автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Оперативная технологическая оценка состояния поверхностного слоя на операциях механической обработки

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Р Г Б ОД

~ 5 ЛЕИ 13C 'i На правах рукописи

ЛАХОНИН Александр Николаевич

ОПЕРАТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НА ОПЕРАЦИЯХ МЕХАНИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степенн канйияата технических паук

Н.Новгород 1994

Работа выполнена на кафедре " Автоматизация машиностроения Нижегородского государственного технического университета.

Научный рукозодитель - доктор технических наук,

профессор Крстншш О.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

профессор Рыкунов Н.С. кандидат технических наук, ГоСТ€2 Г.В.

Ведущее предприятие - ПО ГИДРОМАШ г.И.Новгород

Защита диссертации состоится " 22 " декабря 1994 г. с 15 22 часоз на заседании диссертационного совета К 063 85 07 в Нижегородском государственном техническом университете { 603600, г. II.Новгород, ул. Минина, 24.),корпус 1, ауд. 1258

С диссертацией мохло ознакомиться з библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан 1994 г.

Учений сег-ретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Б решении задачи повышения начества родукции большое значение имеют методы и средства контроля 1чества и как составная их часть контроль поверхностных свойств элучаемых деталей, играющих существенную роль в обеспечении их 1ботоспособности.

Роль дефектов на поверхности (зародышевых трещин, дислокаций, 5 скоплений и т.п.), в значительной мере определяющих прочностные юйства материала < под влиянием напряжений, изучена многими ^следователями.

Отмечается, что умение рассчитывать и определять экспери-ентально неоднородности напряженно-деформированного состояния эверхностных слоев является весьма актуальной задачей. Неравномер->сть деформации и, соответственно, энергии, запасенной отдельными :рнами, приводит к неравновесному состоянию поверхности трения, что сазывается на кинетике поверхностных процессов, например, на зкристализации.

Известен целый ряд методов и устройств контроля состояния поверх->сти и, в частности, устройств контроля неоднородностей поверхностях свойств. Выбор того или иного имеющегося метода всегда зависит от фа метров контролируемого объекта и условий его обследования. Ни шн из существующих методов не является достаточно быстрым , чнверсальным и не позволяет получать информацию о распределении юдыородностей свойств поверхности непосредственно в процессе ее 5работки.

Исследования контантных явлений, проведенные в Нижегородском юударвтв«нном техническом университете на основе информации, элучаемой в результате измерения сигналов переменной составляющей !рмо-ЭДС (Е) и виброакустической эмиссии (А), позволили сделать лвод, что в этих сигналах отражаются процессы, протекающие в зоне жтакта инструмент-деталь.

Развитие средств измерительной и вычислительной техники >зволяет создавать экспресс-методики и устройства для регистрации и >работаи в реальном масштабе времени сигналов Е и А, несущих ^формацию о контактных явлениях, с больших площадей исследуемых )верхностей и на основе анализа этих сигналов судить о распределении юднородностей поверхностных слоев непосредственно в процессе гханической обработки и на контрольных операциях в результате >ения индентора об исследуемую поверхность.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Установление закономерностей отражени неоднородностей свойств поверхности дет ли в сопряженных сигнала термо-ЭДС и виброакустнческой эмиссии, несущих информацию о тип контактного взаимодействия .

Снижение материальных и трудовых затрат, связанных получением деталей с заданными поверхностными свойствами. Создан я методик экспрессных испытаний по оценке неоднородностей свойст поверхности с получение;.! карты полей свойств.

Разработка структуры и обоснование технических требованн устройств контроля неоднородностей свойств поверхностей деталей процессе механической обработки н на контрольных операциях.

ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

Исследование распределения полей свойств обрабатываемой повер? ности, на основе анализа информации о структуре поверхностного ело детали, производились с помощью разработанной автоматнзированно системы ввода, анализа и обработки оптической информации. В соста системы входил микроскоп БМИ-1Ц, видеокамера, контроллер ввода Т\ изображения, крейт КАМАК и ЭВМ IBM PC - AT (рнс.1)

Методика исследований неоднородностей поверхностного слоя н макро- и мезо-структурных урошшх осуществлялась с помощью автом: тнзированных систем регистрации и анализа сигналов Е и (рис.2,рис.3), включающих в себя: токарный станок модели 16К20, оснс щениый приводом плавного регулировании скорости главного двшиенш ЭВМ СМ 1420, блоки третьоктасных селективных фильтров, креп КАМАК, оснащенный АЦП Ф4225 н МЗУ (64 кслова). Данный тип АЦ1 позволяет регистрировать сигналы с частотой дискретизации до 20 МП Измерение сигналов осуществлялось в диапазоне частот от 1 до 300 кП Методика включает в себя математический аппарат спектрального корреляционного анализа двумерных характеристик случайных процес сов, цифровую фильтрацию, а ташке алгоритмы и программы теори распознавания образов.

В исследованиях применялись резцы с механическим крепление релгущих пластинок и ипденторы из твердого сплава ВК8, Т5К10 быстрорежущей стали Р6М5. В качестве обрабатываемых материале применялись стали 3, 20, 40Х, 20X13, 9ХС, алюминий АЛ-2, медь М и титановый сплав ВТ-14.

• НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Показано, что в спектрально состояв сопряженных сигналов термо-ЭДС и спброацустпческой эмп< сии, получе-шых с фиксированных участков исследуемой поверхности oTpuiMio-tcÄ физиио-механичеоше ссойства этих участков. 4

Установлено, что неоднородности свойств поверхности, полученные в результате анализа Е и А сигналов, имеют сзой определенный тип контактного взаимодействия, который кокет быть выражен в виде многомерной оценки.

