автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение производительности и обеспечение функциональной надежности непрерывного резания путем оперативного управления процессом обработки

На правах рукописи

Терёшин Михаил Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ НЕПРЕРЫВНОГО РЕЗАНИЯ ПУТЕМ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОБРАБОТКИ

Специальность: 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 О ОКТ 2013

Москва 2013 г.

005534699

005534699

Работа выполнена на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: Верещака Анатолий Степанович

Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», профессор кафедры «Технология машиностроения».

Клепиков Виктор Валентинович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Московский Государственный индустриальный университет (МГИУ), профессор кафедры «Технология и металлорежущие системы машиностроения»

Швецов Игорь Васильевич

доктор технических наук, ФГБОУ ВПО Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого, профессор кафедры «Технология машиностроения».

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

машиностроительный университет «МАМИ»

Защита диссертации состоится «21» ноября 2013г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д212.142.01 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. ЗА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Ваш отзыв в двух экземплярах на автореферат, заверенный печатью, просим направить по указанному адресу.

Автореферат разослан «_0$3 ЮЮГ^ 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета

М.А. Волосова

Актуальность проблемы. Современные металлообрабатывающие производства характеризуются тенденцией снижения доли массового производства машин и увеличением доли мелкосерийного и единичного производства. При этом идеология автоматизации в машиностроении все больше ориентируется на использование гибких производственных систем (ГПС) металлообработки, предназначенных для изготовления большого количества разнообразных деталей с ограниченным участием оператора.

В настоящее время, в связи с нестабильным качеством изготовления и термической обработки инструмента, а также возможными колебаниями размеров и физико-механических свойств обрабатываемых заготовок, режимы резания, назначаются значительно ниже нормативных с целью обеспечения функциональной надежности процесса резания. При этом расчетный период стойкости может доходить до 60... 120 минут, что не может считаться оптимальным для станков с ЧПУ в связи с высокой стоимостью станкоминуты.

Одним из путей обеспечения надежности процесса резания является использование систем оперативного управления, путем изменения в течение рабочего хода инструмента режимов резания на основе диагностирования технологической системы. Возможность диагностирования и управления процессом резания обеспечивается наличием свободных вычислительных мощностей в современных системах ЧПУ станков, а также использование на них приводов с бесступенчатым регулированием скорости главного движения и движения подачи. В этом случае надежность технологических систем будет определяться надежностью систем диагностирования и управления, работающих в автоматическом режиме.

В ряде случаев, например при изготовлении длинных валов, в судовой или бумагоделательной промышленности, когда вся поверхность детали должна быть обработана одним инструментом за один проход, машинное время обработки может составлять десятки часов. В этом случае, при изменении условий резания, связанных с износом инструмента, или колебаниями параметров заготовок, обеспечение надежности, при обработке на постоянных режимах резания практически невозможно.

Поэтому повышение производительности и обеспечение функциональной надежности обработки при непрерывном резании путем оперативного управления на основе многопараметрического диагностирования в условиях возможных изменений параметров начального состояния инструментов, а также размеров и физико-механических свойств обрабатываемой заготовки является актуальной научно-технической проблемой.

Цель работы. Повышение производительности обработки и обеспечение функциональной надежности системы непрерывного резания путем оперативного управления на основе стабилизации на предельно допустимом уровне значения максимальной температуры на рабочих поверхностях инструмента, фиксируемой в реальном времени посредством многопараметрического диагностирования состояния инструмента и заготовки, а также измерения мощности резания.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать структуру системы резания с целью выявления воздействующих на нее факторов и описывающих ее состояние параметров;

- выявить возможные изменения переменных факторов процесса резания в течение периода стойкости инструмента;

установить параметры процесса резания, определяющие его функциональную надежность, а также методы их контроля;

- установить связи параметров процесса резания, определяющих его функциональную надежность с факторами процесса резания;

- разработать метод многопараметрического диагностирования процесса резания с использованием необходимого и достаточного количества фиксирующих устройств, устанавливаемых на станок;

- разработать модель оперативного управления процессом резания путем изменения режимов резания в течение рабочего хода лезвийного инструмента.

Методы исследований. Теоретические исследования основываются на базовых положениях теории резания материалов, методах математического и компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводили в лабораторных и производственных условиях с использованием современного станочного оборудования и измерительных средств. При обработке результатов экспериментов использовали средства вычислительной техники с применением положений теорий вероятности и планирования экспериментов.

Научная новизна работы заключается в:

- модели оперативного управления процессом непрерывного резания, обеспечивающей максимальную производительность и функциональную надежность обработки путем стабилизации максимальной температуры на рабочих поверхностях инструмента;

- связях температурных полей в очагах превалирующего износа инструментов с режимами резания, свойствами материала заготовки, величиной износа инструмента;

- функциональных зависимостях крутящего момента, осевой силы и максимальной температуры у периферийной части осевого инструмента, учитывающих влияние величины износа инструментов, режимов резания и свойств обрабатываемого материала;

методе многопараметрического диагностирования на основе распознавания возмущающих факторов процесса резания, к числу которых отнесены параметры состояния инструмента и свойства материала заготовки;

- обобщенной модели управления процессом резания на основе диагностирования состояния инструмента и обрабатываемой заготовки с последующей коррекцией режима резания с целью обеспечения максимальной производительности обработки.

Практическая ценность состоит в:

- программном комплексе для многопараметрического диагностирования состояния инструмента и заготовки, основанном на одновременном измерении

и комплексном анализе диагностических признаков, число которых равно числу возмущающих факторов, воздействующих на процесс резания;

- опытном образце блока управления приводом станка, предназначенного для использования, как на универсальных станках, так и на станках с ЧПУ с целью повышения производительности и обеспечения функциональной надежности процесса непрерывного резания;

- рекомендациях по повышению стойкости инструмента в процессе непрерывного резания в условиях переменных, в течение периода стойкости инструмента, режимов резания;

- методике определения допустимого износа осевых инструментов при обработке серого чугуна различной твердости в широком диапазоне режимов резания;

- методике обеспечения обоснованных режимов резания при эксплуатации инструмента на режиме максимальной производительности.

Реализация результатов работы

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН" по заданию Минобрнауки России №2.1.2/12315 от 07.02.2011 на проведение НИР "Научно-методические основы создания и применения систем диагностирования и мониторинга состояния в реальном времени прогрессивных технологических процессов металлообработки", а также в рамках государственного контракта с Минобрнауки России № 16.552.11.7071 от 12.07.2012 г. по теме "Проведение в ЦКП «Государственный инжиниринговый центр» комплексных исследований в области разработки и практической реализации инновационных информационно-управляющих систем для диагностирования состояния и повышения эксплуатационной надежности ответственных технологических систем в машиностроении и металлообработке".

