автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Интенсификация процессов механообработки путем оперативной диагностики станочной системы

На праках рукописи

ХУЗИЫ Ирек Саптшшч

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МЕХАНООБРАБОТКИ ПУТЕМ ОПЕРАТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ СТАНОЧНОЙ СИСТЕМЫ

Специальность: 05.03.01 — Процессы механической и физико-химической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискапне ученой степени кандидата технических наук

УФА 1998

Работа выполнена на кафедре автоматизированных технологических систем'Уфимского государственного авиационного технического университета и на государственном Уфимском унитарном агрегатном предприятии "Гидравлика".

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, член корреспондент АТН РФ, заслуженный деятель науки Республики Башкортостан

Зориктуев В.Ц.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Никитин D.A.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Барзов A.A. - кандидат технических наук, доцент Янбухтин P.M.

Ведущее предприятие - институт технологии и организации произвоства ОАО НИИТ г.Уфа

Защита диссертации состоится " " ^^_1998 г.

в_часов на заседании диссертационного совета

Д-063.17.01 Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу : 450000. г.Уфа, ул.К.Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГАТУ.

Ученый секретарь диссертационного совета, д. т.н., профессор —SJS--^смыслов A.M.

А

__________Актуальность темы_________________________________________________________________________________________

Повышение эффективности механической обработки труднообрабатываемых материалов, таких как жаропрочные стали и сплавы, остается по прежнему актуальной задачей. Режущий инструмент при обработке резанием таких материалов интенсивно изнашивается, а его текущее состояние в значительной степени зависит от статических и динамических параметров оборудования и самого инструмента, оказывающих влияние на выходные параметры процесса меха-нобработки. В этих условиях итенскфикация процесса резания должна решаться прежде всего за счет оптимизации внешних условий механообработки, выбора марки и геометрии инструмента, СОЖ, предварительного определения рациональных режимов.

Интенсифицировать процесс обработки резанием, с целью обеспечения высокой производительности оборудования с одновременным формированием требуемых характеристик поверхностного слоя деталей, невозможно без информации о текущем износе инструмента. Решение вопросов автоматического контроля текушего износа инструмента, а также управление его интенсивностью, является одной из острейших проблем современного автоматизированного производства к особенно условиях малолюдной технологии.

Настоящая работа посвящена изучению взаимосвязи предлагаемых диагностических параметров станочной (технологической) системы с износом инструмента и параметрами процесса резания с целью диагностирования и управления при автоматизированном производстве.

Решаемые в диссертации вопросы являются составной частью исследований, проводимых на государственном Уфимском унитарном агрегатном предприятии (ГУУАД) "Гидравлика" совместно с кафедрой "Автоматизированные технологические системы" (АТС) Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ), в соответствии с координационными плаката А7Н РФ и программой "Конверсия и высокие технологии. 1997-2000 гг.".

Цель работы и задачи исследований.

Целью настоящей работы является повышение эффективности обработки деталей на металлорежущих станках путем оперативной диагностики состояния процесса резания и режущего инструмента.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определение взаимосвязи параметров износа инструмента с электрическими параметрами процесса резания.

2. Разработка алгоритмов и методик определения текущей информации об износе инструмента.

3.' Разработка математических моделей процесса изнашивания инструмента и алгоритмов их идентификации.

4. Создание промышленных образцов диагностических систем для оперативного контроля за состоянием процесса резания и режущего инструмента.

Методика исследований.

При выполнении работы были применены экспериментальные и аналитические методы исследований, в том числе теория резания и автоматического управления, методы математического моделирования и планирования экспериментов, статистической обработки результатов измерений, идентификации объектов управления и распознавания образов.

На защиту выносятся.

1. Методики оперативной диагностики состояния технологического процесса по износу инструмента.

2. Математические модели процесса изнашивания инструмента и алгоритмы их параметрической идентификации.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по уточнению механизма изнашивания инструмента и взаимосвязи параметров изнашивания инструмента с электрическими парметрами процесса резания.

4. Результаты внедрения систем оперативного контроля за состоянием процесса резания и режущего инструмента.

Научная новизна.

1. Разработаны математическая модель процесса резания и способы ее параметрической идентификации, позволяющие производить текущий контроль и диагностику состояния инструмента при изменяющихся условиях обработки. Разработаны алгоритмы диагностирования состояния режущего инструмента, позволяющие повысить эффективность функционирования станочной системы.

г. Уточнен характер взаимодействия тепловых и механических явлений в процессе изнашивания инструмента. Выявлено, что механические процессы оказывают доминирующее влияние на износ инструмента в период его приработки, а в период нормального изнашивания - тепловые.

