автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование процесса тонкого гравирования и создание системы мониторинга состояния режущего инструмента

На правах рукописи

КОЗЛОВ Андрей Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТОНКОГО ГРАВИРОВАНИЯ И СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование

для механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА2004

Работа выполнена в исследовательский институт «ЭНИМС»)

ОАО «Экспериментальный научно-металлорежущих станков» (ОАО

Научный руководитель

- доктор технических наук, ведущим научный сотрудник М.П. Козочкин

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Кандидат технических наук, доцент

А. В. Ривкин

Г.Г. Позняк

Ведущая организация:

ОАО «Московский завод координатно-расточных станков»

Защита состоится 24 декабря 2004г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 520.002.01 при ОАО «ЭНИМС» по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, 5-й Донской проезд, д.21б

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке

ОАО «ЭНИМС»

Автореферат разослан 23 ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

!.М. Гришин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Обработка металлов с помощью лезвийного режущего инструмента (РИ) не только не вытесняется из арсенала финишной обработки, но и теснит такие технологии как шлифование. Появились новые технологии: сухая обработка, высокоскоростная обработка, твердое точение. Постепенно переходит в разряд станочных технологий обработки лезвийным РИ процесс получения металлографических форм, который еще недавно широко опирался на ручной труд высококвалифицированных художников -граверов. Тонкое гравирование (ТГ) на станках с ЧПУ - совершенно новое направление, которое еще не успело отработать оптимальные технологические параметры и конструктивные формы. Это делает актуальными исследования природы взаимосвязи процессов в зоне пластического деформирования с генерируемыми сигналами и силовыми характеристиками, что особенно важно в связи с перспективой создания систем автоматического мониторинга и систем с элементами адаптивного управления. Работы в этом направлении позволят усовершенствовать технологию и повысить конкурентоспособность оборудования, приоритет на которое принадлежит России. Создание систем автоматического мониторинга позволит улучшить условия труда оператора, которому в настоящее время приходится вести наблюдение за съемом микронных стружек.

Цель работы - совершенствование технологического процесса тонкого гравирования за счет системы мониторинга процесса резания, повышения автоматизации процесса.

Задачи исследования:

а. Исследовать механизм возникновения силовых и виброакустических (ВА) сигналов при ТГ, выявить особенности отображения в характеристиках этих сигналов таких функциональных параметров процесса резания, как износ и поломки РИ, режимов резания, характеристик обрабатываемого материала и снимаемой стружки.

б. Разработать математическую модель процесса ТГ относительно генерируемых сигналов и с ее помощью проверить гипотезы о природе возникновения этих сигналов.

в. Оценить возможность использования характеристик генерируемых при гравировании сигналов для диагностики и мониторинга состояния процесса резания, определения моментов возникновения предельного износа РИ и его поломок.

г. Исследовать влияние мест расположения первичных преобразователей на упругой составляющую характеристик р<

смпЁМ^шгеиняыийинформативную

гистр^^ДШ1^Р^налф относительно С* Петербург / О»

состояния процесса резания. Разработать рекомендации по рациональному расположению первичных преобразователей на станке для реализации системы мониторинга в производственных условиях.

д. Разработать алгоритмы диагностирования функционального состояния процесса гравирования и математическое обеспечение для обработки сигналов на стадии экспериментальных исследований и в составе системы мониторинга.

е. Разработать техническое задание на систему контроля, диагностики и принятия решений для создаваемых станков для ТГ.

ж. Оценить требования к первичным преобразователям, входящих в систему контроля и диагностики.

Методы и средства исследования: теоретические исследования выполнены на основе методов динамики станков, аппарата виброакустической диагностики, механики процесса резания и физики твердого тела с использованием теории дифференциальных уравнений, теорий вероятностей, с применением компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования выполнены в производственных условиях на станке-стенде мод. МА6465СМФ4 на фабрике ГОЗНАК и в лаборатории ОАО «ЭНИМС». В процессе экспериментальных исследований применялись аттестованные средства измерения с использованием современной вычислительной техники, с компьютерной обработкой результатов.

Научная новизна работы заключается в:

выявлении на основании теоретических и экспериментальных исследований отличительных особенностей в формировании ВА сигналов и переменных составляющих силы резания на сверхнизких скоростях и глубине резания при ТГ; определении причин импульсной природы ВА сигнала и переменной составляющей силы резания при ТГ, заключающихся в существовании процессов движения и торможения дислокационных скоплений, вызывающих скачкообразное движение микро- и макротрещин в зоне пластических деформаций, формирующих элементы стружки; построении математической модели замкнутой динамической системы процесса ТГ, где учитывается случайный характер моментов релаксаций упругой энергии в зоне пластической деформации, адекватность которой подтверждена сравнением с экспериментальными данными;

установлении того факта, что случайная природа импульсов ВА сигнала при ТГ связана с соизмеримостью зоны пластических деформаций с размерами зерен обрабатываемых поликристаллических материалов, с анизотропией самих

кристаллов, со случайной ориентацией кристаллографических осей зерен материала и неоднородностью дислокационных полей в кристаллах;

выявлении характеристик сигналов, сопровождающих процесс ТГ, которые могут быть использованы в качестве диагностических, в определении условий их эффективного использования, для контроля износа и поломок РИ;

определении допустимых вариантов диагностических сигналов и мест размещения первичных преобразователей на станке для ТГ в зависимости от используемых режимов резания и обрабатываемых материалов, в предложении оригинальной конструкции щупа для съема ВА сигнала с вращающегося РИ;

разработке алгоритмов обработки диагностических сигналов, сопровождающих процесс ТГ, и принятия решений о регистрации координат РИ, его замене или переточке/

Практическая ценность и реализация результатов работы:

проведенные исследования позволили выявить основные закономерности отображения состояния РИ при ТГ в характеристиках диагностических сигналов, таких как ВА сигнал и сила резания. Даны рекомендации по выбору технических решений относительно установки первичных преобразователей на станке из числа встречающихся в мировой практике и тех, которые можно реализовать своими силами. Разработано техническое задание на систему мониторинга для модернизируемых и вновь создаваемых станков для ТГ. Техническое задание передано на фабрику ГОЗНАК. Разработанное для проводимых исследований математическое обеспечение для обработки контролируемых при резании сигналов было использовано в созданном в отделе №12 ОАО «ЭНИМС» мобильном диагностическом комплексе для контроля сложных технологических процессов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 5-ой юбилейной международной выставке «Машиностроение 2003», тема доклада «Оснащение машиностроительных предприятий мобильными

вибродиагностическими комплексами» 17 сентября 2003г.; на кафедре «ТТМ» МГТУ «СТАНКИН» «Разработка системы виброакустической диагностики для гравировального станка», 2004 г.; основные разделы технического задания на систему диагностики изложены в отчете по теме «Поисковые работы по созданию виброакустических средств наблюдения за износом резцов. Техническое задание на устройство для автоматического определения координат поломки резца».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы и отчет.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований и 2-х приложений. Содержит 175 страниц основного текста, 34 рисунка, 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблем мониторинга процесса резания и состояния РИ на станках с ЧПУ вообще и на станках для ТГ в частности.

В первой главе описаны особенности процесса резания при изготовлении гравюр металлографских форм методом строгания. Эти особенности определяются требованиями к гравюрам: ширина элементов гравюры от 20 до 2000 мкм и более; глубина элементов от 5 до 120 мкм; ширина и глубина гравюры независимо варьируются; отклонение в топографии рисунка не более 2 мкм; сохранение правильности формы линий при их пересечении под любыми углами; отсутствие на границах элементов округлений и заусенцев; отсутствие повреждений чистой (пробельной) поверхности.

В ОАО «ЭНИМС» был разработан станок, удовлетворяющий упомянутые требования к гравюрам, на базе станка мод. МА6465 СМФ4. Реализованная технология (создавалась под руководством профессора М.А. Эстерзона) по целому ряду показателей превосходит существующие способы изготовления металлографских форм: многоступенчатое и ионно-лучевое травление, двухступенчатая лазерная обработка и т.п. В настоящее время эта технология успешно применяется на фабрике ГОЗНАК, параллельно ведутся работы по созданию более совершенной модели станка с расширенными технологическими и функциональными возможностями.

Используемые материалы и требования к гравюре (рис.1) определили применяемую в настоящее время скорость резания от 400 до 10 мм/мин и даже ниже при глубине редко превышающей 25 мкм. Это привело к созданию РИ оригинальной формы и создало ряд трудностей при контроле диагностических сигналов. При таких режимах и таком инструменте поломка РИ происходит без заметных внешних признаков, свойственных обычному резанию. Более того, если не заметить поломку РИ, то поиск того места, с которого того места, с которого надо продолжить обработку представляет сложную задачу, требующую долгой кропотливой работы и большого опыта оператора. Износ РИ может приводить к снижению качества обработанной поверхности и к выдавливанию металла на уровень пробельной плоскости, вызывая брак изделия. Эти факторы и

заставили начать поиск путей автоматизации мониторинга состояния РИ

Сложность создания системы диагностики РИ при ТГ, основанной на активных методах контроля во многом связана с отсутствием исследований отображения характеристик процесса резания на таких режимах в различных видах диагностических сигналов. Исследования процесса резания на таких низких режимах можно встретить только в работах середины прошлого века, проводившихся под руководством В.Д.Кузнецова, A.M. Розенберга, Н.Н. Зорева и др. с целью изучения механики процесса резания. Но эти работы не ставили задач диагностики, поэтому не содержат всей необходимой информации.

Далее в первой главе делается обзор существующих методов контроля РИ. Рассмотрены оптические датчики и датчики шероховатости, контактные датчики и датчики диэлектрического поля, рассмотрен контроль износа РИ по времени резания и по электрическому сопротивлению, пневматические и температурные датчики, а также методы мониторинга процесса резания, опирающиеся на контроль параметров, пропорциональных силе резания, и контроль ВА сигналов из зоны резания. После анализа достоинств и недостатков по отношению к задачам ТГ были признаны наиболее перспективными последние два метода. Эти методы широко исследовались и применялись при создании систем адаптивного управления, контроля и диагностики РИ на станках с ЧПУ, входящих в ГАП и ГПМ. Эти исследования проводились под руководством таких ученых как В.Н. Подураев, В.Л. Заковоротный, П.И. Ящерицын и др., в них принимали участие коллективы исследователей из МГТУ им. Баумана, МГТУ «СТАНКИН», ЦНИИТМАШ'а. Эти работы широко велись в различных отделах ЭНИМС'а.

На основании анализа требований к гравюрам, существующей технологии обработки, диапазонов режимов резания и анализа существующих методов контроля и диагностики РИ были сформулированы изложенные выше основные задачи работы.

Рис.1 Режущий инструмент, применяемый при станочном гравировании

Во второй главе описываются предварительные исследования процесса ТГ на станке в производственных условиях и определяются направления дальнейшей работы. Задачи, которые ставились на данном этапе были такие:

• создать мобильный диагностический комплекс, состоящий из универсальной аппаратуры, компьютера и программного обеспечения для регистрации в производственных условиях различных сигналов от процесса резания, их обработки и анализа;

• оценить связь ВА сигнала с режимами резания, используемыми при тонком гравировании (ТГ);

• определить наилучший по соотношению сигнал/шум частотный диапазон для контроля ВА сигнала;

• определить возможные варианты расположения акселерометров на упругой системе станка;

• оценить характер отображения поломок РИ в параметрах ВА сигналов.