Сформулированы принципы построения методик для контроля неоднородностей свойств поверхности на макро- и мезо-структурных уровнях как непосредственно в процессе получения детали, так и на контрольных операциях при трении индентором о контролируемую поверхность.

Предложена термодинамическая модель контактного взаимодействия, имитирующая процесс генерации и распространения сигналов Е и А на основе процессов, происходящих при деформации, упрочнении и распространении тепловых потоков, и учитывающая нелинейные зависимости теплофизических свойств инструментального и обрабатываемого материалов от температуры, деформации и скорости деформации, возникающих в результате нонтакта инструмента и заготовки.

Практическаяполезность.

Разработаны методики измерения сопряженных сигналов термо-ЭДС и виброакустической эмиссии, снятых с площадей анализируемой поверхности, с точной привязкой к месту их генерации, а ташке обработки- и анализа полученных сигналов контактного взаимодействия на макро- и мезо-структурных уровнях, позволяющих выделить информацию о распределении.неоднородностей фнзико-механическнх свойств и строить карту полей свойств исследуемых поверхностей.

Разработаны алгоритмы, матема -леское обеспечение и структура устройств оценки неоднородностей свойств поверхностей непосредственно в процессе обработки резанием и п результате экспресс-испытаний на контрольных операциях.

Разработан комплекс аппаратного и универсального математического обеспечения для проведения исследований на базе ЭВМ 1ВМ РС АТ, СМ 1420, крейта КАМАК, позволяющего автоматизировать сбор, обработку н вывод результатов.

Реализация работы.

Методики регистрации и анализа сопряженных сигналов контакт- . ного взаимодействия на макро- и мезо структурных уровнях применены при разработке автоматизированной универсальной экспресс-системы оценки неоднородностей свойств поверхности непосредственно в процессе обработки резанием и на контрольных операциях. Работа выполнялась в рамках прогрз-мы НКП-2000 и планируется к внедрению на ПО ГИДРОМАШ Г.Н.Новгород. 5

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены и ббсуждены на :

Зональной научно-технической конференции "Математическое обеспече ние и автоматическое управление высокопроизводительными процессам! механиче -,ой и физико-химической обработки изделий машиностроения" Андропов, 1988 г.; Всесоюзной научно - технической конференции "Итоги проблемы и перспективы комплексно-автоматизированных производств i машиностроении и приборостроении", Горький, 1990г.; Зональной научно технической конференции "Физическая оптимизация, управление и контрол! процессов обработки резанием", Уфа, 1991г.; Второй Всесоюзной иаучно-тех нической конференции "Ресурсе- энергосберегающие и наукоемкие техно логии в машино- и приборостроении", Москва, 1991 г.; Научно-техническое конференции "Автоматизация технологической подготовки механообработк! деталей на станках с ЧПУ", Ленинград, 1991 г.; V-ой научно-техническо! конференции "Триботехника - машиностроению", Москва, 1991 г.; Региональ ной научно-технической конференции "Прогрессивная технология и инстру »¡сит изготовления деталей машин", НЛовгород, 1991 г.; Научно-техническо< конференции "Прогрессивные методы и средства обеспечения качества изго товления деталей мгшин", Н.Новгород, 1992 г.; lV-ой научно-техническо! конференции" Динамика станочных систем гибких автоматизированных произ водств" , Н.Новгород, 1992 г.; YIII-ой конференции "Теплофизика технологи чсских процессов", Рыбинск, 1992 г.; Международной научпо-техническо!' конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов устройств и систем", Пенза, 1993г.;,Российской научно-технической конферен ции "Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении" Рыбинск, 1994 г.; Европейской конференции "Study of metal cutting ant forming processes", Eurometalworking 94, Udine, Italy, 1994 r.

В целом диссертационная работа обсуждена на расширенном заседа нии кафедр "Технология машиностроения", "Автоматизация машино строения" и "Металлорежущие станки и инструменты" в мае 1994- г.

Публикации. Методические разработки и материаль исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 20 печатные работах.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит и: введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, содержит /34 с машинописного текста, имеет приложение на Y¿6~ листах < иллюстрациями, таблицами .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы.

В первой главе приведены современные фг-зическт представления о природе зарождения очагов р.-.зрушений, которые преимущественно возникают на поверхности твердого тела.

На основе обзора литературных источников показано влнянне тех-юлогических параметров на формирование поверхностного слоя, приво-ится анализ методоз контроля его качества, а ташке рассматривается озможность получения информации о физико-механических свойствах юверхности при анализе сопряженных сигналов контактного взаимо-[ействия.

Современные представления о природе разрушения базируются на ермофлуктуационной теории разрушения. Теория основывается на уче-е теплового движения атомов в твердом теле и статистике разрушенных епловыми флуктуациями межатомарных связей. Согласно этой теории ¡инетика разрушения материалов определяется вероятностью образопз-1ИЯ тепловых разрушающихся флуктуаций плотности - дилатонов, как »езультата спонтанной хаотической суперпозиции упругих волн, опнсы-¡ающи:; колебания атомной решетки. Причем вероятность флуктуацион-юго возбуждения межатомных связей и образования дилатонов на юверхности твердого тела выше, чем в обьеме вследствие увеличения (елинейности межатомных сил, которые приводят к увеличению юнцентрации и более высоким значениям возбужденных связей. Размер областей флуктуаций плотности определяется длиной свободного пробега фононов и зависит от структурных дефектов и других неоднородное-ей твердого тела.

Повышение концентрации и величины удлинения возбужденных :вязей в поверхностном слое вызывает более быстрое, чем в обьеме, шкопление первичных очагов разрушения и деформации.