3. Уточнена зависимость электропроводимости контакта "инструмент-деталь" от основных параметров процесса резания. Уста-

о

о

новлено, что при температуре резания, равной и выше оптимальной по" интенсивности-износа ^режущего" инструмента.~ "стабилизируется интенсивность изменения электропроводимости контакта "инструмент-деталь" по скорости резания.

Практическая ценность.

1. Разработана инженерная методика определения износа режущего инструмента во времени, позволяющая решать задачи оценки текущего состояния инструмента, его диагностики и управления процессом резания.

2. На основе разработанных методик и алгоритмов оперативной диагностики состояния режущего инструмента, создан промышленный образец диагностического центра.

3. Созданы промышленные образцы источника тока для измерения электропроводимости контакта "инструмент-деталь".

Реализация работы.

Результаты диссертационной работы внедрены на ГУУАП "Гидравлика" в виде автоматизированной системы сбора и регистрации

диагностической информации при технологических исследованиях, на Уфимском моторостроительном производственном объединении и Сгер-литакакском станкостроительном заводе им. Ленина з виде рекомендаций по использованию диагностического модуля для контроля текущего состояния ревущего инструмента, а также в учебный процесс каоедры АТС УГАТУ.

Аппробация работы.

Основные положения долокены и обсуждены на:

- международной научно-технической конференции "Технология

механообработки: физика процессов и оптимальное управление" , Уфа, 1394 г.;

- сессии международной школы по моделям механики сплошной среды, Санкт-Петербург, июнь 1995 г.;

- республиканской научно-технической конференции "Автоматизированные технологические и мехатронные системы машиностроения", Уфа, 1997 г.;

- научно-технических семинарах, проводимых факультетом АТС и кафедрой АТС УГАТУ 1995-1997 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений, изложен-

ных на 197 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 33 . рисунка, список литературы из 113 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы.

В первой главе рассмотрены вопросы современного состояния проблемы интенсификации токарной обработки средствами оперативной диагностики станочной системы, проведен литературный обзор по методам и устройствам диагностики состояния режущего инструмента, известным в стране и за рубежом, даны их сравнительные характеристики, указаны области применения, выделены нерешенные актуальные проблемы к сформулированы задачи настоящего исследования.

Первоочередными задачами в области оперативного управления режимами резания являются задачи контроля износа режущего инструмента и прогнозирование его износостойкости. Большой вклад в решение задач контроля износа инструмента внесли работы отечественных и зарубежных ученых Барзова А. А.. Заковоротного В.Л., Зо-риктуева В.Ц., Кретинина О.В., Макарова А. Д.. Остафьева В. А., Силина С.С., Вилкинсона А.. Ивата К.. Корена Ю., Маеори 0., Эль-гомайеля Д., Якобса Г. и др. Вместе с тем многие вопросы в области оперативного контроля и диагностирования состояния режущего инструмента остаются нерешенными. Практические задачи оценки износа инструмента решаются на основе накопления эксперементаль-ных данных для каждого отдельного случая.

Основной проблемой на пути создания систем оперативного контроля и диагностики процесса резания, как одной из подсистем станочной системы (СС) в целом, является отсутствие приемлемых по точности и надежных в условиях производства методов непрерывного (без прерывания процесса) контроля износа инструмента (наиболее слабого звена СС). Особенности процесса резания не позволяют применять методы прямого измерения для определения текущего износа инструмента. Эти методы позволяют или производить измерения периодически после выхода режущего лезвия из зоны резания (например, при фрезеровании), или фиксировать значения суммарного износа после окончания прохода. Прямые методы измерения не позволяют осуществлять оперативную диагностику инструмента и прогнозировать выход инструмента из строя. Следовательно, для построения преобразователей (датчиков) текущего износа инстру-

мента. без_прерывания.процесса,резания,..необходимо.использовать ----------------

косвенные методы измерения износа.

Известно, что изнашивание рабочих поверхностей инструмента является существенным фактором процесса резания, влияющим как на свойства обработаной поверхности детали, так и на параметры самого процесса: температуру и силу резания, колебания инструмента и др. Сказаное указывает на возможности косвенной оценки износа режущих инструментов, которые основаны на. использовании кореля-пиоккых связей между характеристиками состояния инструмента (величина износа, интенсивность изнашивания) и сигналами, возникающими в зоне резания вследствие явлений, сопровождающих процесс резания (механические, тепловые, электрические, акустические и др.). Существующие в настоящее время преобразователи (датчики) износа инструмента, построенные на базе корреляционной взаимосвязи между износом и вибрацией инструмента, силой и температурой резания, потребляемой мощностью и током электродвигателя привода главного движения станка, не удовлетворяют требованиям но точности, быстродействию измерения, чувствительности, помехозащищенности. надежности технологического оборудования и систем уп-равлспил.

