Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ решений задач математического моделирования технологической системы, процесса резания и точности механической обработки 11
1.1 Моделирование упругой системы станка 11
1.2 Динамическая модель процесса стружкообразования 24
1.3 Модели износа режущего инструмента 29
1.4 Моделирование точности механической обработки 38
1.5 Системы управления износом режущего инструмента и точностью механической обработки 48
2. Математические модели элементов технологической системы при токарной обработке для консольного закрепления детали 53
2.1 Постановка задачи 53
2.2 Математическая модель суппорта 56
2.3 Робастная математическая модель колебаний детали с консольным закреплением в шпинделе 63
2.4 Математическая модель колебаний детали с консольным закреплением в шпинделе на упругих опорах 70
2.5 Математическая модель колебаний детали, закрепленной в шпинделе в зависимости от износа инструмента 74
2.6 Математическая модель колебаний упругой системы станка в зависимости от износа инструмента 75
3. Теоретическое исследование влияния износа и частотных характеристик технологической системы на радиальные смещения инструмента и детали 80
3.1 Теоретическое исследование влияния износа и частотных характеристик технологической системы на радиальные смещения инструмента и детали при обработке заготовки диаметром 20 мм. 84
3.2 Выводы 109
4. Экспериментальная часть 110
4.1 Разработка методики проведения экспериментальных исследований с помощью виброизмерительного комплекса 110
4.2 Идентификация закона распределения амплитуды вибросигнала 111
4.2.1 Исследование закона распределения амплитуды вибросигнала при обработке стали 45 резцом с пластиной из твердого сплава Т15К6 112
4.2.2 Выводы 114
4.3 Исследование и анализ амплитудно-частотных характеристик вибросигнала 115
4.4 Исследование траектории движения резца и анализ эллипса перемещений 120
4.5 Определение количественного значения энтропии вибросигнала при обработке материалов 122
4.6 Исследование влияния траектории движения резца на износ режущего инструмента в пространстве состояний 125
4.6.1 Исследование влияния траектории движения резца на износ режущего инструмента с пластиной из твердого сплава Т15К6 при обработке стали 45 126
4.6.2 Выводы 126
4.7 Построение регрессионных моделей энтропии 132
4.7.1 Условия проведения эксперимента 132
4.7.2 Кодирование факторов и результаты эксперимента 132
4.8 Построение круглограмм после механической обработки 133
4.9 Построение регрессионной модели стойкости режущего инструмента 136
4.9.1 Определение констант моделей стойкости режущего инструмента
4.9.1.1 Определение констант моделей стойкости режущих пластин из твердого сплава Т15К6 при обработке стали 45 136
4.9.1.1.1 Условия проведения эксперимента 136
4.9.1.1.2 Кодирование факторов и результаты эксперимента 137
4.9.1.1.3 Определение констант моделей стойкости режущих пластин из твердого сплава Т15К6 при обработке стали 45 137
4.9.1.2 Определение констант моделей стойкости режущих пластин
из твердого сплава ТІ 5К6 при обработке стали 45 139
4.9.1.2.1 Условия проведения эксперимента 139
4.9.1.2.2 Кодирование факторов и результаты эксперимента 139
4.9.1.2.3 Определение констант моделей стойкости режущих пластин из твердого сплава ТІ 5К6 при обработке стали 60С2 140
4.10 Выводы 145
Список использованной литературы 146
Приложения 164
Приложение 1. Последовательность построения регрессионной модели второго порядка по плану Вп. 165
Приложение 2. Данные и результаты регрессионного анализа при построении модели энтропии 167
Приложение 3. Данные и результаты полного факторного эксперимента при обработке сталей 45 и 60С2 168
- Динамическая модель процесса стружкообразования
- Робастная математическая модель колебаний детали с консольным закреплением в шпинделе
- Теоретическое исследование влияния износа и частотных характеристик технологической системы на радиальные смещения инструмента и детали при обработке заготовки диаметром 20 мм.