Анализ литературных данных показывает, что" наиболее ннформа-'ивными и перспективными являются методики испытаний, основанные ta информации о явлениях, происходящих непосредственно в зоне сонтакта в процессе обработки детали.

В качестве таких источников информации предлагается нспользо-ать Е и А сигналы, реагирующие на изменение условий в зоне контакта. Такая возможность согласуется с термофлунтуационной -еорией, в соот-1етствии с которой дилатон как область отрицательной флуктуации плот-iocth при получении энергии от воздействия внешних сил расширяется Ю величины, превышающей критическую и скачкообразно разрушается ¡ образованием микротрещины. Разрушение дилатона происходит с большой скоростью в виде микровзрыва, обусловленного распадом меж-ктомарных связей и сопровождается выделением энергии, в частности, в 1иде температурной иикровспышкн и волны акустической эмиссии.

В связи с изложенным и работе поставлены следующие задачи :

1. Разработать методику измерения и обработки информации о распределении полей свойств обрабатываемой поверхности материала, обусловленных его структурным составом.

2. Исследовать отражение макронеоднородностей поверхностного слоя в сигналах переменной составляющей термо-ЭДС и виброакустнчес-кой эмиссии и разработать на этой основе метод регистрации и анализа сопряженных сигналов контактного взаимодействия для получения информации о макроиеоднородностях всего поверхностного слоя обрабатываемой детали.

3. Исследовать отражение неоднородностей поверхностного слоя материала на мезоскопическом уровне и разработать метод из.мерения и анализа сигналов Е и А для контроля свойств поверхности деталей на иезо-структурном уровне с классификацией типа контактного взаимодействия и построением карты полей свойств.

4*. Разработать цифровую термодинамическую модель генерации и рзспространен.м сигналов Е ¡1 А.

5. Разработать способ получения и структуру устройства экспресс-сценки неоднородностей свойств поверхности на основе анализа Е и А сигналов непосредственнно в процессе обработки резанием н на контрольных, операциях-

Вторая глава посвящена •'исследованию распределения полей свойств обрабатываемой поверхности на-основе анализа информации с структуре поверхностного слоя детали. V

Для анализа структуры исследуемой поверхности была разработана и применена автоматизированная система ввода, анализа и обработки оптической информации (рис. 1). Получение изображения структура всей исследуемой поверхности, которая и дальнейшем будет подвергать ся обработке резанием, осуществляется за счет сканирования вндсокаме рой, установленной на микроскопе БМИ-1Ц, поверхности и регнетрацш на ЭВМ 1ВМ- РС АТ каждого пройденного кадра изображения. Вс< зарегистрированные кадры изображения поверхности имеют фнксиро вашгые координаты, переданные на ЭВМ с помощью электронно- опти ческих преобразователей, установленных на микрометрических винта; стола микроскопа.

Полученное изображение в дальнейшем контрастнровалось и да улучшения качества, т.е. устранения помех, повышения резкости I подчеркивания контуров структурных составляющих или вьшвленны; неоднородностей, подвергалось обработке фильтрами клеточной логики. В

•нлео-

ксхсрл —

ПТУ 42

X

мадоомокнтор

П.

инкросгог

БМИ-1Ц

КДХ

КД У

УЦП

I

УЦП

Дкслелуемын /объект-

Ш»

КАМАК

онт^оллер изображения

видеопроцессор

1ВМРСАТ

УОА

Рнс.1 Функциональная схема ввода, анализа и обработки оптической информации. КД Х, КД У-кодо-вые датчика по координатам X и г; УПП-устройство цифровое перссчет-ное;

ВР-входной регистр; ПТУ-42 -телевизионная установка.

пр»:

тер]

Для фильтрации изображения применялись двумерные фильтры, 1твечающие двумерной природе самого изображения. Фильтрация осу-цествлялась перемещением апертуры фильтра - прямоугольного участ-;а плоскости размером 3x3 или 5x5 элементов, по изображению. Такой >азмер апертуры позволяет существенно снизить обьем вычислений и, ледовательно, сократить время выполнения фильтрации изображения.

В данном случае изображение поверхности, в качестве которой >ыла взята поверхность с прижогами, подвергалось обработке фильтром шжних частот, позволяющим сгладить шум и фильтром, осуществляю-цим операции двумерного дифференцирования, с весовой Функцией в тде оператора Лапласа, с помощью которого выделялись границы фижогов на поверхности.

После проведения указанной процедуры обработки изображение по-¡ерхности с выделенными границами пршкогов было готово для даль-1ейшего анализа и нахождения корреляционной связи с сигнальным ( на •снопе анализа Е и А сигналов ) полем свойств поверхности.

Проведены комплексные испытания разработанной системы, кото->ые позволили определить ее основные технические характеристики. Достигнута разрешающая способность 0.001 мм при ошибке в определе-1ии истинной границы изображения менее 0.0007мм. Соотношение сиг- ■ 1ал - шум для данной системы составило 10:1. Таким образом, разрабо-анная система приема, анализа и обработки оптической информации юзволяет получать качественное изображение с больших площадей юверхности и обрабатывать это изображение й минимальное время.

Третья глава посвящена исследованию отражения «акронеоднородн остей поверхностного слоя в сопряженных сигналах 1еремекной составляющей термо-ЭДС и внброакустнческого сигнала.

В результате предварительных исследований было установлено, чт в сигнале переменной составляющей термо ЭДС отражается не тольк исскуственйо вносимая неоднородность о виде риски шириной 850 мкм ] глубиной 0.5 мкм, но и упрочнение под риской, возникшее в результат ее нанесения. Длл этого сначала проводилось резание твердосплавныг резцом ВК8 стали 20, с нанесенной на поверхности риской, при подач« 0.05 мм/об, скорости 60 м/мин, глубине 0.5 мм, а затем, после предвари тельного протачивания с глубиной 0.2 мм, осуществлялось резание ni этому же месту с глубиной 0.5 мм . И в том и п другом случае отмечалоа изменение сигнала Е и виде характерных всплесков амплитуды, повто ряющихся на каждом срезе в месте, где резец проходил или по риск« или по месту упрочнения, оставшемуся от нанесения риски.