Исследования этого раздела позволили сделать следующие выводы и определить направления дальнейших работ:

• На базе универсальной аппаратуры, присоединяемой через АЦП к портативному компьютеру, был создан мобильный диагностический комплекс и соответствующее программное обеспечение, позволяющий оперативно в производственных условиях собирать информацию с первичных преобразователей, устанавливаемых на станке, и обрабатывать ее с целью оценки информативности контролируемых сигналов.

• В процессе экспериментов было установлено, что ВА сигнал при ТГ носит импульсный характер. Частота импульсов не стационарная, количество импульсов имеет порядок до 40 шт/сек. Амплитуда импульсов носит случайных характер с широким динамическим диапазоном, превышающим уровень существующих помех до 40 и более дБ (при скоростях резания более 100 мм/мин). Было сделано предположение, что эти импульсы определяются процессами отделения элементов стружки. Была поставлена задача уточнения природы возникающих импульсов с помощью математического моделирования и дополнительных экспериментов в лабораторных условиях.

• Эксперименты показали, что и глубина резания и скорость резания влияют на амплитуду и плотность импульсов ВА сигнала, что должно учитываться в системе мониторинга.

• Правильный выбор частотного диапазона ВА сигнала позволяет улучшать соотношение сигнал/шум. Октавная полоса с СГЧ

4 кГц дала наилучшие результаты во всех экспериментах. Однако изменение конструкции станка, устранение существующих помех может изменить положение оптимального частотного диапазона.

• При скоростях резания выше 100 мм/мин допускается расположение акселерометра в любой удобной точке стола, где устанавливается заготовка. При меньших скоростях резания возникла

ситуация, когда ВА сигнал становится настолько малым, что его невозможно выделить на фоне электромагнитных помех, сопровождающих работу станка-стенда. В результате было принято решение о расширении исследований в лабораторных условиях для выяснения возможности установки акселерометра со стороны РИ, а также оценить возможность контроля состояния РИ по силовым характеристикам процесса резания.

• В процессе экспериментов было установлено, что поломка РИ

при ТГ могут иметь два варианта. Первый вариант был назван «медленная» поломка (рис.2), происходит в результате последовательного отделения нескольких кусков РИ до тех пор, пока РИ не потеряет контакт с заготовкой. Второй вариант, названный «быстрой» поломкой (рис.3), происходит в результате одномоментного скола РИ в размере, превышающем глубину резания. Быстрые поломки сопровождаются мощным ВА сигналом, который на ЗОдБ и более превышает фон, создаваемый процессом резания. Медленные поломки, наблюдавшиеся в эксперименте, также сопровождаются повышением амплитуды импульсов, но механизм их таков, что рост амплитуды в эти моменты может быть малозначительным. И быстрая и медленные поломки заканчиваются исчезновением полезного ВА сигнала, что может служить общим диагностическим признаком. амплитудный диапазон убывание ВА сигнала помех до уровня помех

Рис.2 Пример ВА сигнала при «медленной» поломке РИ

Рис.3 Пример ВА сигнала при «быстрой» поломке РИ

Третья глава посвящена построению математической модели процесса ТГ, ее решению и выявлению физической природы импульсного характера ВА сигнала, сопровождающего резание.

На начальном этапе была составлена простейшая модель, представляющее собой линейное дифференциальное уравнение второго порядка с правой частью в виде серии периодических импульсов, форма которых показана на рис.4. Форма импульса была выбрана в соответствии с тремя стадиями отделения элемента стружки: нагружение, пластическое течение, скол элемента. В упрощенной

модели импульсы были взяты одинаковыми и строго периодическими. Это позволило найти решение уравнения в аналитическом виде. Для того, чтобы не прибегать к сглаживанию импульса вынуждающей силы, поиск решения осуществляется с помощью разложении вынуждающего импульса на простейшие составляющие и применения интеграла Дюамеля:

где W(t) - импульсная переходная функция, отклик системы на импульсную функцию Дирака.

Анализ решения показал, что упрощенная модель дает при больших коэффициентах демпфирования периодическое решение в виде импульсов с одинаковой амплитудой, затухающих на собственной частоте динамической системы. Результаты такого упрощенного моделирования показали, что моделирование с помощью одномассовой динамической системы вполне оправдано - частота следования импульсов гораздо ниже собственных частот упругой системы, а затухание импульсов происходит на одной собственной частоте РИ.

пластических деформаций при ТГ ( - углы начальной и конечной границы зоны пластической деформации).

В результате анализа результатов дальнейших попыток

улучшить динамическую модель процесса ТГ были сделаны выводы, что для построения адекватной модели необходимо учитывать следующее: а) сила резания возникает в результате взаимодействия упругой системы с процессом резания внутри замкнутой динамической системы; б) модель должна учитывать анизотропию и неоднородность кристаллитов, проходящих через зону пластических деформаций. Последний вывод связан с тем, что малые глубины резания при ТГ ведут к тому, что в зоне пластических деформаций может находиться одно или несколько зерен (рис.5), ориентированных случайным образом относительно своих кристаллографических осей.

Х(0 = \Р(т)Ш{1-т)с1т,

с

--►

Рис.4 Форма силовых импульсов в простейшей модели.