- Идентификация закона распределения амплитуды вибросигнала
Введение к работе
В связи с повышением рабочих параметров современных машин (скоростей, давлений, температур и т. д.) непрерывно повышаются и требования к точности механической обработки отдельных деталей. Рассчитывая и проектируя детали машин, конструктор придает им определенные формы и размеры, отвечающие наилучшим эксплуатационным свойствам, наибольшей долговечности и надежности. Однако, в процессе изготовления на металлорежущих станках не представляется возможным получить абсолютно точные детали. Возникают погрешности в размерах, форме поверхностей и их взаимном расположении. Чем меньше эти погрешности, тем выше эксплуатационные качества деталей, но тем сложнее и дороже их изготовление. Общей задачей, стоящей перед машиностроительной промышленностью, является получение возможно более высокой точности изготовляемых деталей при заданной их стоимости. Погрешности формы поверхностей могут быть самыми разнообразными: нецилиндричность, некруглость, овальность, огранка, отклонения профиля продольного сечения, конусообразность, бочкообразность, седлообразность, изогнутость. Погрешности формы часто оказывают большее влияние на долговечность и надежность деталей машин, чем погрешности размеров. Точность взаимного расположения поверхностей: параллельность, перпендикулярность, соосность, биение и т. д. — также указывается в виде допусков и отклонений. К обработке на токарных станках прибегают как к окончательной, так и к предварительной обработке перед шлифованием. И в том, и в другом случае требуется достаточно высокая точность. Точная обработка на токарном станке возможна только на исправном оборудовании и при высокой квалификации исполнителя. При изготовлении точных деталей всегда необходимо отчетливо представлять причины возникновения неточностей (погрешностей) обработки. Зная эти причины, можно найти и разработать методы их уменьшения и тем самым повысить точность. Физическая сущность явлений, имеющих место при механической обработке, сложна, а поэтому и возникающие при этом погрешности многообразны. Погрешности обработки возникают: из-за неточности оборудования и инструмента, от упругих деформаций узлов станка, обрабатываемой детали инструмента, от износа инструмента, от температурных деформаций, от неточности установки и настройки и пр. Если на токарном станке обточить вал большого диаметра и большой длины и затем тщательно его промерить, то обнаружится, что уже в самой начальной стадии изготовления деталь имеет отклонение от заданного размера. Мало того, в поперечных сечениях по длине детали размеры будут разными. Вал окажется не цилиндричным. Эти отступления от заданного размера и правильной цилиндрической формы вызваны влиянием погрешностей обработки. Если партию малогабаритных деталей (например, валиков или втулок) обточить заранее установленным на размер резцом (станок настроен на обтачивание одной поверхности у всей партии деталей) и затем все детали тщательно измерить, то обнаружится: размеры всех деталей партии разные; диаметральные размеры каждой детали по длине обработки, например в начале, и в конце, также будут разными; начальный размер первой изготовленной детали не совпадает с желательным настроечным размером; начальный и конечный размеры деталей не равны, т. е. все детали имеют такую-то погрешность формы; эта погрешность формы (разность диаметров) более или менее одинакова у всех обработанных деталей (20—30 мкм). В процессе механической обработки детали или партии деталей отдельные погрешности изготовления оказывают, каждая по-своему, влияние на точность изготовления. В итоге общего совместного действия этих погрешностей (суммирования погрешностей) получается искажение формы и размеров окончательно изготовленной детали. Зная характер этих изменений, в процессе обработки исполнитель, как правило, может на них воздействовать в целях уменьшения отдельных погрешностей изготовления.
При обработке детали на станке, в частности на токарном станке, мы имеем дело с технологической системой, т. е. с системой станок—деталь— инструмент. Очевидно, что погрешности обработки зависят от начального положения этой системы (от настройки) и от изменения динамики системы в процессе обработки, от износа режущей части инструмента.
Для изучения этих погрешностей обычно используются теоретические расчеты и результаты экспериментальных исследований.
В работе рассматриваются вопросы точности механической обработки при чистовом точении твердосплавными инструментами с консольным закреплением детали. В данной работе рассматриваются причины возникновения и приведены численные значения только динамических составляющих общей погрешности.
Если заранее знать закономерности изменения размеров деталей, то, очевидно, можно предвидеть и момент предельно допустимого изменения размеров, т. е. момент необходимой настройки станка. Благодаря этому значительно упрощается наблюдение за технологическим процессом, и отпадают или, во всяком случае, значительно упрощаются контрольные операции. При таких условиях, как настройку, так и поднастройку станков можно производить более определенно и по заранее составленной программе технологического процесса. Технолог, мастер или настройщик будут действовать не «вслепую» (основываясь только на данных измерения отдельных деталей), а на основе соответствующего технологического расчета. Особо большое значение такие расчеты приобретают в условиях автоматизированного производства.