Исследования по созданию преобразователей износа инструмента на основе выявленных взаимосвязей между износом и акустоз-лектрической эмиссией, а также параметрами переменной составляющей теркэ-ЗЛС, показывают их перспективность, но требуют решения слсякнх вопросов помехозащищенности маломощных сигналов в условиях существенной зашумленности производственной среды, в кото-рей находится технологическое оборудование.

Основным недостатком существующих косвенных методов контроля износа является их неработоспособность при изменении условий обработки, обусловленных изменением как наблюдаемых, так и ненаблюдаемых параметров (координат) процесса резания. Поэтому разработка новых методов контроля, способных адаптироваться к изменению режимов обработки, и создание систем оперативной диагностики режущего инструмента является актуальной задачей.

Б работе решаются вопросы разработки новых способов получения текущей информации о протекании процесса механообработки для его оперативного диагностирования, разработки математических моделей и алгоритмов оперативного контроля износа инструмента на базе современных ЭВМ, определении условий их эффективного приме-

нения.

Во второй главе приведена общая концепция исследований, рассмотрены вопросы диагностики состояния режущего инструмента методами распознавания образов и приведен алгоритм автоматического распознавания.

В качестве основной контролируемой (измеряемой) координаты процесса резания, с помощью которой можно косвенно непрерывно измерять параметры износа инструмента, в работе обосновывается использование информации об электропроводимости контакта "инструмент-деталь" (ЭП КИД). Экспериментальные исследования с применением специально созданного измерителя ЭП КИД показали высокую чувствительность к изменении износа. При этом зависимость ЗП КИД от износа инструмента имеет линейный характер.

В работе показано, что для повышения эффективности сбора информации об износе по задней поверхности инструмента №з), необходимо, во-первых, перейти от определения непрерывного интервала ¡13 к дискретным значениям из этого интервала, т.е. классам. Для оператора системы диагностирования необходимо знать несколько значений йз, соответствующих выявленным классам, для оценки интенсивности изнашивания, чтобы определить остаток периода стойкости или произвести коррекцию положения инструмента. Во-вторых, принимать решение о состоянии резца по Факту принадлежности измеренных диагностических параметров заданному классу.

При синтезе системы автоматического распознавания были использован ы способы, с помощью которых описываются и разделяются классы образов. Когда класс характеризуется перечнем входящим в него членов, построение системы распознавания образов основывается на принципе принадлежности к этому перечню.

В.работе для апроксимации функции, характеризующей состояние объекта диагностики, предложено использовать метод потенциальных функций, модифицированный введением функций распределения плотности вероятности. На основе предлагаемого метода разработан алгоритм для нахождения решающей функции. Алгоритм реализован на ПЭВМ, что позволило автоматизировать процесс экспериментальных исследований.

Третья глава посвящена вопросам разработки математических моделей, используемых для диагностики процесса механообработки яаропрочных сплавов на никелевой основе.

Приведены разработанные на базе линейной теории управления

модели_.текущего_ износа инструмента в период приработки и кор-мального изнашивания. Создана самонастраивающаяся модель процесса резания для его оперативной диагностики и контроля, использующая в качестве основного параметра ЭП КИЛ. Рассмотрены вопросы параметрической идентификации разработанных моделей. Разработана математическая модель ЗП КИД, позволяющая уточнить физический процесс формирования ЭП и объяснить взаимосвязь параметров ЭП с другими параметрами процесса резания.

При разработке модели текущего износа инструмента можно воспользоваться линейной теорией управления к представить процесс износа структурно, в виде системы с обратными связями.

При синтезе структуры модели износа в период нормального изнашивания, с учетом физики процесса резания, приняты следующие

■пптттпоитяа тд лгл ппр**с: дииу щ^лиш «1 и^^иипЛ.

1. Рассматривается наиболее реальный, возникаемкй при точении диапазон температур резания 8К>0>80. где 80 - температура резания, соответствующая минимальней интенсивности износа инструмента, 9К ~ температуре резания, соответствующая режиму резания с критическим нзносок, когда высокле температуры резания обусловливают быстрый (катастрофический) износ таструмевтз из-за термопластического разрушения режущего клина.