Разработанный образец системы оперативного регулирования процесса резания показал положительный результат при испытаниях на Новгородском машиностроительном заводе «Энергия», машиностроительном предприятии ООО «Сатурн», опытном производстве Технологического Центра ООО «КамАЗ», ЗАО «Ремдизель» - г. Набережные Челны, ОАО «Красногорский завод им. Зверева» - г. Красногорск.

Результаты работы используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН" и других вузах в рамках преподавания дисциплины "Надежность и диагностика технологических систем".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских научно-технических конференциях «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» - Тольятти 2011г., «Проблемы исследования и проектирования машин» - Пенза 2011 г., «Системы управления жизненным циклом изделий авиационной техники: актуальные проблемы, исследования, опыт внедрения и перспективы развития»

- Ульяновск 2012 г., «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» ИМАШ РАН, Москва 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 научных работ, в том числе 13 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент России на полезную модель, 1 монография.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (96 наименований) и приложения. Общий объем диссертации 312 страниц, включая 64 рисунка и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность повышения производительности и обеспечения функциональной надежности непрерывного резания путем оперативного управления на основе многопараметрического диагностирования его состояния в условиях возможных изменений параметров начального состояния инструментов, а также размеров и физико-механических свойств обрабатываемой заготовки, определена цель работы, дается ее общая характеристика, формулируется научная и практическая значимость.

В первой главе приведен анализ состояния проблемы повышения производительности и обеспечения надежности ГПС. Проанализированы особенности процесса резания и эксплуатации инструментов в условиях мелкосерийного автоматизированного производства, исследована структура технологических систем металлообработки. Обоснована необходимость дополнительных исследований процесса резания, разработки методик многопараметрического диагностирования и оперативного управления. Показаны пути повышения надежности процесса резания в условиях ГПС, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Одними их первых работ, посвященных научно-методическим основам диагностики инструмента в процессе резания с использованием различных физических параметров процесса, являются работы В.А. Синопальникова, А.Г. В.Н. Подураева, C.B. Васильева, М.П. Козочкина. Большой вклад в дальнейшее развитие диагностирования состояния процесса резания, инструмента и оборудования внесли B.C. Хомяков, С.Н. Григорьев, Ф.С. Сабиров и др.

Анализ исследований по диагностированию состояния инструмента показывает, что они неразрывно связаны с теорией резания материалов, теорией надежности современное развитие которых представлено в трудах В.К. Старкова, A.C. Верещака, В.А. Гречишникова, В.А Синопальникова и др.

Вопросы регулирования и управления процессами механической обработки в условиях ГПС отражены в работах Б.С.Балакшина, Ю.М.Соломенцева, С.С.Силина, В.А.Тимирязева, и других ученых.

Процесс резания в условиях мелкосерийного автоматизированного производства имеет две основные особенности, связанные с особенностями производственного процесса. Это, во-первых, гибкость, то есть возможность

4

обработки широкой номенклатуры изделий небольших партий из различных материалов с различными требованиями к точности и шероховатости обработанных поверхностей. Во-вторых, безлюдность, характеризующаяся отсутствием контроля со стороны оператора за состоянием инструмента во время автоматической работы технологической системы.

Гибкость производственной системы предполагает возможность обработки с различными, рациональными условиями (режимы резания, технологические среды и т.д.) при поступлении на обработку различных деталей из различного материала в случайной последовательности. Кроме того, использование в производственном процессе оборудования с ЧПУ и объединение станков в 1 ПС вызывают необходимость интенсификации режима обработки деталей из-за повышения, по сравнению с универсальными станками, стоимости станкоминуты работы оборудования.

Определение скорости резания по существующим методикам, основанное на использовании аналитического или табличного способа, фактически решает одну конкретную задачу — обеспечение задаваемого времени работы инструмента, как наиболее «слабого звена» в технологической системе. При таком расчете, используя различные справочники, можно получить значения режимов резания для одинаковых условий, различающиеся в 1,5-2 раза.

В настоящее время наиболее обоснованной следует признать методику расчета элементов режима резания, основанную на определении оптимальной стойкости инструмента, исходя из соотношения стоимости инструмента и станкоминуты работы оборудования. Вместе с тем, само понятие стойкость, характеризующее работоспособность инструмента и выраженое в единицах времени, имеет смысл лишь тогда, когда обработка осуществляется на постоянном за период стойкости режиме резания. При работе с переменными режимами временные характеристики работоспособности инструмента практически теряют смысл. Поэтому современные методики назначения режимов резания, основанные на соотношении стоимости станкоминуты работы оборудования и временных характеристиках работоспособности инструмента при работе на переменных режимах резания не приемлемы.

Безлюдность работы гибкой производственной системы предъявляет повышенные требования к надежности эксплуатации инструментов в автоматическом режиме. Для этого функции оператора, осуществляющего контроль процесса резания и его коррекции, должны быть переданы системам диагностирования и оперативного управления.

Диагностика в технике относительно молодая отрасль знаний. В технологии металлообработки она стала получать заметное развитие начиная со второй половины 1970-х годов. В эти годы в ЭНИМСе создается так называемый универсальный многоканальный монитор (КДР), в НПО "Измеритель" - встраиваемые в станок датчики: диагностические подшипники, втулки опор ходовых винтов и др. Проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, связанные с поиском физических параметров, в наибольшей степени коррелирующих с текущей работоспособностью

инструмента: износом по задней поверхности, размерным износом, ЭДС резания и температурой, силой резания и крутящим моментом, шероховатостью поверхности, уровнем вибрации и акустической эмиссии, силой тока или потребляемой мощностью и др.

В это же время ряд зарубежных фирм проводит работы по созданию контрольно-диагностичекого оборудования. Разрабатывается устройство диагностирования инструмента и процесса резания Monitor А японской фирмой Fanuc, интерфейс системы диагностирования американской National Instruments, рядом фирм предлагаются датчики функциональных параметров процесса обработки: немецкими Kistler и Prometec GmbH Aahen пьезоэлектрические датчики для измерения сил резания и колебаний, шведской Sandvik тензометрические втулки ходовых винтов, немецкой Promess диагностические подшипники.

Ряд зарубежных стран, таких как Канада (Исследовательский институт Британской Колумбии), США (Университет Мичигана), Япония (Mitsubishi Material Corporation) и Германия (Kistler Instrumente AG) в 1998 году объединяется в работе над единым проектом Sensor Fused Intelligent Monitoring System for Machining (SIMON) по разработке систем автоматического диагностирования. Проводятся исследования по таким направлениям как интеллектный мониторинг, интерфейсы интеллектных датчиков, динамические модели сил резания для мониторинга, системы диагностирования и управления и др. В ходе проведения Европейской программы исследований ЕС FP6 Innovative Production Machines and Systems (PPROMS 2004-2009) был определен и разработан плана развития рекомендуемых исследований эффективных технологий по направлению "Интеллектные сенсорные технологии в производстве " до 2017 года. Основные направления: новые типы датчиков и сенсорные системы, продвинутая обработка сигналов датчиков и интеллектный сенсорный мониторинг.

