автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Повышение эффективности определения состояния режущего инструмента на основе спектрального анализа шероховатости обработанной поверхности детали

Министерство высшего и общего профессионального образования

Российской Федерации

Московский государственный технологический университет

«СТАНКИН»

На правах рукописи

УДК 621.9.02.08.: 531.717(043.3)

ШУЛЕПОВ АЛЕКСЕЙ ВИЛЕНИНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ

РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ШЕРОХОВАТОСТИ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

ДЕТАЛИ.

Специальность 05.11.16- Информационно-измерительные системы

(в машиностроении)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

Доктор технических наук, профессор, академик Метрологической Академии, заслуженный деятель науки и техники РФ

H.H. Марков

Доктор технических наук, профессор, академик Метрологической Академии,

В.И. Телешевский

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

с.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................. 7

Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................... 11

1.1. Виды отказов лезвийного режущего инструмента............. 11

1.2. Методы определения состояния режущего инструмента...... 14

1.3. Определение состояния режущего инструмента вне процесса резания.............................................................. 21

1.4. Анализ возможности определения износа режущего инструмента по поверхностным неровностям обработанной детали............................................................................. 23

1.4.1. Определение состояния режущего инструмента по изменению значений стандартизованных параметров шероховатости........................................................................ 26

1.4.2. Определение состояния режущего инструмента по изменению значений нестандартизованных параметров шероховатости..................................................................... 29

1.5. Выводы и постановка задачи исследования..................... 33

Глава 2. ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ НЕРОВНОСТЕЙ (ШЕРОХОВАТОСТИ) ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ ЛЕЗВИЙНЫМ РЕЖУЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ. ОБОСНОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО ПОДХОДА К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОФИЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА.......................... 36

2.1. Образование поверхностных неровностей под действием управляемых и неуправляемых факторов процесса резания...... 37

2.1.1. Особенности образования поверхностных неровностей при обработке многолезвийным РИ.................................... 44

2.1.2. Влияние износа инструмента на образование поверхностных неровностей.......................................................... 45

2.1.3. Физико-технологическая модель профиля поверхностных неровностей.................................................................. 48

2.2. Обоснование математической модели профиля шероховатости как пространственной случайной функции................... 51

2.2.1. Свойства случайной функции - профилей поверхностных неровностей, полученных при чистовой обработке резанием............................................................................... 52

2.3. Спектральное представление профилей поверхностных неровностей для определения параметров, чувствительных к износу инструмента.......................................................... 54

2.4. Заключение и выводы по Главе 2.................................. 59

Глава 3. РАЗРАБОТКА СПЕКТРАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ НЕРОВНОСТЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ИЗНОСА (СОСТОЯНИЯ) РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА........................................................................ 62

3.1. Установление характера изменений спектрального состава профиля поверхностных неровностей как случайной функции

при износе режущего инструмента.................................. 62

3.1.1. Выбор диапазона пространственных частот составляющих профиля неровностей поверхностей при обработке лезвийным режущим инструментом........................................ 72

3.1.2. Исследование изменений СПМ профиля неровностей поверхности при износе режущего инструмента.................. 74

3.2. Параметр шероховатости для оценки износа режущего инструмента, учитывающий изменение мощности спектральных составляющих профиля поверхностных неровностей в выбранных интервалах пространственных частот............................ 84

3.2.1. Суммарная мощность спектральных составляющих профиля в выделенных диапазонах пространственных частот как параметр шероховатости поверхности для оценки износа (состояния) инструмента...................................................... 87

3.2.2. Выбор количества интервалов пространственных частот на спектральных характеристиках профилей поверхностных неровностей.................................................................. 94

3.3. Параметр шероховатости для оценки износа режущего инструмента, учитывающий изменение эквивалентной полосы пространственных частот спектральных составляющих профиля поверхностных неровностей.......................................... 97

3.4. Заключение и выводы по Главе 3................................. 103

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ НЕРОВНОСТЕЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗНОСА РЕЖУЩЕГО

ИНСТРУМЕНТА............................................................ 107

4.1. Методика экспериментальных исследований влияния износа инструмента на шероховатость обработанной поверхности.............................................................................. 107

4.1.1 Методика исследований при чистовом и тонком точении... 107

4.1.2 Методика исследований при чистовом фрезеровании...... 110

4.1.3.Методика исследований при протягивании шлицевых

втулок.......................................................................... 111

4.2. Экспериментальная измерительная информационная система для исследования состояния режущего инструмента

по шероховатости обработанной поверхности........................ 113

4.3. Программно - математическое обеспечение ИИС для обработки измерительной информации и спектрального анализа профилей шероховатости.................................................. 122