з рассматриваемом диапазоне температур определ,ящ:м фактором, фортрутя* кзяое инструмента, является температура резания и температура на контактных поверхностях. Поэтому принимаем, что силы резания, оказав свое влияние через механические процессы на формирование начального (приработочного) износа Иэн, влияют на износ в нормальной зоне процесса изнашивания через температуру резания. Механические процессы оказывают существенное влияние только в стадии приработочного износа.

3. Параметры (Р2Н. йзн. бн. соответствующие началу нормального износа инструмента (конец приработки), считаются известными.

4. Износ инструмента по задней поверхности вызывает рост

сил резания (его составляющих), и характер этой взаимосвязи принимается линейным:

ДРг = К2*АЬз , (1)

где К2 - коэффициент пропорциональности, равный тангенсу угла наклона прямой Рг = г(Ьз) к оси Ьз.

5. Рассмотриваемый диапазон температрур резания (81<>8>8о)

позволяет" считать, что фаска износа инструмента играет роль стока тепла из инструмента в заготовку. Количество тепла в зоне резания (контактной зоне) изменяется пропорционально величине ширины фаски износа инструмента йз:

Д8 = КЗ*ДЬз , (2)

где КЗ - коэффициент пропорциональности, коэффициент передачи канала обратной связи по температуре резания.

6. Проведенные в УГАТУ исследования динамических свойств процесса резания показали, что его можно представить в виде апериодического звена с постоянной времени Тп.р.= 0,008 с. Эта величина существенно меньше значений постоянных времени приводов главного движения и движения подачи инструмента металлорежущих станков (Тприв.= 0,04 е.). Поэтому каналы обратной связи по температуре и силам резания принимаются безынерционными.

Согласно принятым допущениям, структура модели имеет вид. представленный на рис.1.

Рис. 1 Структурная схема модели износа инструмента из твердого сплава при точении жаропрочных материалов в период нормального изнашивания.

Под действием начального значения силы ?гя при определенной скорости резания V в зоне КИД в результате преобразования энергии деформации и работы сил возникает тепло и температура резания:

8н = Ко*У*Ргн (3)

При этой температуре формируется определенная интенсивность износа интрумента: .

йз » К1(в - Дв) = К1*в1 (4)

С ростом ширины фаски йз износа инструмента растет и сос-

--------тавляющаяРг силы резания-на величину ДРг = К2*ЛЬ.з. Под лействи---------------------

ем ДР2 увеличивается и количество тепла, выделяющегося в КИД, а, следовательно, и температура в этой зоне. В общем случае, с ростом Ьз растет и температура Д8, поступающая по каналу обратной связи с коэффициентом передачи КЗ (см. уравнение (2)).

В результате анализа описанного взаимодействия было получено заражение зависимости износа инструмента Из (по отношению к 11зн) от времени резания

Ьзсг) = (Р2НК0У ♦ 8н)4е(к1кгкау-кж3).{ _ (5)

(кгкоу - кз) Без учета обратной связи с КЗ:

Пз(1) = Р2НИеК1К2К0У.1 _ 1} (6)

кг

При осуществлении процесса резания с 8~сопз1 (У=уаг, 5=сопз1;): 113(1) = Ргн*Ко*7*К1*г (7)

В последнем случае линейный характер изменения износа подтверждается при точении сплава ХК777Ю? резцом ВК5М (при У>'/о), когда с ростом ииршш фаски износа йз температура резания не меняется. Для поддержания заданного уровня температуры резания скорость V в большей степени уменьшается по мере износа уястру-кента, в, следовательно, и по времени резания. А это по выражению (7) способствует более существенному уменьшению пз(I).

При осуществлении процесса резания с Рг=сспзг ('/=сспзи Б-уаг):

Пз(1) = Р7-НК0У»(1 - е~К1К3') (8)

КЗ

При управлении процессом резания с Рг=сопз1, у-сопв^ общее тепловыделение (Ко*Рг*У=сопз1) остается постоянным, а изменение температуры в зоне резания может происходить за счет изменения соотношения между теплотой, отводимой через контактные поверхности инструмента и заготовки.

При синтезе структуры модели текущего износа инструмента в период его приработки приняты следующие положения и допущения:

1. Процесс приработки рассматривается как структурная прис-посабливаемость контактируемых поверхностей к условиям резания (режим резания, условия охлаждения и т.д.). Структурная приспо-сабливамость является результатом изменения энергетического состояния контактируемых пар за счет изотермического поглащения или выделения ими энергии. Поэтому температуру резания в период при-

работки можно принять неизменной.