Большой вклад в развитие диагностики и управления процессом резания внесли такие зарубежные ученые, как В. Клуфт, С.Парк, Р.ДеВор, Д-С.Ким, и др. - в области исследования силовых параметров. ЛМ.Роджерс, Д.Люенбергер, В.Хандт, Ф. Рехстейнер - виброакустические и акустоэмиссионные методы диагностирования. В.Карпушевски, Ф.Клок, Д.Веселовак и другие — в изучение адаптивного управления процессом резания.

Существует большое количество параметров процесса резания, которые предлагается использовать в качестве диагностических признаков состояния режущего инструмента: ЭДС резания, температура, составляющие силы резания, крутящий момент, уровень вибраций и акустическая эмиссия и др. Анализ литературных источников показывает, что поломка (дискретное изменение состояния) инструмента наиболее эффективно распознается по уровню виброакустического сигнала, а износ (монотонное непрерывное изменение состояния) - с использованием силовых параметров.

Разработка принципов диагностирования и оперативного управления основано на представлении процесса резания как системы, поэтому начинается

с анализа его структуры, содержащей основные элементы и их взаимосвязи, то есть их воздействие на процесс резания, а также воздействие со стороны процесса резания на них (рис.1).

Определяющие параметры

Система автоматического регулирования

Параметры состояли«

Инструмент

тглг

Приспособление

Подсистема функциональной надежности

И

Подсистема

параметрической

надёжности

Датчики

аараметров

Ж

Детчйшпаракетров качестваобработки

Функциональные параметры

Факторы процесса резания

Процесс резания

[Параметры -качества

»=3

Параметры состояния

Заготовка

Приспособление

Система управления приводами станка

СТАНОК

Рис.1. Структурная схема технологической системы резания.

Процесс резания характеризуется двумя группами характеристик, определяющих воздействие на него и описывающих его состояние. К первой группе характеристик относятся факторы - то есть независимые переменные физические величины, определяющие воздействие. Ко второй группе -параметры - то есть зависимые от факторов переменные физические величины, определяющие состояние процесса. На рисунке 1 факторы — это входящие стрелки, параметры — исходящие.

Целью проводимого анализа структуры конкретной технологической системы металлообработки является выявление как управляющих, так и возмущающих факторов процесса резания, а также параметров, значения которых должно быть стабилизировано системой управления. Для этого в первую очередь необходимо контролировать текущие значения принятых стабилизируемых параметров.

В настоящее время контроль параметров процесса резания осуществляется соответствующими устройствами. Каждому контролируемому параметру соответствует свой датчик с системой получения, обработки и фиксации измеренных значений. При этом станок оснащается большим количеством

датчиков, преобразователей и фиксирующих устройств. Данный подход может быть успешно реализован и используется в лабораторных условиях для проведения научных исследований, однако, его применение в действующем производстве чрезвычайно затруднено.

На основании проведенного анализа научно-технической информации сформулированы цель и задачи исследований, изложенные выше.

Во второй главе представлена обобщенная модель оперативного управления процессом непрерывного резания, на режиме максимальной производительности обеспечивающая, на основе разработанного метода многопараметрического диагностирования состояния процесса резания, функциональную надежность технологических систем металлообработки.

В настоящее время задачи повышения производительности резания и обеспечения функциональной надежности являются взаимоисключающими. Так, функциональная надежность технологических систем обеспечивается в основном за счет назначения заведомо заниженных режимов резания, обеспечивающих значения функциональных параметров значительно ниже допускаемых. Вместе с тем, как отмечалось выше, в связи с высокой стоимостью станкоминуты работы оборудования, режимы резания должны быть форсированы, вплоть до режимов максимальной производительности.

Режим максимальной производительности - это такая совокупность управляющих факторов процесса резания (режима резания), при которой обеспечивается максимальная производительность обработки, а приращение значения любого из факторов на некоторую величину с!х приводит к немедленному функциональному отказу технологической системы в целом. Повышение подачи, и как следствие, повышение силы резания выше предельно допустимого значения приводит к поломке инструмента. Повышение скорости резания, а следовательно, превышение максимальной температурой значения теплостойкости инструментального материала - к катастрофическому износу. Интенсификация режима максимальной производительности невозможна.

Обеспечение функциональной надежности процесса резания сводится к стабилизации его функциональных параметров в допускаемых пределах (рис.2). Нестабильность процесса резания возникает в результате случайного характера воздействий на него со стороны неизвестных возмущающих факторов, к числу которых относятся изменения переменных параметров режущего инструмента (износ) и возможные колебания от заготовки к заготовке размеров и физико-механических свойств обрабатываемого материала. При резании с постоянными режимами в этом случае случайными, нестабильными становятся и параметры процесса резания — составляющие силы резания, температура, вибрации и др. Для компенсации в реальном времени случайных воздействий неизвестных возмущающих факторов и помех, режим резания должен принудительно корректироваться системой управления.

Стабилизация значений параметров процесса резания на уровне близком, но не превышающем допускаемого и является условием обеспечения функциональной надежности процесса резания на режиме максимальной

производительности. Такая стабилизация обеспечивается только путем изменения в течение рабочего хода инструмента режима резания. Поэтому в дальнейшем такое резание будем именовать «управляемым резанием».

I Надежное!ь I

[ Шммстармсия | | Ч»уяілі>ичцщт|

«•ЦЯ»', Г ЧСС«и)4|Р}

ГТірт] О «1С0П«1| Я® )

Н>№%»к yctM.it

І' (РЦР ВЖЧІ- к |И ■ V« о»і 1Ь .ШЧйШв РСА1ІМІ 11!'| Г -

| ЦрОН1ЮД«ТС-1УИОСТ>~

І1Р - пик

Ч іКІ'КМІКЧММВ || Т'-ЧсННГ С1»1И

' і "----г

Коичишія режимі Рж»! іл\«и

чрмпияишидии« ПРм*

Рис. 2. Модель оперативного управления процессом непрерывного резания, обеспечивающая его функциональную надежность, при обработке с максимальной производительностью.

Для реализации предложенной модели система управления в каждый момент времени резания должна иметь информацию о значении различных параметров процесса резания, принятых в качестве критериев управления. Если измерение какого-либо параметра процесса резания в производственных условиях невозможно, или технически не целесообразно, то его значение может быть определено в результате диагностирования процесса резания иа основе распознавания воздействий со стороны неизвестных возмущающих факторов.