Для исследования отражения различного рода макронеоднородиос

тей поверхностного слол была создана автоматизированная систем;

регистрации и анализа сопряженниых сигналов Е и А (рис.2). Систем:

Ерзсоляет регистрировать сигналы контактного взаимодействия \

реальном масштабе времени в процессе обработки с больших площадей

поверхности. Привязка сигналов к месту их генерации на поверхност*

осуществлялась за счет датчика угла попорота шпинделя станка

обеспечивающего запуск системы регистрации со строго определенной:

места на поверхности заготовки.

ДУ_о«рсроздпусх_I КАМАК ~| Рис.2 Фупкциолаль-

!| нал схема системы ¡1 регистрации сигналов Ей А на макро-уросне.

! НУ-прсдмрнтсль-мшн усилитель; !|У1,У2-усилитсли |Е и А сигналов; ЪФ-блок фильтров; КАС-коммутатор аналоговых екгна-,лов;

|ВР-еыг одной регистр;

1КК->;онтроллср креита;

Ду-датчик угла поворота цлшцделл;

Анализ сопряженных сигналов контактного взаимодействия показал, .что во всем диапазоне частот отмечалось смещение несущей частоты п спектрах переменной составляющей термо-ЭДС и виброакустической эмиссии в зависимости от конкретных, условий контакта и скорости. Поэтому, задаваясь целью разработать методику регистрации и анализа сигналов Е' и А более универсальной, охватывающей известные сочетания материалов контактирующих пар и режимов контакта, 1й

предложена многомерная оценка в виде вектора К3д , координаты которого равны средним значениям интенсивности выделенных частотных полос спектров сигналов Е и А.

Гк.и - среднее значение интенсивности К частоты Е и А сигналов на N единичном участке .

Для выделения частотных полос использовались два блока третьоктавных селективных фильтров с центральными полосами частот 125, 250, 500, 1000. 2000, 4000, 8000, 16000, 32000, 64000 Гц. Тем самым, каждому единичному участку исследуемой поверхности с фиксированными координатами соответствует свое значение многомерной оценки (вектора), отражающей изменение спектра сигналов контактного взаимодействия. Размер единичного участка поверхности определяется, с одной стороны, величиной подачи, а с другой, скоростью вращения заготовки и частотой дискретизации АЦП (до 20 МГц)

Полученный массив многомерных оценок, покрывающий всю площадь исследуемой поверхности, подвергался группировке по методу плеяд, основанному на определении величины связи между всеми векторами. Определение интервалов однородности многомерных оценок и идентификация их в классы, каждый из которых характеризует определенный тип контактного взаимодействия, осуществлялась с помощью разделяющего признака, получаемого путем расчета центральных моментов второго порядка статистического анализа.

Разработанная система и методика регистрации сигналов Е и А позволяет производить съем информации о контактных явлениях с больших площадей поверхности, размер которых ограничивается только обьемом памяти ЭВМ и ее быстродействием.

Комплексное испытание методики производилось в процессе трения . индентора, выполненного из твердого сплава Т5К10, об исследуемую поверхность заготовки из стали 40Х со скоростью 32 м/мин и подачей 3.05 мм/об. Поверхность имела предварительно подготовленные макрообласти с измененным химическим составом, трещинами, включениями цругих металлов и наклепом.

Анализ экспериментальных данных показал, что в спектральном составе исследуемых участков поверхности присутствуют участки однород-10сти, которые после обработки были отнесены к одному из классов тимодействия. После построения карты всей обработанной поверхности ; распределенными по ней классами, выявилось их полное соответствие рорме н размерам подготовленных макрообластей с дефектами поверх-

ностного слоя. Причем каждому дефекту, с соответствующим ему типом контактного взаимодействия, соответствовал определенный класс на карте поверхности, полученной после обработки и анализа сигналов Е и А.

Четвертая глава посвящена исследованию отражения неоднородностей поверхностного слоя материала на мезоуровне и разработке термодинамической модели генерации и распространения сигналов Е и А.

Современные физические представления о природе разрушения твердых тел основываются на увеличении концентрации дислокаций и зародышевых трещин в поверхностных слоях под влиянием механических напряжений.

В соответствии с термофлуктуационной теорией разрушения распад дипатона сопровождается, в частности, локальной температурной вспышкой и волной акустической эмиссии. Применительно к контактным явлениям, можно принять, что единичное локальное взаимодействие на мезо-скопическогл структурном уровне представляет собой совокупность распада дилатонов, а, следовательно, все процессы каждого такого взаимодействия одновременно, ко по разному отображаются в возникающих сигналах переменной составляющей термо-ЭДС и виброакустической эмиссии.

Особенность сигнала Е заключается в том, что место возникновения порции тепла единичного взаимодействия в общем случае располагается на некотором удалении от места гальванического контакта разнородных металлических тел - инструмента (индентора) и заготовки, т.е. всегда имеет место определенная временная задержка момента генерации импульса Е от момента выделения порции тепловой энергии. В результате сигналы Е и А будут иметь определенные временные и амплитудные соотношения в зависимости от того, какой тип взаимодействия реализовался в данном единичном взаимодействии.