2. Процесс "пластического течения" материала в зоне контакта наступает практически мгновенно. В связи с этим, как и для процесса нормального изнашивания, возникающая сплошность контакта препятствует проникновению компонентов внешней среды,

3. Доминирующее влияние на изнашивание инструмента в период приработки оказывают механические процессы (истирающее воздействие у - фазы в отрабатываемом материале, образование и срыв мостиков схватывания).

4. Интенсивный рост сил резания при изотермическом поглощении (или выделении) энергии на контактируемых поверхностях должен приводить в конце приработки к формированию такого темпера-турно-силового режима контактирования, который и будет определять характерную интенсивность износа инструмента з период нормального изнашивания.

5. Время приработки инструмента в несколько раз (при практически применяемых уровнях скорости резания и псдач) превышает продолжительность переходных процессов, возникающих при воздействиях на систему "привод станка - зона резания". Поэтому влиянием последних на процесс приработки пренебрегаем.

Литературный анализ вопросов исследования процесса износа инструмента в период его приработки, позволяют согласно принятым положениям и допущениям предложить структуру модели износа инструмента в рассматриваемый период в виде, показанном на рис.2.

Рис. 2 Структурная схема модели износа инструмента из твердого сплава в период приработки.

В момент 1 = 0 составляющая силы резания Рг0 будет соответствовать износу йз = 0, уровень которой будет определяться процессами деформации и среза материала в области сдвига.

В среднем коэффициент Кр изменяется обратно пропорционально изменению силы Ргпр=Рг0+ЛРг. Это. а также установленная теорией

-и-практикой---резания-металлов незначимость влияния - механических

процессов на износ инструмента в диапазоне применяемых скоростей резания, позволяют звено с Кр представить в виде реального дифференцирующего звена:

Кр(р) = Крнач*Г*р/(Т*р+1) . (9)

где Кр'Кркач, определяемое как начальное значение коэффициента передачи при ступенчатом входном воздействии, его размерность [мкм/м*н], Т,С -постоянная времени звена.

Гамм образом, коэффициент Кр, определяющий интенсивность износа инструмента, з конце приработки (в соответствии о (9)) уменьшается до несущественной величины.

Коэффициент К2, определяющий интенсивность нарастания сил резания с износом инструмента, определяется как и для периода нормального изнашивания.

На основе анализа структурной схемы (рис.2) было получено выражение зависимости износа инструмента йз от времени резания ъ в период приработки:

пз1Тр - рг0»кр»у*т'*(1 - ехр (- г/Т')) . '1С)

где Г' = Т/Ц - Кр*К2*;/*Т)

2ля аналитического расчета приращения износа инструмента по полученным коделям были получены выражения для определения величин коэффициентов Ко,К1,К2,КЗ,Ко, координаты, характеризующие конец процесса приработки.

На основе анализа разработанных моделей текущего износа и экспериментальной проверки адекватности этих моделей, с учетом принятых при разработке допущений, был сделан вывод о характере взаимодействия теялоЕых и механических явлений в процессе изнашивания инструмента. Так, в соответствии с принятыми допущениями, которые в дальнейшем были подтверждены совпадением расчетных и экспериментальных зависимостей по моделям (5-8) и (10), в период поирабстки доминирующее влияние на процесс изнашивания оказывают механические процессы, а в период нормального изнашивания - тепловые процессы, через которые оказывают свое влияние все внешние и внутренние факторы воздействия (адгезия, диффузия, фазовые превращения, разупрочнения, химические, усталостные явления и др.).

Создание систем диагностирования и автоматического управления процессом резания по износу инструмента требует его структурной и параметрической идентификации.

На основе анализа аналитических зависимостей ЭП КИЛ обоснована линейная структура самонастраивающейся модели процесса резания

У=Су0+Су1Ьз . (И)

где У - выходная (измеряемая) координата процесса резания (ЭП КИД); Су0 и СУ1 - коэффициенты, определяемые в процессе резания.

определен характер зависимости параметров модели Су0. Су1 от основных параметров объекта идентификации - подачи (Б), главного угла режущего инструмента в плане (ч>). глубины резания (и, твердости заготовки (Нв). Доказано, что предложенная структура модели по сравнению с известными позволяет:

1) упростить процесс определения параметров модели при изменении наблюдаемых входных координат объекта (Б. ф), информация о которых доступна из стойки ЧПУ;

2) предложить новые алгоритмы определения параметров модели яри изменении ненаблюдаемых (информация о которых недоступна) координат объекта (г. Нв) с использованием величин составляющих выходной координаты по передней и задней поверхностям инструмента.

Идентификация параметров модели производилось на примере точения деформируемых жаропрочных сплавов на никелевой основе.