Для этого, выявляются связи всех, как управляющих, гак и возмущающих факторов с параметрами, принятыми в качестве диагностических признаков.

1'1ф1Х/1<*ОШНГ фипэрк.1 ■иршктры *»Х4,Х, Х0

Процесс резания

*4 Р>-«*..«, ЧХ..Х,. X)

Во 1 иущиощне факторы X.

».•и*.* ЯьХьХ). ..£>

Рис. 3. Связи фак торов и параметров процесса резания

Связи факторов и параметров процесса резания (рис. 3) представляются в виде математических зависимостей типа Р|„= Хи), где Х|.,- управляющие факторы; X,, - возмущающие факторы: Р,^ - параметры процесса резания Значение любого параметра процесса резания может быть определено в результате вычислений по приведенным зависимостях« в том случае, когда известны значения всех, факторов (х, X,). Значения управляющих факторов х, априорно известны. Возмущающие факторы - Х,в представленных зависимостях являются неизвестными величинами.

Эти неизвестные величины могут быть определены в результате совместного решения системы такого количества уравнений - .¡. которое равно числу неизвестных возмущающих факторов, по измеренным в процессе резания значениям такого же количества параметров Рь Р2, Р>,... Р,

( Р, - ^(х,,х:,х,... х, Х|,Х2,... X,);

) Р2 = Г>(х|ух:,хз ... х,. Х,.Х:.... X,);

4 Р, - Г„ ...14. Х,.х>. ... X,).

В результате совместного решения приведенной системы уравнении определяются значения всех неизвестных возмугцающнх факторов X, При этом в каждый момент времени резания становятся известными значения как управляющих, так и возмущающих факторов, воздействующих на процесс резания. Таким образом, контролируя минимальное количество параметров процесса резания, принятых в качестве диагностических признаков, число которых равно числу неизвестных возмущающих факторов, могут быть определены значения всех параметров процесса резания, даже без их непосредственного измерения в процессе обработки. В качестве диагностических признаков должны выбираться легко контролируемые параметры процесса резания, максимально отображающие влияние на них со стороны неизвестных возмущающих факторов.

Как показано в работах большинства исследователей, таким требованиям в наибольшей степени соответствуют силовые параметры. Для операций

сверления и зенкеровання к нх числу относятся крутящий момент и осевая сила. При разработке математических моделей этих параметров за основу были ирнняты двучленные зависимости вида:

Мкр = Мкр(К-<" + лМкр,м. Ро = Ро0""0' + лРо"";

где Мкр'ьи Ро'ь"' - известные зависимости крутящего момента и осевой силы при работе остро «точенным инструментом. дМкр<м и лРо"1' -приросты крутящего момента и осевой силы с износом инструмента.

Крутящий момент н осевая сила могут быть описаны степенными зависимостями вила: для сверления:

Мкр =См0 0Чи Б*" (НВ/190)п"+Смь О4"" 5У"" (Н В/190 Л* Ьу; (1)

Ро = Сро [)Чр 8Ур (НВ/190)Пр +Срь ЭЧрЬ Б4* (НВ/190)14* Ьу; (2)

для рассверливания и зенкеровання:

Мкр =См0 О4" I*" 5У" (НВ/190)"м+См„ О4""4' 1*** 8У"" (HB/I90)nыh Ьу; (3) Ро = Сро 1Хм 8Ур (НВ<190)Пр+Срь 8УрЬ (НВ/190)"»* Ьу. (4)

Таким образом, для разработки математических моделей крутящего момента и осевой силы необходимо определить значения постоянных коэффициентов: См« Ср<> Смк, Срь и показателей степени: я, х. у, п в формулах (1-4)- как для сверления, так и для рассверливания и зенкеровання.

Как показали проведенные эксперименты, при работе на режимах максимальной производительности средние значения стойкости токарных твердосплавных резцов находятся в пределах 10-60 минут. В связи с невозможностью интенсификации режима максимальной производительности, именно этот режим, обеспечивающий полное использование технологических возможностей инструмента при обеспечении высокой надежности технологической системы в целом, следует считать оптимальным и вполне приемлемым для действующего производства.

При назначении режимов резания, с целью обеспечения качества поверхности, иодачу назначают, как правило, ниже «ломающей подачи», что практически исключает возможность поломки инструмента. В этом случае, при работе на режиме максимальной производительности, возникает необходимость стабилизации максимальной температуры наиболее прогретой точки режу щего инструмента на уровне близком, но не превышающем теплостойкость инструментального материала. В настоящее время достоверные методы прямого измерения максимальной температуры в зоне резания отсутствуют. Поэтому ее контроль может осуществляться либо аналитически, то есть путем вычисления без непосредственного измерения в процессе обработки, либо одним из методов косвенного измерения.

Для анал1ггического контроля максимальной температуры разработана ее математическая модель. Были выявлены три основных источника тепла

11

расположенных на передней и задней поверхностях инструмента. На передней поверхности располагается источник тепла, возникающий в результате стружкообразования. 11а задней поверхности два источника тепла: первый - в результате трения ленточки и задней поверхности; второй - в результате трения фаски износа инструментов. Поэтому формула максимальной температуры может быть представлена в виде суммы трех слагаемых:

0°тах - С, V" НВЬ' 5Уо + С2 НВ* + Су V3' НВЬ' Ну* (5)

В формуле (5) слагаемые характеризуют составляющие максимальной температуры за счет источников тепла соответственно на передней поверхности, на задней поверхности и поверхности ленточек, на поверхности фаски износа. Значения постоянных коэффициентов и показателей степени при различных факторах процесса ретания в формуле определялись с помощью программы, реализующей метод наименьших квадратов.

Максимальная температура может быть определена по приведенной формуле в том случае, когда известны значения всех, факторов процесса резания, входящих в данную формулу. Значения управляющих факторов V, Б — априорно известны. Возмущающие факторы - НВ, Ьу — могут быть определены в результате совместного решения системы двух уравнений - по числу возмущающих факторов - по измеренным в процессе резания значениям такого же количества параметров, например Мкр и Ро. Поэтому аналитически максимальная температура может быть определена только с использованием системы многопараметрического диагностирования процесса резания.

Управляющие фикгары

_У^

5$ .

Вощ>тамп||с

факторы _

НВ.

Л«мгпост1рксик пришакп

М^ ЙСМ.0Л'.5.Ь.НВ) Ро - Г,(С„ П. V. Я. И. ЦП)

КригсриП унрав.л.нм*

- «Сц О. V. Ь. 111))

[ - Диагностирование возмущающих факторов.