4.3.1. Последовательность предварительной цифровой обработки измерительной информации и определения стандартизованных параметров.............................................................. 123

4.3.2. Программно-математическое обеспечение спектрального анализа профилей шероховатости как случайной функции....... 124

4.3.3. Алгоритмы определения спектральных параметров профиля шероховатости для определения износа инструмента................................................................................ 128

4.4. Программно-математическое обеспечение статистических исследований спектральных параметров шероховатости......... 134

4.4.1. Исследование статистической значимости изменений параметров шероховатости при износе режущего инструмента. Дисперсионный анализ параметров шероховатости и зависимостей......................................................................... 135

4.4.2. Исследование корреляционной связи стандартизованных параметров шероховатости и спектральных параметров........... 137

4.5.Результаты экспериментальных исследований спектральных параметров шероховатости при определении износа режущего инструмента.......................................................... 143

4.5.1. Экспериментальные исследования стандартизованных параметров шероховатости при износе режущего

инструмента при точении................................................ 144

4.5.2. Экспериментальные исследования спектральных параметров шероховатости при износе режущего инструмента при точении........................................................................ 153

4.6. Результаты экспериментальных исследований параметров при чистовом фрезеровании и точении................................. 175

4.7. Заключение по Главе 4................................................ 201

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ В ИИС ДИАГНОСТИКИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПО

ШЕРОХОВАТОСТИ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ....... 203

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

РАБОТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................... 211

ЛИТЕРАТУРА............................................................... 217

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................. 226

ВВЕДЕНИЕ

Внедрение компьютеризированных интегрированных производств (КИП) металлообработки невозможно без всестороннего повышения точности и надежности работы их узлов и систем. Звеном, существенно снижающим точность изделий, производительность и надежность процесса обработки, является режущий инструмент.

Современная концепция создания КИП механообработки предусматривает оснащение их системами контроля состояния и работоспособности всех узлов, в том числе, и системами определения состояния (диагностики) режущего инструмента.

Применяемые методы диагностики инструмента обладают различной эффективностью, под которой в данной работе понимается способность максимально изменять значение диагностического параметра в зависимости от характера и значения выбранного критерия отказа режущего инструмента (РИ).

Известные методы определения состояния инструмента обладают недостаточной эффективностью при чистовой обработке, когда окончательно формируется геометрическая точность и физико-механические свойства поверхностей, пройден весь сложный и затратный цикл предварительной обработки, а брак из-за отказа РИ недопустим. В связи с этим возникает задача существенного повышения эффективности диагностики РИ при чистовой обработке.

Решению этой актуальной задачи посвящена данная работа, в которой предлагается новый метод определения состояния РИ. Особенность метода заключается в том, что в качестве источника диагностической информации о состоянии РИ предлагается использовать шероховатость обработанной им поверхности. Такой подход позволяет из измеренной профилограммы извлекать информацию не только о шероховатости поверхности детали, но и информацию о состоянии самого РИ, образовавшего эту поверхность. Тем самым открывается возможность проводить диагностику РИ на этапе технического контроля шероховатости поверхности обработанной детали.

Актуальность данной работы подтверждается тем, что она осуществлялась в 1989-1994 г.г. по Государственной подпрограмме «Технология, машины и производства будущего» Миннауки РФ в рамках, выполняемого МГТУ «Станкин» проекта «КИП ЗВИ».

Целью работы является повышение эффективности определения состояния режущего инструмента при чистовой обработке посредством применения спектральных методов анализа профилей шероховатости поверхностей, обработанных этим инструментом.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Выявлена взаимосвязь износа режущего инструмента и спектральной плотности мощности профиля поверхностных неровностей как случайной пространственной функции.

2. Установлены спектральные параметры шероховатости, эффективно реагирующие на износ инструмента при чистовой обработке.

3. Раскрыт механизм влияния факторов, действующих в технологической системе механической обработки, на формирование профиля шероховатости и его спектральный состав.

4. Определены принципы построения и структура измерительной информационной системы (ИИС) диагностики РИ на основе спектрального анализа профиля поверхностных неровностей.

Практическая ценность работы.

1. В результате проведенных исследований разработана методика определения износа РИ по спектральным характеристикам профиля шероховатости обработанной поверхности. Установлены общие закономерности изменения спектральных характеристик при износе инструмента, которые позволяют применять этот метод для диагностики инструмента различного типа.

2. Предложена методика проведения спектрального анализа поверхностных неровностей (шероховатости) как пространственной случайной функции.