Рис.5 Особенности прохождения кристаллических зерен через зону

На рис. 6 показана структурная схема динамической модели процесса ТГ. Замкнутая динамическая система была составлена из реологических моделей: упругая система в виде модели Кельвина, процесс резания в виде модели Прандтля (рис.7). Неоднородность и анизотропия, возникающие в зоне пластических деформаций, учитывались заданием критических напряжений в виде случайной величины со свойственным законом распределения. Дополнительно в модель была введена установленная из экспериментов зависимость демпфирования от силы резания. Правая часть нелинейного дифференциального уравнения формировалась так:

^скорость стола, Г- момент пластического сдвига, Х=Уи,мер, То" случайная величина, соответствующая времени прохождения зазора после сдвига; -значение силы, соответствующей предельному напряжению.

Исследование синтезированной модели осуществлялось численными методами с помощью компьютера в среде SimuИnk. Данные для численного поиска решения определялись в результате динамических испытаний на стенде. Схема модели в среде Simulink показана на рис.8. Полученная на модели картина импульсов качественно хорошо имитирует результат натурных экспериментов(рис. 9). Адекватность модели оценивалась сравнением амплитудных распределений после моделирования и эксперимента по критерию согласия А.Н.Колмогорова. Сравнение дало положительный ответ. Было также установлено, что характер закона распределения импульсов ВА сигнала в значительной степени определяется законом распределения критических напряжений при пластических деформациях. Заключительная часть главы была посвящена исследованию причин импульсной природы ВА сигналов при ТГ. Впервые скачкообразная деформации кристаллов отмечались в ЗО-е годы в лаборатории А.Ф. Иоффе, но и до сих пор полной ясности с картиной пластических деформаций в металле нет. Пластическая деформация при резании металла протекает в результате зарождения множества дислокационных полос скольжения, их перемещения и торможения.

Рис.6 Структурная схема динамической модели процесса ТГ: У(1) -кинематически задаваемое смещение, формирующее скорость резания; УрСЗ - смещение за счет упругих пластических деформаций в зоне резания; Уизмер - контролируемое смещение РИ; Рре, - сила резания.

Рис.7 Реологическая модель динамической системы процесса ТГ.

Рис.8 Схема модели в среде 81шиНпк

и

Рис 9 Сравнение натурных экспериментов и моделирования в среде Simulink

Уже при относительной деформации 0,07-0,09 в металле обнаруживаются микротрещины, количество которых растет с увеличением напряжения При достижении критической степени деформаций формируется магистральная трещина,

распространяющаяся со скоростью, соизмеримой со звуковой ВА сигнал возникает не во время распространения трещины, а в момент начала движения, когда преодолевается блокирующий барьер и происходит релаксация накопленной упругой энергии, малая доля которой переходит в ВА сигнал. Т.о., магистральная трещина может формироваться не одним броском, а в результате нескольких скачков и остановок у препятствий, в качестве которых могут быть границы сильно разориентированных зерен, пересечение полос скольжения, внешние поверхности, фазовые включения и т.п Возникающие барьеры являются одновременно причиной упрочнения обрабатываемого материала, поэтому для их преодоления требуется предварительное накопление упругой энергии. Преодоление препятствий сопровождается потерей устойчивости, регистрируемой в виде импульсов ВА сигналов, амплитуда которых соответствует энергетике препятствия. Следовательно, отделение элемента стружки может происходить в результате многоскачкового движения трещины, где ВА импульсы не совпадают с моментом отделения элемента Изучение под микроскопом элементов стружи при ТГ показало, что сами элементы имеют фрактальный характер за счет множества микротрещин, пронизывающих их объем (рис.10) На рисунке видно, что несмотря на значительный разброс периодичность структуры элементов просматривается Это может объясняться склонностью хаотически расположенных полей дислокации к самоорганизации и образованию ячеистых субструктур

Рис 10 Фрактальный характер элементов стружки а) чугун СЧ25,б) алюминиевый сплав Д16Т в) латунь Л63 (эскизы с микроскопических снимков)

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям информативности характеристик силовых и ВА сигналов при ТГ в лабораторных условиях. Экспериментальный стенд был сделан на базе токарного станка, где обработка, имитирующая процесс ТГ осуществлялась вдоль цилиндрической образующей заготовок из различных материалов. Применялись латунь Л63, алюминиевый сплав Д16Т, чугун СЧ25. Расположение на стенде аппаратуры, 2-х акселерометров и датчика деформаций РИ. Акселерометры устанавливались на РИ (показано на рис.11) в 2-х взаимно перпендикулярных направлениях: осевом (по направлению скорости резания) и радиальном. Осевая сила резания определялась по величине деформаций РИ.

Рис 11 Схема расположения аппаратуры на стенде

Поскольку ВА сигнал носил характер случайных импульсов, в качестве одной из его характеристик использовалось амплитудное

распределение импульсов Контролировалось также среднее квадратическое значение (СКЗ) ВА сигнала и пик-фактор (отношение пикового значения к СКЗ) Оценивались и другие факторы, например, коэффициент ассиметрии, эксцесс, но они были отвергнуты из-за их нестабильности. На рис.12 показаны типовые амплитудные распределения при обработке латуни (12.а) и чугуна (12.6). Для латуни, являющейся твердым раствором, более свойственно амплитудное распределение, напоминающее равномерное. Для чугуна, имеющего в своем составе зерна феррита и перлита характерно распределение с двумя максимумами, т.е. каждая фаза генерирует характерные для нее случайные импульсы. Для алюминиевого сплава, характеризующегося большой пластичностью в ненаклепанном состоянии, было обнаружено, что в начальные моменты резания импульсы В А сигнала трудно выделить на фоне помех. Только через несколько секунд происходит постепенное упрочнение впереди лежащих слоев, возникают пороги, тормозящие пластическую деформацию, ведущие к накоплению упругой энергии, и возникают импульсы ВА сигналов. Этот эффект необходимо учитывать как при выборе обрабатываемого материала (он слишком легко выдавливается на пробельную поверхность), так и при выборе метода диагностики (здесь силовые параметры становятся предпочтительней).