- Определение максимальной температу ры

• Коррекция режима резания

Рис. 4. Обобщенная модель у правления процессом резания на основе диагностирования его состояния.

При разработке управляющей программы для станка с ЧПУ в качестве начального режима резания задается режим минимальной производительности. В начале резания, путем опроса соответствующих датчиков, производятся измерения параметров, принятых в качестве диагностических признаков. В результате решения системы уравнений, определяются текущие значения неизвестных возмущающих факторов, а также значение максимальной температуры в данный момент времени. Сравнивая значение максимальной температуры с уставкой, рассчитывается режим резания, на который переводится станок (рис. 4).

В результате сравнения текущей производительности резания на рабочем режиме с минимальной, формируется решение о продолжении или окончании рабочего хода. Таким образом, решение о замене затупившегося инструмента на дублирующий принимается не по достижении предельно допустимого износа, а в том случае, когда затупившийся инструмент не обеспечиваем требуемой производительности обработки.

Дальнейшим развитием управления процессом резания по максимальной температуре является управление, путем стабилизации мощности резания. Выбор мощности резания в качестве критерия управления, производили исходя из гипотезы, что вся работа, затраченная непосредственно на осуществление процесса резания переходит в теплоту. При этом большая часть теплоты уносится стружкой. Остальная часть распределяется между деталью и инструментом примерно поровну. Температура инструмента определяется количеством поступающей в него теплоты в единицу времени, то есть мощностью источника теплоты и теплопроводностью самого инструмента, позволяющей эту теплоту отвести. Поэтому мощность резания можно считать косвенным признаком максимальной температуры. Мощность резания определяется мощностью привода станка с учетом величины потерь в коробках скоростей и подач и может быть измерена в производственных условиях, например соответствующим датчиком мощности определенной точности.

При стабилизации максимальной температуры по мощности резания следует помнить, что доля вырабатываемого в процессе резания тепла, поступающая в резец, зависит от скорости резания. Кроме того, с ростом износа инструмента, в связи с появлением новой площадки контакта - поверхности фаски износа с деталью, доля тепла, поступающая в инструмент и деталь, также несколько увеличивается. Например, при снижении скорости резания в 2 раза, суммарный процент тепла, поступающий в инструмент, увеличивается примерно на 30%. Поэтому для стабилизации максимальной температуры режущей части инструмента, при снижении скорости резания с ростом износа инструмента, уставка мощности также должна снижаться.

В настоящей работе оперативное управление путем стабилизации значения максимальной температуры, определенной методом диагностирования показано на примере сверления и зенкерования серого чугуна быстрорежущими инструментами. Управление путем стабилизации мощности резания — на примере точения стали твердосплавными резцами. Для проведения

экспериментов использовались инструменты. как с различными износостойкими покрытиями, так и без покрытий.

В третьей главе представлены результаты исследования возмущающих факторов и их изменений в процессе резания.

К особенностям изнашивания твердосплавных пластин при обработке стали на режимах, близких к режиму максимальной производительности, следует отнести изменения с износом инструмента радиуса скруглення режущей кромки р. Для этого была проведена серия экспериментов при точении стали 40Х резцами с СМИ из сплава ТІ5К6 с ИИ TiAIN, нанесенными методом PVD на установке Plalit л80. Радиус р как на заточенных, так и частично изношенных твердосплавных пластинах ведущих отечественных и зарубежных производителей фиксировался и измерялся на 3D .микроскопе GFM MicroCAD light с погрешностью і I мкм. Для каждой пластины были получены: 3D модель на основе, фотографии с микроскопа, цвето-имитационная модель, нрофилограммы радиуса округления режущей кромки, построенные на основе метода светового сечения, а) б)

Рис. 5. Изменение радиуса режу щей кромки р с износом инструмента.

■ R23 (И)

а)К»=0; б)Ьч= 1.2 мм.

Рис. 6. Характер износа режущих СМИ из Т15К6 при точении стали 45. 8 « 0.1 мм/об.« « 2 мм, Крез = 5200 Вт. (V - 650 - 300 м.мнн).

На рисунке 5а показана режущая кромка твердосплавной СМИ в исходном состоянии, а на рисунке 56 в том же масштабе частично изношенная СМП до величины Ьз 1,2 мм. Видно, что радиус скруглення режущей кромки изношенной пластины существенно меньше, чем в исходном состоянии.

При точении стали и снашивание инструмента всегда сопровождается ростом фаски износа по задней поверхности И,, поэтому она принята в качестве критерия состояния твердосплавных резцов при обработке стали. В результате проведенного исследования было установлено, что в зоне нормального износа величина фаски износа практически не оказывает влияния на точность и шероховатость обработанных поверхностей. На рис. 6 видно, что процесс резания осуществляется главной режущей кромкой - ГРК, а формообразование обработанной поверхности вспомогательной - ВРК. В связи с тем, что радиус при вершине резца Я = 0.4...1,2 мм. много больше подачи Б ■ 0.1 мм/об. обработанная поверхность калибруется вспомогательной режущей кромкой, при этом положение вершины инструмента остается практически неизменным.

ш I Рис. 7. Контролируемые меры износа сверл

' Ьу - износ по уголку, ^^ Ьзу - износ по задней поверхности уголка,

•Ф ЩН Иул износ уголка в направлении

леиточки,

Ьукр - износ уголка в направлении главной

режущей кромки, Икр - износ главной режущей кромки на половине диаметра сверла

В результате исследования природы изнашивания рабочих поверхностен быстрорежущих сверл установлено, что очаг износа на передней поверхности инструмента практически отсутствует, на задней поверхности развивается абразивно-адгезионный износ. Поэтому в дальнейшем для оценки затупления сверл при их эксплуатации с различными режимами резания контролировались

.....

1 А і

-у

> л ✓

і

к у і 41/

-

ігЛ

о *о « « к в«.) I » 4 К К В»*.|ш.)

а) б)

Рис.8. Развитие очага изнашивания на периферийной части сверл, а) РІ - У|«38 м/мин. 8(-0.12 мм/об; б) Р2 - У2 =28 м/мин; 82^0.28 мм/об.

15

На рисунке 8 видно, при обработке с большими скоростями резания и малыми подачами (режим Р1), отказ сверл определяется катастрофическим износом, развивающимся по веем контролируемым мерам. При увеличении подачи и уменьшении скорости резания (режим Р2) быстрый износ по задней поверхности уголка не является катастрофическим вплоть до полного прорыва ленточки. Отказа инструмента при этом не наступает, а лишь несколько увеличивается интенсивность изнашивания по уголку Ьу вплоть до начала катастрофического износа. Для проверки однозначности определения мерой износа по уголку состояния инструмента с точки зрения геометрических параметров были построены графики изменения остальных мер износа в зависимости от величины износа по уголку (рис.9).