На основе проведенных экспериментов предложены:

1) алгоритмы определения начальных значений параметров модели, основанные на непосредственном измерении составляющих выходных координат по передней и задней поверхностям (У„, У3) при врезании в заготовку инструмента с искусственно созданной фаской износа;

2) экспериментальные зависимости для расчета износа инструмента по окончании периода приработки, позволяющие определить параметр Су0 модели для неизношенного инструмента.

Параметр Су0 равен составляющей выходной координаты по передней поверхности инструмента (Уп). Определение составляющей Суо производится путем измерения значения выходной координаты сразу после врезания инструмента в заготовку, так как вторая составляющая Уз=СУ1Ь3 при этом будет близка по величине к нулю. Но это условие при обработке труднообрабатываемых материалов может не выполняться, т.е. в конце врезания ьз>0; кроме этого для электропроводимости контакта "инструмент-деталь" Сз>0 при 113=0.

Определены погрешности.измеренияпо Рг к Эй. КИД_в-этих уело-—

виях. Разработаны методы, компенсирующие эти погрешности.

Разработка новых методов идентификации процесса резания по модели износа должна быть связана с изучением и использованием высокой информативности начальных стадий процесса резания (врезание и период приработки инструмента). Определена методика параметрической идентификаций модели (11) по информациям■этих процессов как в условиях раздельного изменения векторов входных координат, так и при одновременном их изменении.

Знание координат параметров окончания процесса приработки (Р2н. *1зн. ^ позволяет эффективно решать задачи текущей

идентификации параметров модели (И) и работу с самонастраивающейся моделью в системах диагностирования состояния режущего инструмента. Действительно, при неизменных входных координатах объекта и известном параметре Су0 = вп, составляющая выходной координаты йз в любой момент времени может быть определена из зыракения:

Уз = У - Су0 . (12)

Для расчета Су1 используется выражение:

СУ1 - Уз/Пз = (У Су0)/"3 , (13)

и подставляется значение Пз = Ьзн.

На основе применения методов математического планирования эксперимента получены зависимости, определяющие координаты процесса приработки (использован полный факторный эксперимент, дополненный до симметричного трехуровневого плана второго порядка):

Пзн = 0,080С) '3-V"0•2 , (14)

. 1„ = 69С](' • V)■3 , " (15)

Пзн = 113Н/1Н - (4+0,27К')10"6 , (16)

где Ьзн- интенсивность изнашивания инструмента в конце прироботки;

1Н - путь резания до окончания процесса приработки;

V - интерметаллидная фаза состава (N13(Т1,А1)] в %-ах;

V - скорость резания в м/мин.

Выявлена незначимость влияния таких факторов, как Б, Ь, <р на ЬэН- Последнее существенно упрощает методику определения Зависимости (14) и (15) позволяют определить соответствующие координаты для целой группы жаропрочных сплавов на никелевой основе ОС - Фаза является определяющим фактором в период приработки

процесса износа инструмента при обработке этих сплавов).

Показано, что при одном известном параметре, модели для ступенчатого изменения входной координаты, второй параметр может быть определен на основе метода замороженных коэффициентов. Причем в качестве замораживаемой величины может использоваться ширина фаски износа й3 или ее площадь Бй (если изменяется длина режущей кромки инструмента).

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований теоретических зависимостей, полученных в настоящей работе, а также проверка эффективности использования ЭП НИД в автоматизированных системах контроля и диагностики состояния режущего инструмента. Для проведения экспериментальных исследований был разработан измерительно-вычислительный комплекс, позволяющий регистрировать в реальном масштабе времени сигналы, поступающие из зоны резания, с сохранением их в базе данных для дальнейшей статистической обработки. Комплекс включает в себя автоматизированную систему сбора и обработки информации, а также мощный источник тока для получения информации об ЭП КИД в зависимости от входных координат (параметров) процесса резания. Кроме того, в данной главе приведены результаты проверки адекватности модели текущего износа твердосплавного инструмента при обработке жаропрочных и труднообрабатываемых материалов, экспериментальные исследования эффективности алгоритма идентификации параметров самонастраивающейся модели процесса резания, и эффективности определения текущего износа инструмента по ЭП КИД.

В настоящей работе для измерения ЭП КИД на стадии экспериментальных исследований был использован источник постоянного тока непрерывного действия, что позволило исключить влияние различных реактивных сопротивлений на пути протекания тока и получить информацию об ЭП по передней и задней поверхности режущего инструмента.