3. Разработаны ИИС и программно-математическое обеспечение, которые позволяют при едином источнике измерительной информации и едином измерительном преобразовании судить о геометрических пара-

метрах поверхности, проводить диагностику РИ и других элементов технологической системы, отображающихся на шероховатости обработанной поверхности.

4. Разработаны рекомендации по применению разработанных спектральных параметров шероховатости для создания в КИП систем диагностики, организованной как обучаемая система распознавания образов. Разработаны алгоритмы функционирования такой системы диагностики при обучении и распознавании.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. На основе физико-технологических представлений о формировании поверхности при чистовой обработки резанием доказано, что профиль шероховатости является источником диагностической информации о состоянии инструмента, обработавшего эту поверхность.

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлено, что стандартизованные высотные и шаговые параметры шероховатости обладают низкой чувствительностью к изменениям профиля при износе режущего инструмента в условиях чистовой обработки.

3. Существенное повышение эффективности определения состояния режущего инструмента по шероховатости достигается при использовании спектральной плотности мощности профиля поверхностных неровностей как пространственной случайной функции.

4. Найдены новые параметры для оценивания изменений спектральной плотности мощности, непосредственно связанные с состоянием инструмента, эффективность и чувствительность которых подтверждается теоретически и экспериментально.

5. Найденные параметры положены в основу ИИС диагностики состояния режущего инструмента, структура и алгоритмическое содержание которой базируются на любых профильных методах измерений, и представляет собой обучаемую систему распознавания образов.

Методы исследования. Аналитические исследования профилей шероховатости проводились с использованием теории случайных функций, спектрального анализа, интегральных преобразований Фурье, теории вероятности, теории резания. Обработка результатов экспериментов выполнялась методами математической статистики. Спектральные характеристики профилей шероховатости получены методами цифрового спектрального анализа.

Реализация работы. Результаты работы и экспериментальная ИИС внедрены при проведении НИР на кафедрах резания, металловедения, инструментальное производство МГТУ «Станкин», в учебном процессе кафедры измерительных информационных систем и технологий. Результаты работы используются во Всероссийском НИИ метрологической службы (ВНИИМС) при разработке методических материалов по микрогеометрии и эксплуатационным свойствам поверхностей.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 изобретения, 2 зарегистрированных отчета по НИР.

Глава ¡.АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

На современном этапе развития технологии производства изделий машиностроения, несмотря на значительные успехи, достигнутые в области порошковой металлургии, пластической обработки металлов и прецизионного литья, обработка резанием остается одним из основных процессов, обеспечивающих высокое качество и точность обработки при высокой производительности, экономичности и гибкости.

Режущий инструмент (РИ) в процессе механической обработки подвергается действию высоких механических напряжений, температур, вибраций, сложным физико-химическим взаимодействиям с обрабатываемыми материалами. Доля отказов РИ составляет до 63% от общего числа нарушений работоспособности автоматизированных технологических систем механической обработки [40,82].

Под нарушением работоспособности (отказом) РИ принято понимать изменения геометрических параметров, режущих свойств и другие изменения, приводящие к невозможности обработки данным инструментом. При некоторых видах отказов работоспособность инструмента частично сохраняется, но ири использовании такого РИ оказываются необеспеченными параметры геометрической точности обработанных деталей (точность размеров, формы, взаимного расположения и шероховатости поверхностей) и физико-механические свойства поверхностей. При этом ТС подвергается повышенным силовым воздействиям, вибрациям и т.п., что приводит к преждевременному износу и потери точности оборудования.

1.1. Виды отказов лезвийного режущего инструмента.

Для лезвийного РИ (резцы, фрезы, протяжки, сверла, развертки и др.) выделяют износ передней и задней поверхностей, граничный износ режущей кромки, хрупкие разрушения участков режущих

кромок (скалывания и выкрашивания), пластические деформации, термические трещины и другие виды нарушений работоспособности.

Исследованиям причин, особенностей, видов износа посвящены работы многих исследователей, в том числе М.Н. Ларина, А.И.Исаева, Г.И. Грановского, H.H. Зорева, Т.Н. Лоладзе, В.А. Криво-ухова и др. Обобщение результатов исследований позволяет указать на некоторые общие закономерности износа лезвийного РИ. В зависимости от условий и режимов резания, свойств инструментального и обрабатываемого материалов превалирующий износ наблюдается на главной задней поверхности, на задней вспомогательной поверхности в области переходной режущей кромки (для режущих пластин с радиусом при вершине) или у вершины инструмента (рис.1.1), на передней поверхности. В некоторых случаях возможен одновременный износ передней и задней поверхностей [40].

При чистовой обработке, которая характеризуется малой толщиной среза, высокими скоростя