Для приближенной оценки времени запаздывания Е сигнала в зависимости от свойств обрабатываемого материала разработана цифровая модель, имитирующая создание порции тепла в глубине обрабатываемого материала и теплопередачу ее до границы соприкосновения инструмента и детали. Обрабатываемый материал в зоне единичного локального взаимодействия представляется множеством слоев малой толщины порядка нескольких микрометров. Каждый слой имеет определенную температуру, относительную деформацию, скорость деформации и нелинейно зависящий от них набор соответствующих силовых и тепло-физических характеристик : предел текучести, теплоемкость, теплопроводность. Слои могут сдаваться относительно друг друга, причем

т

мещение происходит в единичном рабочем слое, имеющем самое »еньшее сопротивление сдвигу на данный момент времени. В начальный юмент времени задаются исходные распределения всех параметров юдели по слоям. Затем рассчитываются все изменения, которые [роизошли за очередной шаг во времени. Для этого с учетом истории [агрукения определяется место рабочего слоя в данный момент времени. $ этом слое по работе деформации рассчитывается прирост темпера-уры, а затем определяется теплопередача и вычисляется новое значение емпературы для всех слоев, в том числе и для первого слоя на границе ¡брабатываемого и инструментального материалов. Цикл повторяется и, ! результате, получается кривая переходного процесса сигнала Е во ремени.

По результатам работы модели можно сделать вывод, что тепловая спышка с крутым фронтом в рабочем слое доходит до контактных слоев ; виде сильно затухающей волны со значительно менее крутым, »азмытым фронтом, причем это ослабление зависит от теплофизических войств обрабатываемого материала, изменений этих свойств в случае [еоднородности и от расстояния до рабочего слоя : чем меньше емпературопроводность и чем больше расстояние, тем больше слабление.

Следовательно, в сигнале Е может содержаться информация о обытиях в сравнительно тонких приконтактных слоях. Все другие пере-:одные процессы передачи, например, из зоны струшкообразования, не югут отобразиться в сигналах Е, что обуславливает преимущество сигала Е как источника информации о контактных явлениях.

Получение информации о неоднородностях поверхностного слоя на (езоскопнческом уровне, с учетом высокой скорости распада дилатонов, 'сковывается на широком применении современной регистрирующей ппаратуры и ЭВМ, позволяющих осуществлять регистрацию сопряжениях сигналов Е и А в реальном масштабе времени ( в процессе обработки ;еталн ) с частотой квантования до 20 МГц (рис.3) и получать карту юверхности с достаточно больших площадей. Величина анализируемой 1лощади поверхности определяется.размером памяти и быстродействием ШМ и в данных условиях составила порядна 500 мм2. Поскольку нгналы Е и А отражают случайные во времени, но определенные по ипу явления и процессы, происходящие в зоне контакта, то для совмест юго их анализа применяется процедура информационной фильтрации и ппарат спектрального анализа.

одггро запуск

Рис.3 Фупкцион^ нал схема систем! регнстраг.пп снгн лос Б и А па мезо урона е.

ГГУ-прсдваритсл! ¡¡ный усилитель; ¡У1,У2-уС!!ЛИТСЛН Ьи А сигналов; С-счетчик; Г-генератор; КК-контроллер крента;

ДУ-датчик угл'я п ворота шпинделя;

В результате предварительных экспериментов было установлено, что изменение в спектре сигнала термо-ЭДС, зарегистрированного с определенного места на поверхности, происходит при изменении физико-механических свойств исследуемой поверхности, поэтому процедура информационной фильтрации заключалась в нахождении таких временных интервалов, в течении которых форма спектра сигнала Е менялась незначительно. Нахождение таких интервалов однородности осуществлялось в результате нахождения границ относительного изменения формы мгновенного спектра сигнала Е, получаемого с помощью быстрого преобразования Фурье, как разность между текущим и предыдущим значениями мгновенного спектра. В найденных, таким образом, интервалах однородности спектра Е, свидетельствующих об определенном типе контактного взаимодействия, рассчитывалась взаимная спектральная плотность сигналов Е и А (ВСП), как энергетического параметра явлений протекающих на исследуемой поверхности.

Для получения количественной характеристики типа контактного взаимодействия использовалась разработанная многомерная оценка, получаемая путем вычисления среднего значения фазы ВСП на выбранных интервалах частот. Таким образом, каждому интервалу однородности соответствовало свое значение многомерной оценки. Полученный массив многомерных оценок подвергался группировке с разделением на классы. Анализ принадлежности оценки определенному классу проводился с помощью аппарата математической статистики, путем расчета центральных моментов второго порядка и использованием критерия Романовского.

Испытание методики регистрации и анализа сопряженных сигналов Е и А осуществлялось в процессе трения нндентора, изготовленного из твердосплавной пластинки Т5К10 о поверхность заготовки со скоростью /4

47 м/мин и подачей 0.05 мм/об. Заготовка имела участок с прижогами, полученными а результате шлифосашш. Регистрация сигналов нонтакт-ного взаимодействия производилась при времени дискретизации АЦП 1 мкс, что соответствовало участку поверхности длиной 0.5 мкм, находящемуся, следовательно, на мезоскопнческом структурном уровне рассмотрения. Общая площадь зарегистрированной поверхности составила 120 мм2.

В результате анализа и выделения классов строилась карта полей свойств исследуемой поверхности.

Расчет взаимной корреляционной функции между отдельными выделенными классами, распределенными по поверхности и характеризующими определенные свойства этой поверхности, и обработанным оптическим образом исследуемого участка с прижогами, полученным с помощью разработанной автоматизированной системы ввода, анализа и обработки оптической информации, выявил наличие значимой корреляционной связи между распределением одного из классов и распределением прижогов по поверхности.

В пятой главе решаются задачи оценки устойчивости воспроизведения многомерной оценки типа контактного взаимодействия и разработки технических требований л структуры универсальной системы оценки нсоялородностей свойств поверхности.