На рис.13 показаны зависимости СКЗ амплитуды и пик-фактора ВА сигнала от глубины резания. Видно, что зависимость СКЗ от глубины имеет значительно больший градиент и это необходимо учитывать в системе диагностики. Реакция пик-фактора гораздо слабее - это может упростить диагностический алгоритм.

Рис 12 а Временные зависимости и амплитудные распределения ВЛ сигнала лагунь Л63

Рис 12 б Временные зависимости и амплитудные распределения ВА сигнала чугун СЧ25

Зависимость силы резания от глубины для всех материалов носила почти линейный характер, хотя площадь срезаемого слоя растет по квадратичной зависимости в силу треугольной формы РИ Это подтверждает отмеченный еще Н Н Зоревым факт доминирующего влияния на силу резания процессов трения при очень малых площадях среза.

Исследование отображения износа РИ в характеристиках диагностических сигналов показало, что все они растут с увеличением износа РИ. СКЗ ВА сигнала растет до 7 раз, сила резания от 4-х раз для чугуна до 9 для алюминиевого сплава, пик-фактор в 1,5-2 раза (дано отношение сигнала при условно предельном износе РИ к начальному) Было также установлено, что с увеличением износа РИ осевая составляющая ВА сигнала опережает по темпам роста радиальную составляющую. На рис.14 показана зависимость отношения осевой составляющей ВА сигнала к радиальной от износа РИ, там же показан фазовый портрет ВА импульса при предельном износе РИ. Т. о, чтобы ВА сигнал в системе диагностики не менялся при повороте РИ, отслеживающем направление линий на изготавливаемой гравюре, необходимо устанавливать два акселерометра, либо (при использовании одного акселерометра) применять такую конструкцию щупа, которая исключает эту анизотропию

Рис 13 Зависимость СКЗ амлитуды и пик фактора ВА сигнала от глубины резания Скорость резания 40 мм/мин

Рис.14 Влияние износа на ВА сигнал

а) зависимость отношения осевой составляющей сигнала к радиальной от износа РИ

б) фазовый портрет ВА импульса при предельном износе

в) вероятностное распределение

Пятая глава посвящена разработке системы диагностики состояния РИ при ТГ. Исследовались различные варианты размещения на станке первичных преобразователей, влияние этих вариантов на величину неопределенности измерений диагностических параметров, были предложены алгоритмы принятия решения по результатам измерений.

Исследования, проведенные на предыдущих этапах, показали, что контроль силовых и ВА характеристик со стороны РИ позволяет снять практически все проблемы в вопросах автоматической диагностики состояния РИ при ТГ на любых режимах резания, применяемых в настоящее время. Сложности, встречающиеся на пути этого решения, заключаются в необходимости встройки первичных преобразователей в механизм крепления РИ, в необходимости

подавать энергию и снимать информацию через подвижный стык (РИ поворачивается, отслеживая линии на гравюре). В мировой и отечественной практике эта задача успешно решена. На рис.15 показан ротационный динамометр фирмы КиНег, способный измерять три составляющие силы резания и крутящий момент. Питание здесь подается через трансформатор, а информация считывается с помощью телеметрического канала. Возможности такого динамометра избыточны. Исследования показали, что для процесса ТГ достаточно контролировать составляющую силы резания, направленную по нормали к передней поверхности РИ.

В этом разделе исследовались и более простые (соответственно, более дешевые) варианты решения проблемы. Был рассмотрен вариант съема ВА сигнала с цилиндрического хвостовика РИ с помощью скользящего контакта (рис 16). Исследовалась возможность уменьшения помех, возникающих в этом случае из-за возникновения трибоакустических явлений в подвижном контакте. Эксперименты показали, что введение фторопластовых прокладок позволяет снизить амплитуду трибоакустических помех более чем на 20дБ. Также прокладки могут снизить амплитуду сигнала, но не более чем на 1-2 дБ. Для устранения отмеченной в гл.4 анизотропии В А сигнала в работе было предложено контактную поверхность щупа сделать в виде 2-х выступов, направленных по взаимноперпендикулярным радиусам шейки РИ, т.е. оценивать ВА сигнал, поступающий по разным направлениям.

Для бесконтактного контроля деформаций РИ было предложено с помощью 2-х световодных датчиков (рис.15) контролировать деформации шейки РИ во взаимоперпендикулярных направлениях и вычислять модуль горизонтальной составляющей силы резания. Такие датчики давно применяются в РУДН.

Проблема может быть решена и за счет создания динамометрического стола, на котором закрепляется заготовка. Динамометры в виде платформ предлагаются различными фирмами, но могут быть созданы и собственными силами. При этом не обязательно стремиться к созданию такой конструкции динамометра, где встроенные первичные преобразователи реагируют только на свою составляющую силы резания. Составляющие вектора силы могут определяться как решения системы линейных уравнений с постоянными коэффициентами. Необходимо только позаботиться о хорошей обусловленности такой системы.

Простейшим решением задачи мониторинга состояния РИ мог бы быть контроль мощности, потребляемой приводами, и оценка по этой информации приращений усилия резания. Главным недостатком метода является то, что текущая мощность определяется не только силами резания, но и силами трения в направляющих столов парах

винт-гайка качения, в подшипниках и роторах приводов Экспериментальные оценки показали, что если неопределенность такого метода оценки сил резания будет в пределах ±6 Н, то он может быть использован для определения предельного износа и поломок РИ Если эта неопределенность будет больше, то потребуются дополнительные исследования применимости метода, т к при большой неопределенности придется уменьшать пороговое значение силы резания для исключения возможной работы предельно изношенным РИ

В заключении раздела были приведены алгоритмы принятия решения при использовании разных характеристик ВА сигнала На рис 17 показан пример такого алгоритма при контроле поломок РИ по ВА сигналу

РГ\

Рис 16 Варианты контроля ситового и ВА сигналов со стороны РИ

1) с испотьзованием световодного датчика

2) с использованием спец зажима для крепления ВА датчиков

Рис.17 Пример алгоритма контроля поломки РИ по ВА сигналу

Общие выводы и основные результаты работы:

1. Проведенный комплекс теоретических, экспериментальных, лабораторных и производственных исследований процесса ТГ позволил определить технические требования к элементам системы мониторинга состояния РИ при ТГ, виды и места установки первичных преобразователей, доработать алгоритм обработки диагностической информации.