Цель работы: исследование влияния частотных характеристик
технологической системы и износа инструмента на точностные характеристики детали при токарной обработке для построения математической модели системы как основы автоматизации управления процессом точения
Задачи работы.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
1. разработаны математические модели основных осцилляторов технологической системы, непосредственно участвующих в формообразовании;
2. исследованы динамические характеристики основных парциальных систем для учета влияния упругих деформаций на показатели точности механической обработки;
3. разработана математическая модель системы механической обработки и исследованы ее динамические характеристики;
4. проведен анализ влияния износа инструмента на изменение динамических свойств технологической системы;
5. разработаны практические рекомендации по выбору технологических режимов токарной обработки с учетом износа режущего инструмента и возникновения резонансных явлений в зоне стружкообразования; 6. предложены способы управления (коррекции) точностью процесса обработки с целью обеспечения требуемой точности обрабатываемых деталей с учетом влияния износа инструмента и динамических свойств системы;
7. разработан мобильный измерительный комплекс для диагностики состояния технологической системы.
Научная новизна;
Научная новизна работы заключена в следующем:
1. предложена математическая модель динамической технологической системы, позволяющая проанализировать изменение ее свойств в любой точке контакта инструмента с заготовкой, и прогнозировать влияние на технологическую систему износа режущего инструмента с целью обеспечения требуемого качества изделия при различных условиях обработки;
2. разработанная математическая модель позволяет на основе значений радиального смещения инструмента и детали по всей ее длине, прогнозировать отклонения округлости, цилиндричности, профиля поперечного сечения при разных сочетаниях параметров токарной обработки;
3. предложены математические модели стойкости режущих пластин и энтропии амплитуд вибросигнала, увеличена точность коэффициентов регрессии методом стохастической аппроксимации;
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. разработаны практические рекомендации по выбору режимов резания с учетом динамических свойств технологической системы (в виде диаграмм);
2. установленные диапазоны технологических режимов позволяют проводить коррекцию режимов резания в зависимости от координат положения резца, что дает возможность обеспечить минимальность погрешности изготовления детали;
3. предложен экспресс-метод оценки обрабатываемости различных материалов по значению информационной энтропии вибросигнала;
4. экспериментально подтвержден и рекомендован к практическому применению способ диагностики состояния режущего инструмента в реальном времени по значению информационной энтропии вибросигнала; 5. разработан, опробован на ОАО НЛП КП «Квант» и предложен для применения мобильный измерительный комплекс для автоматизированной системы диагностики режущего инструмента и показателей точности деталей.
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ из них 1 в центральном научно-техническом журнале.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Работа состоит из страниц текста, рисунков, таблиц. Список литературы включает 203 источника. В приложении представлены материалы о внедрении результатов исследований, дополнения к материалам исследований.
В первой главе (литературном обзоре) приведен анализ состояния вопроса в области изучения динамики процесса резания, износа режущего инструмента и точности механической обработки, проанализированы математические модели известных ученых, описывающих процесс механической обработки.
Во второй главе разработаны математические модели основных парциальных систем, доказана их адекватность и создана общая динамическая модель металлорежущей системы.
В третьей главе приведены результаты теоретических исследований по определению собственных мод колебаний технологической системы с учетом влияния износа инструмента, а также проведен анализ резонансных режимов обработки на частотах стружкообразования.
В четвертой главе изложена методика и результаты экспериментальных исследований.
В заключении приведены рекомендации по применению разработанных моделей в различных производственных ситуациях.
В приложениях представлены дополнительные материалы экспериментальных исследований и статистической обработки, а также материалы о внедрении результатов исследований.
Динамическая модель процесса стружкообразования
Необходимо отметить, что не только динамическая система металлорежущего станка определяет качество изготовления детали. Огромную роль в формирование качества изготовления вносит сам процесс резания, т.е. совокупность физико-механических процессов, происходящих в зоне резания и вокруг нее. Необходимо учитывать сложную динамическую связь, формируемую процессом резания в упруго-диссипативной преобразующей системе станка. Этому вопросу посвящены работы и фундаментальные исследования, произведенные известными: Блэком /27/, В.Л. Вейцем /45/-/47/, И.Г. Жарковым /58/, В.Л. Заковоротным /63/-/71/, В.А Кудиновым /108/, В.В. Каминской /83/, /84/, В.Н. Подураевым /132/, /133/, Ю.Н. Санкиным /156/-/159/, А.П. Соколовским /162/, М.Е. Эльязбергом /190/ и другими учеными. Из результатов этих исследований следует, что процесс резания, воздействуя на упруго - диссипативную систему станка и формирует динамическую связь, которая, в свою очередь, перестраивает всю динамическую систему.