На рисунке 9 видно, что на всех режимах резания все меры износа с ростом износа по уголку увеличиваются примерно одинаково. Это означает, что соотношения между контролируемыми мерами износа в исследуемом диапазоне режимов резания одинаковы. Износ по уголку монотонно возрастает с течением времени и может быть достаточно точно измерен. Поэтому он принят в качестве критерия состояния сверл при обработке серого чугуна.

К параметрам состояния обрабатываемой заготовки следует отнести характеристики, объединенные общим понятием обрабатываемость. Так при обработке стальных заготовок эталоном обрабатываемости резанием принять считать конструкционную сталь 45, а чугунных - серый чугун СЧ 15. Поэтом) при разработке математических моделей, используемых для диагностирования процесса резания, в качестве критерия состояния материала стальных заготовок принят показатель обрабатываемости - К = 0,'75, чугунных заготовок - И • НВ 190. что соответствует общепринятым рекомендациям.

А. им

л

/< г

V 0 а V О* ......

о/ А-О* ) -0 О *

0 0.2 0.4 0.6 0.8 ».да,

Рис. 9. Соотношения между контролируемыми мерами очага износа быстрорежущих свсрл.

--износ по задней поверхности

уголка Ьзу.

------износ главной режущей кромки

на середине диаметра сверла Икр. изиос уголка в направлении ленточки Ьул и главной режущей кромки Ьукр. о-Режим Р 1-У |=38 м/мин; Б і-0.12 мм/об; л-Режим Р2-У; 28 м/мин; 52=0.28 мм/об; □-Режим РЗ-У3=24 м/мин; 53=0.40 мм/об.

Для изучения особенностей зату пления свсрл при обработке серого чугуна с переменными режимами резания проводилась серия стойкостных

16

исследований сверл 0 9.8 мм из той же партии, что и при проведении предыдущих экспериментов. Инструменты, предварительно доведенные до определенной степени затупления на режиме Р1 или Р2, переводились на режим соответственно Р2 или Р1, на котором работали до полного затупления.

а) б)

Рис.10. Развитие износа сверл 0 9,8мм при обработке серого чугуна НВ

200 после перевода: а) с режима Р1 на режим Р2; б)с режима Р2 на Р1; Р1-----У=38м/мин,8=0,12 мм/об; Р2--У=28м/мин, Б=0Д8 мм/об.

Из графиков, представленных на рисунке 10 видно, что после перевода инструментов на новый режим обработки, дальнейший вид зависимости "износ по уголку - количество обработанных отверстий" точно соответствует виду этой зависимости на новом режиме резания. То есть, после перевода на новый режим резания инструмент продолжает изнашиваться так же, как изнашивался бы на новом режиме резания, если бы работал на нем с самого начала. Таким образом, перевод инструментов с режима Р1 на режим Р2 приводит к увеличению, а обратный перевод инструмента с режима Р2 на режим Р1 к снижению суммарной стойкости. Приведенные результаты позволяют говорить о "благоприятных" и "неблагоприятных" переходах инструмента с режима на режим. Переход с режима резания, при эксплуатации на котором допускаемый износ больше, чем на новом режиме, является "неблагоприятным". Перевод инструмента с режима меньшего допускаемого износа на режим большего допускаемого износа следует считать "благоприятным".

В четвертой главе представлен анализ изменений в процессе резания функциональных параметров, к числу которых относятся параметры, характеризующие физико-химический механизм процесса резания и его протекание во времени. Это текущие значения составляющих силы резания, температуры, вибрации, мощность резания, энергоемкость процесса, и другие.

На рисунке 11 показаны графики изменения крутящего момента и осевой силы в логарифмических координатах, от износа быстрорежущих сверл при обработке серого чугуна различной твердости на различных режимах резания.

Установлено, что скорость резания в исследуемом диапазоне режимов резания и твердости обрабатываемого чугуна не оказывает влияния на крутящий момент и осевую силу. Величина износа инструментов не влияет на показатели степени при подаче и твердости обрабатываемого материала. Аналогичные выводы можно сделать и для операций зенкерования и развертывания.

Рв,кН

2,5 2,0 Г, і 1,0

г

К

І-» """ —

«п.Н-н

О,?

а) сверло 010 мм

1,0

1.0 Ь.мм

б) зенкер 021 мм, 1=1 мм

Рис 11. Зависимости крутящего момента Мкр и осевой силы Ро от износа

--Мкр;------- Ро; 1,2 —НВ 160; 3,4 -НВ 200

1,3 - У=25 м/мин, 8=0,1 мм/об; 2,4-У=25 м/мин, 8=0,2 мм/об.

В результате установлено, что износ инструмента не оказывает влияния на постоянные коэффициенты и показатели степеней при факторах процесса резания, а изменяет лишь значения постоянных коэффициентов См и Ср в формулах (1-4). Полученные формулы могут быть представлены в виде:

для сверления -

Мкр = (Смо + 0,4 Б"1 Ьу) Б2 8° 7■ (НВ/190)08; (Н м); Ро = (Сро + 1500 О"1 Ьу) Б 80'7 (НВ/190)0,8; (Н);

(6) (7)

для зенкерования:

Мкр = (Смо + 0.5 3 Ьу) Б 8° 7 ^8 (НВ/190)0 8; (Нм); (8)

Ро = (Ср„ + 345 Г04 Ьу) в0'7 Ч (НВ/190)0'8; (Н). (9)

Зависимости (6-9), учитывающие влияние износа инструментов на крутящий момент и осевую силу, отличаются от известных формул тем, что к постоянным коэффициентам См0 и Ср0, соответствующим работе острым инструментом, прибавляется некоторая переменная составляющая Смь и Срь, зависящая при сверлении - от величины износа и диаметра сверла, при зенкерований - от износа и глубины резания. Коэффициенты См0 и Ср0 должны определяться для каждого инструмента при обработке первого отверстия в

режиме самообучения при обработке инструментом с Иу=0 чугуна известной твердости. Это позволяет учесть при диагностировании возможные изменения параметров начального состояния инструментов.

Важным параметром функциональной надежности процесса резания, является максимальная температура. Для ее измерения и исследования необходимо определить на режущей части инструмента расположение точки, в которой эта температура развивается. Выявление расположения тгой точки возможно только на основе анализа температурных полей в очагах превалирующего износа инструмента.

Предварительно проведенные исследования температурных полей в режущей части быстрорежущих резцов при точении заготовок из серого чугуна показали наличие высоких температурных градиентов у основных источников тепла. Поэтому каждый участок режущей части можно рассматривать как самостоятельный, не зависящий от теплового состояния соседних участков, что дало возможность применять для изучения температурных полей режущие пластинки 2, моделирующие периферийную часть сверла (рис. 12).