Анализ причин, вызывающих разрушение деталей з процессе их эксплуатации, показывает, что ведущую роль с разрушении играют различного рода неоднородности поверхностного слоя материала, выступающие п качестве концентраторов образования возбужденных межатомарных связе!', а геометрия дефектов обуславливает увеличение приложенного к телу напряжения до величины, приближающейся и прочности этих связей. Механические напряжения приводят к увеличению вероятности образования флуктуацнй, расхищающих я разражающих межатомные связи, накопление которых вызывает магистральные трещины, разрушающие материал.

Информацию о неоднородност;:х физико-механических сзойств поверхностного слоя дает разработанная многомерная оценка, получаемая в результате анализа изменения фазы взаимной спектральной плотности сигналов Е и А- ,

Результаты обработки экспериментальных данных показывают, что гля каждого сочетания инструментального и обрабатываемого материалов, имеется определенное число явно выраженных типовых классов.

Поскольку в проведенных экспериментах обеспечивалась привязка :игиалов Е и А к месту их генерации нз исследуемой поверхности, то это

15

позволило сделать вывод о том, что каждому локальному взаимодействию соответствует определенный тип контактного взаимодействия, выраженный в виде класса с характерным значением многомерной оценки.

Для уменьшения влияния различного рода факторов (изменение условий контакта, гетерогенность инструментального материала и т.д.) на формирование многомерной оценки типа контактного взаимодействия были разработаны и применены методы информационной фильтрации и классификации полученных многомерных оценок.

Исследования, проведенные с различными материалами индентора, выполненного из твердосплавных пластин Т5К10, ВК8 и быстрорежущей стали Р6М5, при трении по фиксированному участку поверхности, показали, что полученные на основе обработки и классификации многомерных оценок, карты полей свойств исследуемой поверхности идентичны. Это свидетельствует об эффективности разработанного метода информационной фильтрации и доказывает, что частотно-временные характеристики сопряженных сигналов Е и А несут, в основном, информацию о физико-механических свойствах обрабатываемого материала.

Для определения статистически достоверной повторяемости многомерной оценки проводился ряд экспериментов, заключающихся в регистрации сопряженных сигналов Е и А с различных участков поверхности, каждый из которых имел определенншй вид дефекта поверхности -прижог. Причем, все выбранные участки поверхности имели одинаковую общую площадь, но различное содержание прижога. Анализ участков однородности с получением многомерной оценки, характеризующей каждый такой участок, и выделением на этой основе классов показал, что на каждом исследуемом участке доминирует один класс. Расчет средних значений и дисперсий оценки для этих классов позволил утверждать, что с доверительной вероятностью 99% это один и тот же класс. Идентификация класса осуществлялась в результате расчета коэффициентов корреляции Гд между оптическим образом анализируемой поверхности (рис.4 ,а) и полем распределения по поверхности выделенного класса (рис.4,б).

- среднее значение яркости точек апертуры размером М'М ; Ту -вреднее значение яриссти точек апертуры, сответствугащнх наличию (лассл ; Т(1,к) - значение яркости гидеоизображения п 1-й строке и к-ом столбце У(1,кЬ0...255 ; Х(1,к) - признак наличия класса а 1-й строке и к-эм столбце карты распределения классов Х(1,к)=0,1 ; п - число

гочек апертуры ; п' - количество точек апертуры, обладающих признаком наличия класса ; - средненпадрзтичесное отклонение точек апертуры .

—■■Уг

а)

у,-

б) ^

Рис.4 Отображение иеодпородпостей свойств поверхности (пршяогов)

а) в оптпческои образе поверхности;

б) з поле зыделепао-го класса, волученно-го на основе аналога сягЕздоз Е а А.

и/"

Определение коэффициентов корреляции проводилось путем сканирования произвольно выбранного участка поля распределения класса (М=50*М*50 точек) по всему оптическому сбразу поверхности. Установлено, что при движении участка по оптическому сбразу поверхности коэффициент корреляции г, разный г;^ при приведении точек поля оптического изображения 0,]) к координатам реальной поверхности (Х,У), медленно возрастает и достигает своего максимума Г^^, значение которого в два раза превосходит уровень значимости при доверительной вероятности 99% для выборок такого размера (2500 точек) (рнс.5). Таной алгоритм позволлет существенно сократить время анализа и з течение

нескольких секунд произвести идентификацию выделенных классоз.

г Ряс. 5 Изгжкиптг коэффициента

........ ПОррСЛ.ТЦПП I

при ржчсте '' т взаимной коррс-ллцпоипо:': фупк-цпи между участ-Х,мы* кох» поля у

ленпого класса н

ОЦТ11ЧССКИМ

образом погертг-

ЯССГП.

аг*о

Для подтверждения полученных результатов рассчитывалась взаимная корреляционная функция мужду всем полем распределения класса и оптическим образом поверхности с прижогами. Значение полученного коэффициента корреляции и в этом случае подтверждает наличие значимой корреляционной связи между этими поверхностями.

Следовательно, выделенный доминирующий класс является классом, характеризующим прижог поверхности с определенным значением многомерной оценки.

На основании проведенных исследований предложена структурная схема универсальной системы оценки неоднородностей свойств поверхностей как непосредственно в процессе обработки резанием, так и на контрольных операциях при трении индентором об обработанную поверхность, а также обоснованы технические требования к этой системе, позволяющие осуществлять сьем сигналов Е и А с больших площадей поверхности и обрабатывать информацию в кратчайшие промежутки времени (порядка нескольких секунд).