При разработке системы измерения ЭП КИД для производственных условий необходимо было создать источник тока, имеющий стабильные выходные характеристики и оказывающего минимальное влияние на процесс резания. В качестве такого источника тока был выбран импульсный преобразователь, работа которого синхронизирована с обработкой полученной информации в микро-ЭВМ. При достаточном быстродействии применяемой микро-ЭВМ удается дополнительно обработать информацию, поступающую с других датчиков (напри-

__ мер, терме-здс)----------------------- ---------- ---------------------------------------- —

Приведены результаты технологических исследований по изучению взаимосвязи ЗП КИД и основных параметров процесса резания. При точении всех исследованных материалов, в диапазоне скоростей, при которых отсутствует явление наростообразования, наблюдается снижение проводимости с увеличением скорости. При скоростях, равных и вьгле оптимальной по интенсивности износа инструмента скорости резания Уо, наблюдается стабилизация степени изменения электропроводимости ДЗ с увеличением скорости резания.

Скорссть резания оказывает воздействие на ЭП КИД как геометрический и как температурно-скоростной фактор. Как геометрический фактор скорость проявляет себя через воздействие на изменение сечения стружки с передней поверхностью инструмента и деталью дпс, в качестве которой принимается площадь условной поверхности сдвига. Как температурно-скоростной фактор, скорость проявляет себя через изменение температуры резания 8 и усадки стружки £. Температура резания определяет уровень удельных "•ксгропровошкстей инструментальных и обрабатываемых материала з зеке контакта. Наиболее существенно изменяются удельные электропроводимости глотрументалышх материалов в диапазоне от 300...7СЗ°С, т.е. в диапазоне скоростей У<У„. При температуре больше 700°С электропроводимости рассматриваемых материалов изменяются несущественно.

Совместнее действие геометрического и температурно-скорост-ного фактора приводит к стабилизации интенсивности изменения ЗП КИД по скорости резания при работе в диапазоне температур, равней или еже оптимальной по интенсивности износа инструмента. Знание начального значения параметрической стабилизации интенсивности изменения ЭП КИД позволяет использовать это явление в системах управления процессом резания для автоматического определения оптимальной скорости Ч9, что обеспечивает научно обоснованную интенсификацию процессг резания (работа на экономической скорости резания).

Интенсификация процесса механообработки, в соответствии с поставленной в настоящей работе целью, осуществлена за счет повышения эффективности обработки резанием труднообрабатываемых материалов путем оперативной диагностики процесса резания и режущего инструмента, что сказывается в основном на:

1) увеличении производительности механообработки (резание

на скорости У>У0, У0 определяется по моменту наступления условия ДС/ДУ=сопз1, где ДС и ДУ - соответственно приращение ЭП- КИД и скорости);

2) увеличении надежности наиболее слабого звена станочной системы - режущего инструмента (РИ), при увеличении мощности (интенсивности) резания, благодаря наличию контроля за состоянием РИ, и возможности управления интенсивностью износа РИ, что позволяет:

- сократить расход инструмента за счет более полного использования его режущих свойств;

- сократить простои станочного модуля за счет сокращения поломок РИ и сокращения брака изделий благодаря своевременной замене изношенного РИ;

3) сокращении времени на подготовку производства при использовании новых инструментальных и обрабатываемых материалов (предварительное определение параметров процесса резания по разработанным моделям изнашивания, автоматическое изменение режима обработки при использовании самонастраивающейся модели резания).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Обоснована интенсификация процесса механообработки труднообрабатываемых материалов за счет повышения эффективности обработки путем оперативной диагностики процесса резания и ревущего инструмента.

2. Уточнена взаимосвязь и зависимость параметров износа инструмента от электрических параметров процесса резания. Разработаны алгоритмы и методика определения текущей информации об износе инструмента с использованием электрического параметра процесса резания - электропроводимости КИД. Установлено, что при температурах резания, равных и выше оптимальной по интенсивности износа режущего инструмента, наблюдается стабилизация интенсивности изменения электропроводимости КИД по скорости резания. Знание начального значения параметрической стабилизации интенсивности изменения электропроводимости. КИД позволяет научно обоснованно осуществлять интенсификацию процесса резания.

3. Разработана модель текущего износа режущего инструмента из твердого сплава при обработке жаропрочных материалов. На основе структурной и параметрической идентификации модели уточнен характер взаимодействия тепловых и механических явлений в про-

цессе изнашивания инструмента. Показако,_ что механические.про-, цессы оказывают доминирующее влияние на износ инструмента в период его приработки, а з период нормального изнашивания - тепловые процессы, через которые оказывают свое влияние все внешние и внутренние факторы.