2. Исследования процесса ТГ выявили особенности возникающего ВА сигнала, отличающие его от обычного процесса резания: ВА сигнал при ТГ представляет собой набор отдельных импульсов, случайных по частоте и амплитуде.

3. Разработана математическая модель процесса ТГ в виде нелинейной замкнутой динамической системы, в которой учитывается анизотропия и неоднородность кристаллитов, деформируемых в зоне пластических деформаций. Адекватность модели результатам экспериментов подтверждена с помощью критерия согласия А.Н. Колмогорова.

4. Выявлена причина импульсной природы ВА сигнала при ТГ, заключающаяся в том, что и движение дислокации, и распространение микротрещин при пластическом деформировании происходит многоэтапно, где движение чередуется с процессами торможения с накоплением упругой энергии, при релаксации которой ее малая доля переходит в импульс ВА сигнала. Установлено, что случайная природа импульсов связана с анизотропией кристаллов, случайной ориентацией зерен в поликристалле, соизмеримостью размеров отдельных зерен с областью пластических деформаций. Определено, что амплитудное распределение ВА импульсов зависит от фазового состава обрабатываемого материала.

5. Установлено, что наиболее перспективными диагностическими параметрами при ТГ являются характеристики силовых и ВА сигналов, которые зависят от режимов резания, что необходимо учитывать в диагностических алгоритмах.

6. Установлено, что поломки РИ в процессе ТГ делятся на две категории: быстрые и медленные, результатом которых является исчезновение контакта РИ с заготовкой, что может служить общим диагностическим признаком. Определены характеристики силовых и ВА сигналов, которые монотонно растут с увеличением износа РИ и могут быть использованы в системе мониторинга.

7. Установлено, что при использовании в процессе ТГ скоростей резания более 100 мм/мин для контроля В А сигналов акселерометр можно устанавливать как со стороны стола, так и со стороны заготовки, но при меньших скоростях контроль со стороны РИ становится единственно возможным.

8. Рассмотрены различные способы размещения первичных преобразователей на станке, показано, что для съема силовых и ВА сигналов с вращающегося РИ в отечественной и зарубежной промышленности существуют готовые решения. Предложены собственные (более дешевые) решения, реализация которых возможна силами предприятия. Предложены алгоритмы

функционирования различных вариантов систем мониторинга и диагностики и технические требования к первичным преобразователям.

9. Разработаны рекомендации по оснащению станков для ТГ системами мониторинга и техническое задание на устройство для автоматического определения координат поломки резца, переданное на фабрику ГОЗНАК.

Основные положения диссертации работы изложены в следующих

4-х работах:

1. Виброакустическая диагностика - спутник качества на каждом предприятии// «MetalEquipmentTools» 3/2003 стр.54-57 (соавторы Козочкин М.П., Кочинев Н.А.).

2. Виброакустическая диагностика и мониторинг сложных технологических процессов металлообработки // Технология машиностроения. 2004 №4 с.54-59 (соавторы Козочкин М.П., Кочинев Н.А.).

3.Система виброакустической диагностики поломок резцов при сверхтонком строгании //Сборник научных трудов ЭНИМС «Актуальные вопросы станкостроения». Под редакцией Б.И.Черпакова. - М , 2004.-с. 11-20.

4. Отчет по теме «Поисковые работы по созданию виброакустических средств наблюдения за износом резцов. Техническое задание на устройство для автоматического определения координат поломки резца». М. ЭНИМС, 2003 г. 27 стр.

£2 57 9 8

Введение

Глава 1. Характерные особенности процесса станочного гравирования 7 и обзор существующих систем диагностики режущего инструмента.

1.1 Особенности процесса резания на гравировальном станке

1.2 Контроль состояния режущего инструмента в настоящее 7 время

1.3 Обзор существующих систем диагностики. И

1.3.1 Методы оценки состояния режущего инструмента, 15 основанные на информации, полученной вне основного времени работы оборудования

1.3.2 Методы активного контроля состояния режущего 16 инструмента

1.3.3 Обзор виброакустических методов диагностики состояния 23 режущего инструмента

1.3.4 Технологические проблемы, требующие новых решений в 33 области диагностики и мониторинга.

1.3.5 Выводы по обзору методов диагностики

1.4 Постановка задачи исследований

Глава 2. Экспериментальные исследования процесса тонкого 44 гравирования в производственных условиях. Определение направлений дальнейшей работы.

2.1 Разработка программного обеспечения для проведения 45 экспериментальных исследований.

2.2 Условия проведения экспериментальных работ на 60 прецизионном строгальном станке мод. МА 6465 СМФ

2.3 Результаты экспериментальных исследований.

2.4 Исследования ВА сигналов в разных точках упругой системы 67 станка и при самых низких скоростях.

2.5 Выводы по результатам предварительных исследований и 69 направления дальнейшей работы.

Глава 3. Математическое моделирование процесса тонкого 74 гравирования и определение природы импульсного характера ВА сигнала.

3.1 Предпосылки к построению модели процесса резания. 74 Физическое и математическое моделирование.