Разработке теории автоколебаний при резании посвящен ряд капитальных исследований — Г.С. Лазарева /111/, /112/, А. П. Соколовского /162/, Д.Н. Решетова /143/, М.Е Эльясберга /190/, Ю. Тлустого /176/, И.Г. Жаркова /58/ и др.
Г.С. Лазаревым /111/, /112/ предлагается оригинальный метод анализа устойчивости процесса резания на основе рассмотрения поля динамических сил в области вершины резца и использования структурного критерия устойчивости. Автор использует физическую модель возникновения автоколебаний, обусловленную координатной связью упругой технологической системы, имеющей минимум две степени свободы с процессом резания. Структурная теория устойчивости процесса резания позволяет рассчитать и объяснить влияние различных параметров режима резания, геометрии заточки инструмента и жесткости упругой системы станка на устойчивость процесса резания и довести теорию до стадии технологического расчета. В частности установлено, что по длине обрабатываемой детали возможно существование критической области автоколебаний, характеризующейся исключительно низкой виброустойчивостью.
Автор предлагает методику расчета отклонение вершины резца из положения равновесия на основании определения равнодействующей сил резания и сил упругости. При этом не учитывается влияние на силу резания таких явлений, как запаздывание силы резания от перемещения или падающая характеристика силы трения. Теоретический анализ расчетной схемы упругой системы резец — суппорт, проведенный Г. С Лазаревым, показывает, что определять ориентацию главных осей жесткости упругой системы, исходя из положения мгновенного полюса поворота, не представляется возможным, так как положение последнего существенно зависит от направления силы резания, т. е. зависит от режима обработки и геометрических параметров инструмента. Равнодействующая сила является динамической, так как по мере перемещения вершины резца около положения равновесия эта сила непрерывно меняется по модулю и направлению. Основная предпосылка возбуждения вибраций - падающая характеристика коэффициента трения по скорости установлена некоторыми учеными, например Б.П. Барминым /23/.
На анализе приращения работы силы резания В.А. Кудиновым /107/ и Ю. Тлустым /176/ дается объяснение механизма возбуждения автоколебаний в «теории координатной связи». Сущность механизма возбуждения автоколебаний раскрывается на основе энергетических соображений при анализе движения вершины резца по замкнутой эллиптической траектории двигаясь по такой траектории, инструмент изменяет толщину срезаемого слоя, а, следовательно, силу резания таким образом, что при движении в сторону действия силы резания толщина срезаемого слоя больше, чем при движении инструмента навстречу силе резания. Если фазовый сдвиг между колебаниями таков, что направление движения вершины инструмента будет обратным показанному, то система будет устойчивой. Изменение силы резания в этих условиях оказывает демпфирующее действие на колебания, вызываемые внешними воздействиями, не пополняя рассеиваемую энергию, как в неустойчивой системе, а, наоборот, увеличивая это рассеивание. Таким образом, при движении вершины резца по эллиптической траектории в одном направлении, происходит накопление энергии, которая тратится на возбуждение автоколебаний и, если система такова, что имеет место обратное движение вершины резца по траектории, энергия рассеивается, и процесс резания оказывается устойчивым. Такое объяснение механизма автоколебаний и перехода от автоколебательного режима к устойчивому при более внимательном рассмотрении вопроса не согласуется с принципами механики и известными опытными данными, так как обратное направление движения вершины резца невозможно.
Форма траектории движения вершины резца и направление этого движения по траектории были экспериментально исследованы Д. И. Рыжковым /155/ с помощью оригинальной установки, позволяющей наблюдать и фиксировать движение центра заготовки и вершины инструмента в процессе вибраций. Эти исследования позволили установить, что характер траектории движения вершины резца по отношению к обрабатываемой заготовке и направление этого движения сохраняется как при автоколебаниях, так и при устойчивом режиме резания, когда возбуждаются собственные колебания за счет срыва нароста или колебания вызываются ударными нагрузками. Анализ формы вибрационной волны, представляющей собой обычно пологий спуск и крутой подъем, позволили Д. И. Рыжкову проследить за движением вершины резца в течение одного цикла колебаний и показать, что направление относительного движения вершины резца около положения равновесия в результате срыва нароста такое же, как и при автоколебаниях.