Составная пластинка 2 устанавливалась в державке I и закреплялась прижимом 3. Г еометрия пластинок, изготовленных из стали Р6М5 с твердостью после термообработки МИС 62 - 64, соответствовала геометрии сверла на периферийной его части: а = 10°, у - 22°, ш « 2 Г. 2<р 120°. Измерение температуры в различных точках режущей части пластинок осуществлялось защемленными полуискусственными мнкротермопарами.

Температурные поля в уголках сверл и зенкеров при обработке серого чугуна НВ 200 показаны на рисунке 13.

Установлено, что форма изотерм у передней, задней поверхностей и поверхности ленточек зависит от режимов резания. На режимах больших подач и малых скоростей резания изотермы располагаются преимущественно вдоль главной режущей кромки. Это указывает на то. что основной источник тепла, вытянутый вдоль главной режущей кромки, создается за счет трения на главной задней поверхности и процесса стружкообразования.

С ростом скорости резания возрастает мощность источника тепла от трения на леиточке, а с уменьшением подачи снижается мощность источника

Рис. 12. Модель для

измерения температуры в точках периферийной части осевого инструмента:

1 - державка;

2 - разъемная пластина:

3 — прижим:

4 - токосъемник;

5 - датчик температуры.

тепла вдоль главной режущей кромки. Поэтому на режимах малых подач и больших скоростей резания расположение изотерм изменяется, как показано на рисунках. Однако, во всех случаях точка с максимальной температурой обнаруживалась в уголке заточенных сверл и зенкеров.

Рис. 13. Объемные температу рные поля сверл при обработке чугуна ИВ 200. a) V=S0 м/мин, Sz=0.05 мм/об. б) V=25 и/мин, S,=0.25 мм/об.

--инструмент без покрытия; I - главная режущая кромка

----инструмент с покрытием TiN; 2 - вспомогательная режущая кромка.

С развитием износа инструментов вид температурных полей изменяется, как показано на рисунке 14. Это происходит благодаря появлению нового источника тепла, располагающегося на середине фаски износа. Установлено, что точка с максимальной температурой всегда обнаруживалась на уголке заточенных инструментов или на середине фаски износа у частично затупленных.

Рис.14. Температурные поля и графики изменения температуры вдоль режу щих кромок и фаски износа сверл. Чугун НВ 200. а) Ьу = 1 мм, б) Ьу=2 мм. I-главная режущая кромка 2-фаска износа 3-вспомогательная режущая кромка

--У=30 м/мин; 5г=0.05 мм'об--V = 25 м/мин; Б* = 0.1 мм/об

---У=30 м/мин; 52=0.1 мм/об ----V = 25 м/мин; Бг - 0.2 мм/об.

В результате вычисления постоянных коэффициентов и показателей степеней при различных факторах процесса резания формула (5), представленная в главе 2, была преобразована и приведена к виду:

©°шах = С1 V06 НВ0 8 814+ [С2 +С3 (%)2 Ьу0 6] V0 6 НВ0 3 (10)

В этой формуле коэффициенты имеют следующие значения: С] = 2,13; С2 = 6,12 - для инструментов без покрытия, С2 = 5,9 - для инструментов с износостойким покрытием "ИМ; Сз = 4,05.

Для определения температуры начала катастрофического износа, графики зависимостей износа сверл по уголку от количества обработанных отверстий были совмещены с графиками изменения максимальной температуры у их периферийной части, рассчитанной по формуле (10).

/1 / 1

'/ 1/

е- бСг/М

1

N,(07«)

Рис.15. Графики изменения износа

по уголку и максимальной температуры при обработке серого чугуна НВ 200:

Р1---У,=38м/мин;

81=0.12мм/об; Р2-У2=28м/мин;

82=0.28 мм/об

На графиках, показанных на рисунке 15 видно, что в исследуемом диапазоне режимов резания максимальная температура в зоне нормального износа не превышает 560°. Это означает, что в зоне нормального износа необратимых изменений структуры быстрорежущей стали не происходит.

Катастрофический рост износа, приводящий к функциональному отказу сверла, начинается на всех режимах резания при достижении максимальной температурой значения 560°, то есть температуры начала необратимых структурных превращений стали Р6М5. Это означает, что в качестве критерия отказа инструментов может быть использовано такое значение фаски износа по уголку, при котором на данном режиме максимальная температура оказывается больше температуры теплостойкости инструментального материала.

Значение допускаемого износа может быть определено путем решения уравнения (6) относительно величины износа по уголку:

[Ьу]0=[

= I [в°]/К06 - С, -5'4 -ЯВ08 - С, ■НВ"

(П)

С,-(У/30У-НВ" -■

где [0°] - температура начала структурных превращений материала инструмента (для быстрорежущей стали Р6М5 [0 ] = 560 ).

При обработке отверстий отказ быстрорежущих инструментов может наступать не только в результате катастрофического износа но уголку, но и в результате поломки, когда с ростом износа значения крутящего момента и осевой силы превысят допускаемые прочностью инструмента. Это особенно важно для сверл и зенкеров малого диаметра. Поэтому значение допускаемого износа по уголку для данного режима обработки, рассчитанное по формуле (11), должно быть проверено исходя из условий прочности инструментов.

Для этого необходимо выразить износ инструментов для обработки отверстий через значения крутящего момента и осевой силы, то есть решить уравнения (6-9) относительно износа по уголку. В результате решения получим: для сверления -

с _ Мкр-0Л74 Р2-Б0-7 -(ЯД/190)" 0.4-507 -(//.В/190)08

с _ Ро - 700 • £> • 5°7 • (НВ /190)°8 —

; мм

1500-507 -(Я8/190)08 для зенкерования -

з = Мкр -0.4 ■ Р-Б"1 -(/УД/190)°8

0.5- Г05 -(ЯВ/190)08 ;ММ з _ Ро-П0-1-Б07 ■(НВПЩ™

У" 345 • ?06 ■ Б07 • (НВ/190)°* 'мм-

Подставляя в полученные формулы вместо значений Мкр и Ро их допускаемые значения, определяемые прочностью инструментов, можно определять значения допускаемого износа по условиям прочности.

В пятой главе приведен пример реализации многопараметрического диагностирования на примере операции сверления серого чугуна.

В предыдущей главе показано, что причиной перехода инструмента в зону катастрофического износа является разупрочнение материала инструмента после достижения максимальной температурой значения его предельной теплостойкости. Следовательно, максимальная температура может быть использована в качестве критерия управления для решения задачи предотвращения катастрофического износа инструмента. Однако практически воспользоваться этим свойством максимальной температуры не представляется возможным, так как современные методы измерения температуры непригодны для производственных условий. Ее значение может быть определено по формуле (6) без непосредственного измерения в процессе обработки.