В состав системы входит микропроцессор, постоянное и оперативное запоминающие устройства, аналого-цифровые преобразователи, селективные полосовые третьоктавные фильтры, датчик угла поворота и устройство индикации (индикаторное табло, дисплей). Разработано программное обеспечение, позволяющее регистрировать в реальном масштабе времени сопряженные сигналы Е и А и обрабатывать эти сигналы с построением карты полей свойств обработанной поверхности.

Система позволяет осуществлять оценку неоднородностей свойств поверхности в двух режимах. В первом режиме в результате регистрации и анализа сигналов Е и А , непосредственно в процессе обработки, выдается информация о возникающих неоднородностях (например -прнжогах) поверхностного слоя детали. Во втором режиме осуществляется запоминание сопряженных сигналов контактного взаимодействия со всего обрабатываемого участка и после обработки выдается карта полей свойств поверхности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.Разработана методика анализа распределения макронеоднороднос-тей поверхностного слоя материала на основе обработки сопряженных сигналов термо-ЭДС и виброакустической эмиссии, позволяющая оценивать всю площадь обрабатываемой поверхности.

Создан автоматизированный стенд регистрации сопряженных сигналов контактного взаимодействия на базе ЭВМ СМ 1420, крейта КАМАК и блока полосовых селективных фильтров.

Я

Разработано математическое обеспечение, позволяющее осуществить управление автоматизированным стендом, анализировать сигналы Е I А, классифицировать тип контактного взаимодействия и строить карты юлей свойств исследуемых поверхностей.

Установлено, что каждому дефекту поверхности соответствует свой гип контактного взаимодействия и, следовательно, свой характерный только ему класс.

2. Разработана автоматизированная система ввода, анализа и >бработки оптической информацнии о структурном составе поверхностей на базе ЭВМ 1ВМ РС - АТ, контроллера ввода ТУ- изображения, морфологического видеопроцессора, микроскопа БМИ-1Ц и телевизион-юй камеры. Система позволяет осуществлять автоматическое сканирова-ше исследуемой площади поверхности с фиксированием координат саждого снятого кадра изображения и обрабатывать полученное изобра-кение в минимально короткий промежуток времени (порядка нескольких :екунд).

3. Обоснованы представления о соотношении сигналов термо-ЭДС и шброакустической эмиссии при резании, заключающиеся в том, что при эазрушении связей в месте контакта инструмента и заготовки освобож-*ается энергия деформации в форме одновременно возникающих и по разному распространяющихся тепловых вспышек и волн упругой деформации.

4>. Разработана методика анализа распределения неоднородностей юверхностного слоя на мезоскопическом уровне для больших площадей кхледуемых поверхностей.

Создан автоматизированный стенд регистрации сопряженных :игналов Е и А в реальном масштабе времени, с четкой привязкой к «есту их возникновения, на базе ЭВМ СМ 1420, крейта КАМАК, АЦП и гниверсального токарного станка 16К20 с приводом плавного регулиро-¡анил главного движения.

Разработано математическое обеспечение мезоструктурного уровня шализа. позволяющее осуществлять управление стендом, обработку с трирлеченнем аппарата спектрального анализа и выдачу карты полей :войств исследуемой поверхности.

5. Предложены принципы построения многомерной оценки типа юнтактного взаимодействуя на оснопе анализа изм тления 'фазы взаимной :пектральной плотности сигналов Е и А. Показано, что локальные ризнко-механнческие свойства обрабатываемого материала отражаются в :пе:;тре сопряженных сигналов контактного взаимодействия.

6. Установлено, ' то для каждого сочетания инструментального и обрабатываемого материалов имеется определенное число явно выраженных типовых классов.

7. Показано, что материал индентора при трении о поверхность заготовки не влияет на формирование карты полей свойств обрабатываемой поверхности, получаемой на основе расчета многомерной оценки.

8. Доказано, что многомерная оценна, как мера количественной характеристики неоднородностей поверхностного слоя материала, обладает статистической воспроизводимостью.

9. Разработана цифровая термодинамическая модель генерации сигналов Е и А на основе имитации процесса распространения тепловых потоков и упругих волн деформации, возникающих в зоне контакта инструмент-заготовка, с учетом неоднородностей поверхностных слоес материала.

10. Разработана структура, обоснованы технические требования I создано математическое обеспечение экспресс-системы оценки неодно родностей свойств поверхностей как непосредственно в процессе механн ческой обработки, так и на контрольных операциях в результате тренш индентором о контролируемую поверхность. Система позволяет выдават) информацию о неоднородностях поверхности в процессе ее формирова иия или создавать карту полей свойств через короткий промежуто1

- времени (порядка нескольких секунд) после обработки.

Основные положения диссертации опубликованы в следую щи: работах:

].ОЛ.Кретивин,М.Ю.Соловье1,А.НЛаховии. Диагностирование режущег инструмент» на основе анализа ЭДС резания и ви6роанустнчес:гой эмиссии / Математическое обеспечение и автоматическое управление, высонопроизводнтеш ■имя процесамн механической и физико-химической обработки изделм; машиностроения: Тезисы докл-зоиальной науч.-техн.конференции,- Андропов, 1988 .

2.0.В.Кретивин,С.Е.ЦиберевА.Р.КларталовА.НЛахо11ии. Процессорная систем контроля состоязия режущего инструмента » условиях КАП // Итоги, проблемы перспективы комплексно-автоматизированных производств ■ машиностроении приборостроении: Тезисы докл. Всесоюзной иауч.-техя. конференции,- Горький, 199С

З.О^.Кретинин,В.ГиКегло*Л.НЛаховия. Диагностирование шероховатост обработав в ой по»ерхности при точении в условиях ГАП // Итоги, проблемы персиекти1Ы комплекса о- автоматизированных производств 1 машиностроении приборостроении: Тезисы докл. Всесоюзной науч.-техп.конференции.- Горький, 1990

¿.О.Р.Кретнвив,С.Е.ЦиберевА.Р.Кварталов,А.11Лахонии. Диагностирован« текущего состояния режущего инструмента | автоматизированном производстве Физическая оптимизация, управление и контроль процессов обработки резание! Тезисы доказоиалыюй науч.-техв. конференции.- Уфа, 1991.