Для математического моделирования процесса стружкообразования В.Л. Вейцем и В.В. Максаровым /45/-/47/ разработана обобщенная реологическая модель стружкообразования в виде последовательного соединения моделей упруго-вязкопластической релаксирующей среды Ишлинского (отражающего процесс динамической пластификации срезаемого материала) и среды Фойхта (отражающей процесс деформирования и трения сходящей стружки) с запаздыванием деформаций.
Влияние размеров нароста при чистовой обработке исследовано Л.С. Сидоренко /160/. При чистовой обработке образование нароста нежелательно, т.к. его разрушенные частицы прочно прилипают к обработанной поверхности, что приводит к ухудшению качества обработки. Кроме того, срыв нароста вызывает вибрацию инструмента, что также ухудшает качество обработки и снижает стойкость режущих лезвий. При этом Л.С. Сидоренко описал упругопластическое течение металла, деформированного при резании, двухзвенной механической моделью Максвелла. На основании модели Максвелла и реологического свойства «запаздывания пластической деформации» разработана модель, связывающая физические явления при резании с четырьмя факторами процесса резания: скорости резания, толщины срезаемого слоя, переднего угла инструмента, механических свойств металлов.
Робастная математическая модель колебаний детали с консольным закреплением в шпинделе
Рассмотрим уровень макродвижений на примере упругой системы с распределенными параметрами для консольного жесткого закрепления детали в шпинделе (рисунок 2.7).
Математическая модель может быть записана с использованием метода начальных параметров для случая нестационарных вынужденных движений /73/.
Квадратная матрица Hi(xj,p) преобразует изображение параметров сечения с абсциссой Xj_j в изображения параметров сечения с абсциссой Xj.
Проведем анализ частотных свойств исследуемой детали с жестким консольным закреплением (рисунок 2.7) для этого в качестве возмущающего воздействия рассматриваем воздействие силы Ру радиальной составляющей силы резания: Py=Kr, (2.44) где: tr- фактическая глубина резания, tr =t0 - Аудет -Аус; Аудет; Аус-упругие деформации детали и суппорта соответственно, tQ- заданная глубина резания, К - статическая жесткость.
Характеристика переходного процесса системы при типовом единичном возмущении (рисунок 2.12) представляет собой колебательный процесс, так как демпфирование в исследуемой системе мало, что сказывается на формообразовании поверхностного слоя детали.
Используя математическую модель колебаний детали как систему с распределенными параметрами, в любом сечении заготовки можно определить частотные характеристики системы, определить вид переходного процесса и реакцию системы на внешнее воздействие.
Представленные графики позволяют сделать следующие выводы: - амплитудно-частотная характеристика исследуемой модели в области низких и высоких частот имеет характерные резонансные частоты - 892 Гц, 5588 Гц.
Рассмотрим величину перемещений на примере упругой технологической системы с распределенными параметрами для консольного закрепления детали в шпинделе на упругих опорах с жесткостью С/ и С2 (рисунок 2.13).
Полученные граничные условия правого конца позволяют записать выражение для перемещения под действием силы резания произвольного сечения детали, закрепленной в шпинделе. Так как стоит задача анализа движений технологической системы, состоящей из инструмента, шпинделя и детали, необходим анализ перемещений при выполнении условия х = lx. При таком условии окончательно получаем выражение для передаточной функции технологической системы: (2.57) = Н11 У34 y{h p)
Таким образом, полученная передаточная функция (2.50) и (2.57) позволяет оценить изменение мод собственных колебаний технологической системы с различными компоновками шпиндельных узлов, исследовать резонансные явления в процессе обработки и точность изготовления детали по всей длине обрабатываемой поверхности. 2.5 Математическая модель колебаний детали закрепленной в шпинделе в зависимости от износа инструмента
1. Из графиков можно судить о том, что при колебаниях упругой системы станка резонансные области находятся в области низких и средних частот, и попадание частоты стружкообразования в эти диапазоны может привести к увеличению резонансных явлений в процессе обработки, что повлияет на точность.
2. В данную модель было внесена зависимость силы резания от износа резца, которая показала, что при приближении к критическому износу инструмента проявляется изменение передаточного коэффициента системы К (рисунок 2.26), что свидетельствует о потери точности обрабатываемой партии деталей с увеличением износа инструмента и о необходимости регулирования и управления процессом точения при токарной обработке.