4. Разработана математическая модель процесса резания для оперативного контроля износа режущего инструмента при обработке жаропрочных материалов, использующая текущую информацию об электропроводимости КИЛ. Предложены и исследованы способы идентификации параметров модели при изменении условий обработки. Реализованы алгоритмы диагностирования состояния режущего инструмента, позволяющие повысить эффективность функционирования станочной системы.

5. На основе разработанных методик и алгоритмов оперативной диагностики состояния режущего инструмента, основанных на взаимосвязи параметров износа инструмента с электрическими параметрами процесса резания, создан промышленный образец диагностического модуля. Созваны ::рзмыаленнь:е образцы источника тока да» измерения электропроводимости НИЛ.

6. Внедрение системы оперативного контроля состояния процесса резания и режущего инструмента с использованием информации об электропроводимости КйД позволило интенсифицировать процесс чистового и получистового точения жаропрочных материалов за счет позьиения производительности, технологической надежности зтаноч-ной системы, сокращения сроков технологического освоения производства новых деталей и уменьшения расхода инструментального материала.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Зориктуев в.Ц., Хузин И. С. Диагностика процесса резания /Технология механообработки: физика процессов и оптимальное управление. Тезиса докладов международной конференции. Часть 2. Уфа, 1994,- с. 14

2. Зориктуев В.Ц., Никитин ю. А., Хузин И.С. Автоматизированная система контроля технологических процессов механообработки/Технология механообработки: физика процессов и оптимальное управление. Тезисы докладов международной конференции. Часть2. Уфа, 1994.- с. 25

3. Никитин Ю. А., Хузин И.С. Диагностика станочных систем механо-

обработки//Проблемы механики и управления: Сб. научных трудов УНЦ РАН. Уфа. 1994.- С. 117-123

4. Зориктуев В.Ц., Хузин И. С. Математическая модель электрической проводимости контакта "инструмент-деталь"//Яроблемы механики и управления: Сб. научных трудов УНЦ РАН. Уфа, 1994. -с. 171-181

5. Зориктуев В. Ц., Хузин И. С. Управление и диагностика процесса резания с использованием текущей информации об электропроводимости контакта "инструмент-деталь". Республиканский межведомственный научно-технический сборник "Современные технологии изготовления и сборки изделий". С-Петербург, 1995 - с. 35

6. Зориктуев В.Ц., Никитин Ю.А., Хузин И.С. Моделирование текущего износа инструмента при обработке жаропрочных сплавов. /Автоматизированные технологические и мехатронные системы. Сборник научных трудов- Часть 1. Уфа, 1997 г.- с.53-56

7. Никитин В.А., .Хузин И.С., Ильин А.Н. Комплексная оценка состояния режущего инструмента //Автоматизированные технологические и мехатронные системы. Сборник научных трудов - Часть 1. Уфа, 1997 г.- с. 132-133

8. Параметрическая идентификация процесса резания при обработке жаропрочных материалов. //Зориктуев В.Ц., Хузин И.С., Ильин А.Н., Месягутов И. Ф. /Автоматизированные технологические и мехатронные системы. Сборник научных трудов - Часть 1. Уфа, 1997 г. - с. 151-152

9. Хузин И. С. Разработка систем оперативного контроля состояния инструмента при механообработке жаропрочных материалов //Развитие производственных технологий в ВУЗах России. Сборник научных трудов. - Липецк: Липецкое издательство, 1997 г. - с. 108-109

10. Хузин И. С. Современное состояние производства на предприятии "Гидравлика" /Автоматизированные технологические и мехатронные системы. Сборник научных трудов-Часть 2. Уфа. 1997 г,-с. 3-5

11. Хузин И. С. Разработка математической модели процесса резания для контроля износа режущего инструмента. /Автоматизированные технологические и мехатронные системы. Сборник научных трудов - Часть 2. Уфа, 1997 г. - с, 5-7

ХУЗ'ЛН ИРЕК САКТОВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МЕХАНООБРАБОТКИ ПУТЕМ

ОПЕРАТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ СТАНОЧНОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05,03. 01 - Процессы механической и

физико-химической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации ка соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛР №020253 от 08.06,98 Подписано к печати 01.07.93. Формат 80 х 64 1/16. Бумага писчая. Печать плоская. Усл. печ.л. 1.0. Усл. изд. л. 0,9. Тира.« 100 экз. Заказ Бесплатно. Уфимский государственный авиационный

технический университет. Уфимская типография М2 Министерства печати и массовой информации Республики Башкортостан. 450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12.