5.0.В.КретмамА.НЛахоиив. Средства диагностики обработанной поверхносч ва оаерадикх лезвийной обработки // Ресурсе-, энерго сберегающие м ваукоемк»

технологии в пая ¡то- и приборостроении: Тезисы докл. П Всесоюзной пзуч,-

техн.конференции.- Москва, 1991.

б.О.В.Кретипня.В.П.ЖеглозД.НЛахопип.Система контроля работоспособности резкущего ипструнепта в ставках с ЧПУ // Аэтог!атизадия техяологячессой подготовки механообработки деталей па станках с ЧПУ: Тезисы докл. вауч.-техя. конференции.- Ленинград, 1991.

7.0.В.Кретипип, Л.НЛахопип. Производственная трлС>о?ехпн".ес:;ая система для одепнн пеоднородностей поверхности // Триботехника -каиипостроеаио: Тезисы докл. V"0Г1 науч.- техн. конференции.- Москва, 1991.

8.В.П.5КегловД.11ЛаховипД.Р.Кгарталов. Выбор эталонных параметров шероховатости при разработке устройста ее оперативного контроля // Прогрессивная технология н инструмент изготовления деталей иа-шип:Тезиси доял.регнопальпой яауч.-техп. конференции.- Н.Новгород, 1991.

У.О.В.Кретннип.С.Е.ЦиберевД.НЛахония. Моделирование механизма контактного взаимодействия инструмента и заготовки при резании // Прогресс«спая технология и ¡-хтрумент изготовления деталей маашн: Тезисы докл. региональной науч.-техн. конференции.- II.Новгород, 1991.

10. О.В.Кретиш!цД.НЛахопнн,Н.Ю.Голубев. Метод входного ковтрола

неоднородности сеойств поверхности монокристалла II Прогрессивные методы и средства обеспечения качества изготовлении деталей машин: Сборами тезисов докл. яауч.-техн. конференция.- Н.Новгород, 1992.

11.0.В.Кретипин,В.П.ЖегловД.НЛахояип.Устройство и метод оцеякн ссстоя-ния режущего инструмента на операциях фрезерования и точения // Прогрессивные методы и средства обеспечения качества изготовления деталей макшя: Сборник тезисов докл.иауч.-тсхн. конференции. - Н.Новгород, 1992.

12.0.В.Кретипин Д.Р.Кварталов Д.II Лахопип,Н.10.Голубе1. Атоматиэнрогазпая система анализа распределения свойств рабочей поверхности детали для протезирования ее работоспособности // Динамика станочных систем гибких г.зтсма-тмзирозанных производств: Тезисы докл. 1У-оЯ науч.-техп. конференции.- НЛовгсрод, 1992*.

13.0.В.КретшшпД.Р.КсарталовД.НЛахотт.НЛО.Голубе». Диагностика состоя-пил регкущего инструмента на основе оперативной ипфориации из зоны резаспя // Дчнаника стапотих систем гибких аЕтоиатизнрсваяных производстг: Тезиса докл.1У-ой науч.-техн. коцферепцин.-Н.Новгород, 1992.

14.0.В.КретишшД.Р.КварталовД.11Лахопня. Иннтациоаяая теплофтзячесгая недель контактного вз.-ииодейстгля в процессах лезвиГ.яоЯ обработки материалов // Теплофизика технологических процессов: Тезисы докл. УШ-ой гопфереяции.-Рыбинся, 1992.

15.0.В.Кретия!гяД.НЛахопип,НЛО.Голубев. Метод оценки неоднородности свойств поверхностей с помощью изнереаля .тепяофязшегхях ^арахтеристиз контактам! гвлеяий при обработке // Теплофизика технологических процессов: Тез исы докл. УШ-ой конференции,- Рыбинск, 1992.

16.0.В.КретининЛ.Р.Квзрталов, А.НЛахопия. Методика сбнарутаеякп иакро-псоднородпостсй свойств поверхности деталей.// Методы и срс^.тва оцепни н повышения надежности приборов, устройся л систем: Международная идуч.-техв.

; П-.-нза, 1993. с. 4143.

17.0Л>.Кпе?1!!г.-:1 Д.НЛахонип Д1.10Т'олубе*,СЛЛ\т,чр!пт. ХладсяОвка^иа областей яеодаородаести свойстз поверхности ептичеезкм методой // Наукоемкие

технологии в машиностроении и приборостроевии: . Российская вауч.-техи. конференция.- Рыбинск, 1994..

18. О.В.КретинивЛ.НЛахониаЛ J'-KiapiinoB, Н.Ю.Голубев. Методика исследо ■ания отображения поверхностных свойств деталей для прогнозирования их работе способности. // Наукоемкие технологии ■ машиностроении и приборостроении: Российская вауч.-техв. конференция. - Рыбинск, 1994. .

19. О.В.Кретинин, A.HJIlxohhh, С.Е.Циберев, Н.Ю.Голубев. Метод и система обнаружения веодяородноствй свойств поверхности на примере пришогов И Наукоемкие технологии (машиностроении и приборостроении: Российская науч. -техн. ковферевпия.-Рыбивск. 1994.'

20. Crietinin O.V.»CTartalor AJR.,Lahonin A.N.,Golubev NJ. Routine monitoring of cutting tool and machined surface state.// Study of metal cutting and forming processes, Eurometalworking 94, Udine, Italy, 1994 r.