3.2 Построение простейшей математической модели процесса 76 тонкого гравирования и ее аналитическое решение.

3.2.1 Вводная часть. Расчетная схема и вид периодической 76 нагрузки.

3.2.2 Свободные и вынужденные колебания системы с одной 80 степенью свободы. j 3,2.3 Уравнение виброперемещений колебательной системы, i вынуждаемой произвольной нагрузкой Р(т).

3.2.4 Предлагаемая методика решения задачи.

3.2.5 Вывод формулы для виброперемещений y(t) «S

3.2.6 Приближенная оценка наибольшего виброперемещения y(t) 89 в установившемся колебательном процессе.

3.2.7 Выводы по аналитическому решению модели 92 динамической системы.

3.3 Особенности математического моделирования динамических 96 систем с помощью специализированных математических пакетов.

3.4 Моделирование динамической системы в соответствие с i предложенной математической моделью. Усложнение математического описания динамической системы и получение численных решений.

3.4.1 Переход к численным решениям математических моделей ИИ) динамических систем.

3.4.2 Моделирование силы резания при гравировании.

3.4.3 Разработка модели в среде Simulink.

3.4.4 О характере стружкообразования в процессе гравирования.

3.4.5 Образование ступенчатой стружки

3.5 Моделирование упругой системы резец-заготовка.

3.6 Определение собственной частоты режущего инструмента и ПО коэффициента демпфирования в исследуемой динамической системы.

3.7 Результаты моделирования в среде Simulink

3.8 Проверка адекватности исходной модели.

3.9 Исследование причин импульсной природы скачкообразного 122 ВА сигнала при пластических деформациях при ТГ.

3.10 Выводы по результатам математического моделирования и 141 объяснению физической природы импульсного характера диагностических сигналов.

Глава 4. Экспериментальные исследования информативности 143 характеристик силовых и ВА сигналов при ТГ.

4.1 Экспериментальный стенд и условия для проведения 143 экспериментов. Задачи исследований.

4.2 Построение амплитудных распределений импульсов ВА 145 сигналов. Исследование отображения вариаций скорости и глубины резания в параметрах ВА сигналов. п 4.3 Исследование отображения вариаций скорости и глубины резания в силовых параметрах.

1 4.4 Исследование отображения износа РИ в характеристиках

I силового и ВА сигнала.

4.5 Выводы по результатам экспериментов.

Глава 5. Разработка системы диагностики состояния РИ при ТГ.

Алгоритмы работы и требования к элементам системы контроля.

5.1 Возможные варианты размещения первичных 167 преобразователей виброускорения и силовых параметров на станке.

5.1.1 Размещение акселерометров для контроля «быстрых» и 167 «медленных» поломок РИ.

5.1.2 Использование дополнительных приспособлений для 169 повышения чувствительности работы системы диагностики. Особенности съема сигнала с вращающегося инструмента при контроле поломок и износа.

5.1.3 Размещение оборудования для измерения силы резания с 172 целью диагностики состояния РИ.

5.2 Общие требования к неопределенности измерений силовых 177 параметров различными методами.

5.3 Фильтрация получаемых сигналов. Типы фильтров. Рабочий 179 частотный диапазон.

5.4 Алгоритмы контроля поломок и износа РИ.

5.5 Выводы по элементам и алгоритмам работы системы 182 диагностики.

Одна из основных задач современного хмашиностроительного производства связана с существенным повышением надежности станков с ЧГТУ, как эксплуатируемых автономно, так и в составе гибких производственных модулей с участием обслуживающего персонала или в режиме безлюдной технологии. В условиях ограниченного вмешательства оператора надежное функционирование станочного парка невозможно без применения диагностических систем, контролирующих работу основных элементов оборудования.

Одно из направлений при решении этой задачи связано с разработкой и внедрением систем диагностики режущего инструмента, позволяющих обеспечить длительную надежную автономную работу оборудования. Неконтролируемый предельный износ или поломка режущего инструмента в конечном счете приводит к браку изделия и простою оборудования. Преимущества использования активных систем диагностики в настоящее время не подвергаются сомнению.

Современные технологические тенденции в обработке резанием ставят перед исследователями задачи, которые сложно решить несмотря на разнообразие методов диагностики. Появление новых технологий, в которых физическая природа протекающих процессов мало изучена приводит к затруднениям при использовании известных зависимостей отображения состояния исследуемой системы в параметрах диагностического сигнала. Применение труднообрабатываемых материалов, например чугуна с вермикулярным графитом, требует изменений в конструкции инструментов, а также в материалах, используемых для их производства. Твердая обработка и высокоскоростное резания - широко внедряемые в настоящее время на производстве, требуют применения станков, обладающих высокой жесткостью и виброустойчивостью, что в значительной мере определяется процессами, протекающими при резании.

Внедрение новых технологий требует выявления новых или подтверждения старых зависимостей между параметрами, отображающими процесс резания, основываясь на которых возможно реализовать надежный алгоритм диагностирования основных элементов оборудования.

Одной из новых технологий, в настоящее время успешно применяемой на фабрике ГОЗНАК, является получение гравюр металлографских форм при помощи строгания. Еще недавно процесс гравирования относился, к ручному труду, почти к искусству. Теперь он реализуется на специальных станках с ЧПУ. Основной отличительной особенностью этого процесса является сочетание глубины резания, в среднем составляющей 20 мкм, и скорости резания, нижний предел которой составляет порядка 5 мм/мин. Эксплуатация гравировального станка показала сложность и ненадежность контроля состояния режущего инструмента оператором визуально, что приводит к работе сломанным и предельно изношенным резцом, а, следовательно, к браку и значительным временным простоям.

