевой осциллограф модели Н-117. Регистрация сигналов производилась на самопроявляющуюся ультрафиолетовую бумагу УФ-100 гальванометрами с рабочей полосой частот 0 -г 150 Гц для Fv nFh и с рабочей частотой 0 -т- 400 Гц для F: . Для измерения составляющей силы резания F: была сконструирована и изготовлена динамометрическая головка. Чертеж динамометрической головки представлен на рисунке 6.2.3.
Динамометрическая головка состоит из корпуса 1, который устанавливается в шпинделе станка. В корпусе 1 размещаются конические роликовые подшипники 2, наружные кольца которых фиксируются с помощью кольца 3. Диэлектрическое кольцо 4 служит для закрепления монтажных проводов 5 и в свою очередь крепится на оправке 6, которая посажена на внутренние кольца подшипников 2. Натяг подшипников осуществляется с помощью разрезных гаек 7. Фреза 8 вставляется в оправку 6. Уплотнительное кольцо 9 предохраняет от попадания инородных тел в полость корпуса 1. Фланец 10 фиксирует наружные кольца подшипников 2. Двухсегментное кольцо 11 и гайка 12 служат для закрепления 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.