Теоретическое исследование влияния износа и частотных характеристик технологической системы на радиальные смещения инструмента и детали при обработке заготовки диаметром 20 мм.
Согласно представленным таблице и графикам при обработке детали диаметром 20 мм, длиной L=80 мм при изменении подачи S = 0,21 - 0,12 мм/об и глубине резания t=lMM можно сделать следующие выводы: - при скоростях резания до 2 м/с (включительно) изменяющаяся частота стружкообразования, зависящая от износа инструмента, близка к собственным модам колебаниям технологической системы и не обеспечивает требуемой точности изготовления партии деталей (перемещения - десятки микрон); - при скорости резания 2 м/мин - 2,6 м/с изменяющаяся частота стружкообразования, зависящая от износа инструмента, не совпадает с собственными модами колебаний технологической системы, что приводит к увеличению точности изготовления партии деталей (перемещения - до десяти микрон); - наиболее приемлемым режимом резания на высоких скоростях V=2 м/с - 2,6 м/с при t=l мм, является подача S=0.12 мм/об где при изменении собственных мод колебаний системы и увеличении износа инструмента радиальные перемещения инструмента и детали минимальны по сравнению с другими представленными подачами. Т.к. обычно при чистовой обработке не допускается износ режущего инструмента свыше 0,6 мм, то перемещения технологической системы на этих режимах составит до 2 мкм; - с увеличением износа режущего инструмента увеличивается перемещение технологической системы (до 4 мкм при подаче 0,15 мм/об, до 6 мкм при подаче 0,12 мкм); - при перемещении режущего инструмента вдоль детали при токарной обработке перемещения технологической системы изменяются (рисунки 3.7, 3.8), что свидетельствует об изменении динамических свойств технологической системы; - наибольшие значения перемещений технологической системы - на вылете детали, наименьшие - у токарного патрона и в центральной части детали; - с увеличением подачи увеличиваются перемещения технологической системы.
Теоретические максимальные перемещения технологической системы в зависимости от износа инструмента (Ьз=0,2; 0,4; 0,6 и 0,8 мм) при обработке заготовки диаметром 20 мм, длиной 80 мм, с технологическими параметрами: V=0,66-2,62 м/с S=0,12 мм/об, t= 0,2 - 1 мм представлены в таблице 3.2 и на рисунках 3.9-3.13.
Радиальные смещения инструмента и детали по длине обрабатываемой заготовки с увеличением износа инструмента при токарной обработке заготовки длиной L=80 мм диаметром 20 мм при при режимах резания V=2,09 м/с, S=0.12 мм/об, t=0.7 мм. Согласно представленным таблице и графикам для детали диаметром 20 мм, длиной L=80 мм при изменении глубины резания t =1-0,2 мм можно сделать следующие выводы: - при скоростях резания до 2,09 м/с изменяющаяся частота стружкообразования, зависящая от износа инструмента, близка к собственным модам колебаниям технологической системы и не обеспечивают требуемой точности изготовления партии деталей (перемещения - десятки микрон); - при скорости резания 2,09 м/с - 2,62 м/с минимальная податливость (реакция) технологической системы обеспечивает наименьшее ее перемещение, что приводит к увеличению точности изготовления партии деталей (перемещения — несколько микрон); - наиболее приемлемыми режимами резания на высоких скоростях является: V=2,09 м/с - 2,62 м/мин при S=0.12 мм/об, глубина t=l мм, где при изменении собственных мод колебаний системы и увеличении износа инструмента радиальные перемещения инструмента и детали минимальны по сравнению с другими представленными глубинами (до 2 мкм при износе режущего инструмента до 0,6 мм); - с уменьшением глубины резания перемещения технологической системы неоднозначно: при глубине резания 1 мм - до 2 мкм; при глубине резания 0,7 мм — до 4 мкм; при глубине резания 0,5 мм - до 3 мкм; при глубине резания 0, 2 мм — до 4 мкм; - при скорости 2,62 м/с, подаче 0,12 мкм , глубине резания 0,7 мм перемещения технологической системы не превысят 1,5 мкм.