Целью данной работы является повышение автоматизации процесса резания на гравировальном станке и надежности функционирования режущего инструмента. Достижение указанной цели в работе обеспечивается путем решения актуальной научной задачи, состоящей в выявлении физической природы связи параметров диагностического сигнала с износом и поломками режущего инструмента на сверхпрецизионном гравировальном станке. В связи с этим, потребовалось исследование процесса резания на сверхнизких скоростях и режимах резания для получения представления о природе взаимосвязи процессов в зоне пластического деформирования с генерируемыми сигналами.

Результаты исследований подтвердили возможность разработки системы диагностики режущего инструмента, применяемого при строгально-гравировальных работах, а также позволили разработать требования к элементам этой системы диагностики.

Общие выводы и основные результаты работы:

1. Проведенный комплекс теоретических, экспериментальных, лабораторных и производственных исследований процесса ТГ позволил определить технические требования к элементам системы мониторинга состояния РИ при ТГ, виды и места установки первичных преобразователей, доработать алгоритм обработки диагностической информации.

2. Исследования процесса ТГ выявили особенности возникающего ВА сигнала, отличающие его от обычного процесса резания: В А сигнал при ТГ представляет собой набор отдельных импульсов, случайных по частоте и амплитуде.

3. Разработана математическая модель процесса ТГ в виде нелинейной замкнутой динамической системы, в которой учитывается анизотропия и неоднородность кристаллитов, деформируемых в зоне пластических деформаций. Адекватность модели результатам экспериментов подтверждена с помощью критерия согласия А.Н. Колмогорова.

4. Выявлена причина импульсной природы ВА сигнала при ТГ, заключающаяся в том, что и движение дислокации, и распространение микротрещин при пластическом деформировании происходит многоэтапно, где движение чередуется с процессами торможения с накоплением упругой энергии, при релаксации которой ее малая доля переходит в импульс ВА сигнала. Установлено, что случайная природа импульсов связана с анизотропией кристаллов, случайной ориентацией зерен в поликристалле, соизмеримостью размеров отдельных зерен с областью пластических деформаций. Определено, что амплитудное распределение ВА импульсов зависит от фазового состава обрабатываемого материала.

5. Установлено, что наиболее перспективными диагностическими параметрами при ТГ являются характеристики силовых и ВА сигналов, которые зависят от режимов резания, что необходимо учитывать в диагностических алгоритмах.

6. Установлено, что поломки РИ в процессе ТГ делятся на две категории: быстрые и медленные, результатом которых является исчезновение контакта РИ с заготовкой, что может служить общим диагностическим признаком. Определены характеристики силовых и ВА сигналов, которые монотонно растут с увеличением износа РИ и могут быть использованы в системе мониторинга.

7. Установлено, что при использовании в процессе ТГ скоростей резания более 100 мм/мин для контроля ВА сигналов акселерометр можно устанавливать как со стороны стола, так и со стороны заготовки, но при меньших скоростях контроль со стороны РИ становится единственно возможным.

8. Рассмотрены различные способы размещения первичных преобразователей на станке, показано, что для съема силовых и ВА сигналов с вращающегося РИ в отечественной и зарубежной промышленности существуют готовые решения. Предложены собственные (более дешевые) решения, реализация которых возможна силами предприятия. Предложены алгоритмы функционирования различных вариантов систем мониторинга и диагностики и технические требования к первичным преобразователям.

9. Разработаны рекомендации по оснащению станков для ТГ системами мониторинга и техническое задание на устройство для автоматического определения координат поломки резца, переданное на фабрику ГОЗНАК.

I [риложение I j Гравюра Основное время, час Путь, м Скорость резания, мм/мин

4М J ь 60 8,030 2,23

Портрет" чш ' 30 4,014 2,23

Циклоиды {OF* ' тИя 42 2,895 1,15

60 4,136 1,15

J 6,5 2,809 7,20

Розетка" 10 4,355 7,23

Жгм/а .1 10 1,138 1,89

Бордюр Вш| l 3 0,343 1,91

Акцизная за,5 5,019 2,2 марка(X) 20,0 4,613 3,8

РФ 3,5 0,808 3,8

10,0 1,961 3,3

Косичка 2,5 1,214 8,1 J

1,822

Гильеш 14,5 10,0 1,787 Г 2'1 ' 44

Н" 0,57 4,4

Прав. Роз. Ш } 18,0 1,21 1,1

Hi.' ■ 0,26

Текст КС ' 1Щ]| 4,5 1,674 6,2

1. Барзов Л.Л. и др. Автоматизация диагностики условий механической обработки // Механизация и автоматизация производства. 1981. - № 10. - С.16-17.

2. Барзов А.А. и др. Пути повышения эффективности эксплуатации сборного режущего инструмента с многогранными пластинками. — М.: НИИМаш, 1980.-52 с.

3. Бармин Б.П. Вибрации и режимы резания. М.: Машиностроение, 1972.-72 с.

4. Билл Б., Госсвайлер К., Кирххайм А. Измерение сил резания. Точные измерительные системы для оптимизации процессов механообработки. Каталог, 2004. 45 с.

5. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов М.: Машиностроение, 1975.-344с.

6. Борисенко А.В., Терикова Л.Г. Акустическая динамика процесса резания и диагностика износа режущего инструмента. В сб.: Прочность и пластичность материалов в ультразвуковом поле. Часть 1.-Минск, 1973.-С. 143-147.

7. Вайхбродт и др. Определение износа инструмента по уровню звука при токарной обработке // Конструирование и технология машиностроения. — 1969. №3. — С.252-261.

8. Васильев С.В. Использование термоэлектрических явлений при резании для контроля процесса обработки. Рекомендации. М.: ОНТИ, ЭНИМС. - 1975.-32 с.15