Максимальное перемещение технологической системы при обработке детали диаметром 20 мм, длиной L=40 мм в зависимости от скорости V и подачи S при износе инструмента пз=0,2-0, 8 мм
Идентификация закона распределения амплитуды вибросигнала
Вибросигнал регистрировался и статистически обрабатывался практически в реальном времени, в трех плоскостях координат и по всей длине заготовки измерительным комплексом, состоящим из платы АЦП Е-440, пьезопреобра-зователей KD-17, ЭВМ.
Из вибросигнала при обработке различных материалов были сделаны отдельные выборки и проведен анализ закона распределения амплитуд вибросигналов. Экспериментальные распределения амплитуды вибросигнала при токарной обработке сравнивались с теоретическими распределениями, широко используемыми в теории надежности: равномерным и нормальным усеченным (законы распределения Вейбула и гамма-распределения в данном случае применить невозможно). Согласие полученных экспериментальных распределений с теоретическими оценивалось на основании критерия Пирсона при достаточно высоком уровне значимости. Статистическая обработка экспериментальных данных проведена по следующему алгоритму: отсев грубых погрешностей; определение числовых характеристик эмпирических распределений; построение гистограммы, выбор модели закона распределения по критерию Пирсона.
Обработка заготовок диаметром 29 мм, длиной 250 мм резцом, оснащенным четырехгранной неперетачиваемой пластиной из твердого сплава Т15К6, без охлаждения, проводилась на станке 16К20ФЗ при следующих режимах резания: V = 100 м/мин; S = 0,125 мм/об; t = 1 мм. Вылет резца 53 мм. Передний угол у = 7 , задний угол а=10 . Точение проводилось без охлаждения. Предварительно заготовки протачивались на всю длину с целью удаления дефектного поверхностного слоя и выравнивания припуска.
Гистограммы, характеризующие распределение амплитуд вибросигнала по осям координат на стадиях нормального и катастрофического износа приведены на рисунках 4.2, 4.3.
Для оценки соответствия закона распределения и гистограммы выбиралось критическое значение критерия Пирсона ха , соответствующее малой вероятности а, которую задавали 0,01. При числе степеней свободы 11-2-1=8 Ха =26,1. Расчетные значения критерия х2 на стадиях нормального и катастрофического износа приведены в таблице 4.1.
Так как на стадии нормального изнашивания рассчитанные значения х Ха то гипотеза нормального закона распределения амплитуд вибросигнала на участке равномерного изнашивания принимается с уровнем значимости а =0,01.
Гистограммы распределения амплитуды вибросигнала по осям координат при обработке детали диаметром 29 мм из стали 45 резцом с вставкой Т15К6 при нормальном изнашивании с режимами резания t =1 мм, S=0,125 мм/об;V= 100 м/мин.
На участке катастрофического износа гипотеза нормального распределения не принимается, но закон распределения сигнала стремится к равномерному.
Аналогичные исследования закона распределения амплитуд вибросигнала проведены при обработке сталей З, 60С2 резцом с пластиной из твердого сплава Т15К6, стали 45 резцом с пластинкой из быстрорежущей стали.
В результате статистического анализа амплитуд вибросигналов при обработке различных материалов с разными режимами резания показано, что:
1. На участке равномерного изнашивания режущего инструмента закон распределения амплитуд вибросигналов не противоречит нормальному закону при уровне значимости О =0,01.
2. На участке интенсивного износа происходит изменение закона распределения амплитуд вибросигналов. Распределение амплитуд вибросигналов противоречит нормальному закону распределений и приближается к равномерному.
3. На участках равномерного и катастрофического износа невозможно вычислить параметры законов распределения Вейбулла и гамма-распределения. При исследовании закона Вейбулла чаще всего невозможно рассчитать значения гамма-функции из-за отсутствия параметра а, который вычисляется в точке пересечения функций Y1 и Y2, а пересечения этих функций нет. При исследовании гамма-распределения невозможно рассчитать значения плотности распределения, т. к. сигнал имеет положительные и отрицательные значения амплитуды.
При условиях экспериментов, представленных в таблице 4.2 был проведен анализ спектральных характеристик амплитуд вибросигнала по осям X, Y, Z на стадиях равномерного и катастрофического износа режущего инструмента при обработке сталей 45, З, 60С2. Анализ экспериментальных графиков позволяет установить, что увеличение износа обуславливает увеличение объема пластической деформации, что приводит к возрастанию запаздывания сил при варьировании площади срезаемого слоя. Увеличение запаздывания сопровождается возрастанием постоянной времени резания, а значит уменьшением частоты стружкообразования.