В этой формуле значения скорости резания V, подачи Б и диаметра сверла Б априорно известны. Значения неизвестных возмущающих факторов процесса резания — износа сверла по уголку Ьу и твердости обрабатываемого чугуна НВ -могут быть определены по измеренным в процессе резания значениям крутящего момента и осевой силы в результате решения системы двух уравнений, в которых износ сверла и твердость обрабатываемого чугуна являются неизвестными,:

Г Мкр=(См0 + 0,4 Б'1 Ііу) Б2 Б0'7' (НВ/190)0-8; Нм

*-Ро=(Ср0+1500 Б"1 Ііу) Б З0,7 (НВ/190)08 ; Н

В результате решения данной системы уравнений значения текущего износа инструмента и твердости обрабатываемой заготовки могут быть определены по формулам:

Ьумр = См0-Р-Р0-Ср0-Мкр =

1500 ■£)-'-Мкр-0.4-Р0

66.53 -Мкр

(См0 + 0.40 • Иу) ■ £> ■ £

Подставив определенные таким образом текущие значения износа инструмента и твердости обрабатываемой заготовки в формулу (10) можно определить текущее значение максимальной температуры в данный момент времени резания без ее непосредственного измерения на станке.

Следует отметить, что метод диагностирования открывает большие возможности для использования не только на станках с ЧПУ, но и на универсальных станках после их специальной модернизации. Метод следует признать наиболее универсальным, так как он позволяет, используя минимальное количество одних и тех же первичных датчиков, определять максимальное количество параметров процесса резания, которые, в свою очередь, могут являться критериями управления для решения других задач.

В шестой главе рассмотрены примеры оперативного управления процессом резания на режиме максимальной производительности применительно к операциям сверления серого чугуна быстрорежущими сверлами и точения стали резцами с СМП Т15К10, представлены результаты производственных испытаний системы управляемого резания, реализованной на универсальных токарных станках.

Назначение параметров, которые должны стабилизироваться системой оперативного управления — критериев управления — осуществляется исходя из цели, для достижения которой создается эта система. Так, с целью обеспечения функциональной надежности необходимо стабилизировать усилия резания и максимальную температуру в режущей кромке инструмента.

В настоящее время разработаны различные системы оперативного управления с целью стабилизации усилий резания путем изменения подачи в течение рабочего хода. Создание подобных систем с целью стабилизации максимальной температуры режущей части инструмента сдерживается тем, что методы измерения температуры малопригодны в производственных условиях. Однако, значение максимальной температуры может быть определено методом диагностирования состояния процесса резания по формуле (10).

С ростом износа инструмента и, как следствие, с ростом максимальной температуры скорость резания должна постепенно уменьшаться, с тем, чтобы частично изношенный инструмент продолжал работать на меньшей скорости резания, но с рабочей максимальной температурой. Алгоритм управления процессом сверления чугуна по максимальной температуре, определенной путем ее диагностирования, представлен на рисунке 16.

23

разработка упрзалиюшей программы к иазивчоше*» («КИМЙ решим* мимммадьмлЯ проиямлетсоьжмл'н

.Начало яыпояиежм переход а ьа режиме ; »ткпмглъиод я ро»г« водитель н остн '

Л/,,« К

Расчег Ау;Ив~, по здмискмасся*;

~ /,{.(■„/.к ік л\л„,ш)

Расчет перттуры нздтрой-ен 5

« соит*егсте>я>щес<> сН рабичега режяма \

6 ; Пе|»С1К>Д <ї<*««£0 И* {ІЛҐИІЧКЙ рСЖИМ

^ ; Расчет времени па о«ю»їча«к<? рабочего

........: хода )яіуплем««>» и

осчрым «{«трумсіссами

У;кьи:ііі»е «<«трумснтл к-:;и:<гина сіянко д:<о »колего«

> К. + С

Остэиоякв станка. С мені іг<(сгр?мскга

Продолжение обработки до конвд райочего хода

Рис.16. Алгоритм управления процессом резания путем стабилизации максимальной температуры, определенной методом диагностирования.

При разработке управляющей программы для станка с ЧПУ в качестве начального режима резания задается режим минимальной производительности (блок 1). В начальный момент времени резания (блок 2) производятся измерения крутящего момента и осевой силы путем опроса соответствующих датчиков (блок 3). В результате решения системы двух уравнений с двумя неизвестными (блок 4), определяются текущие значения износа по уголку, твердости обрабатываемого чугуна, а также соответствующей этим значениям величины максимальной температуры в данный момент времени.

По вычисленному таким образом значению максимальной температуры рассчитывается рабочий режим резания (блок 5) и станок переводится на этот режим (блок 6). В результате сравнения производительности резания на

24

рабочем режиме с минимальной производительностью (блок 7). формируется решение о продолжении или окончании рабочего хода.

Решение о немедленном окончании рабочего хода, или о доработке детали на режиме минимальной производительности принимается путем сравнения времени на окончание обработки (блок 8) со временем, необходимым на остановку станка, замену инстру мента, и продолжение обработки (блоки 9-12). 11ри этом инструмент удаляется со станка и отправляется на переточку.

Дальнейшим развитием метода управления на основе стабилизации максимальной температуры является управление процессом резания по мощности резания. Работа такой системы может быть показана на примере операции продольного точения заготовки из стали 45Х резцами, оснащенными неперетачивасмыми трехгранными пластинами из твердого сплава Т15К10.

Рис. 17. Общий вид токарного станка с системой управления процессом резания и шгтсрфсйсом оператора.

Установка оперативного управления (рис. 17) включает в себя устройство преобразования измеряемых токов и напряжений в цифровую форму, канат передачи оцифрованной информации в компьютер, канал передачи управляющего сигнала из компьютера в блок частотного управления.

Управление скоростью вращения электродвигателя главного привода осуществляется с помощью специальной программы, которая обеспечивает ручной, автоматический и полуавтоматический режим управления работой токарного станка задание параметров резания, визуализацию параметров обработки в ходе работы, протоколирование результатов экспериментов.

Требуемая мощность двигателя РУСТ задаётся оператором на основании технологической карты, или блоком управления, на основании программы. Подсистема измерения мощности, совместно с вычислительным устройством, вычисляет теку щую механическую мощность двигателя. Вычисленное значение сравнивается с заданным Руст Вычислительное устройство выдаёт команду на изменение скорости вращения двигателя, чтобы значение мощности на валу Р не отклонялось от заданного значения РУСт более чем на величину допуска ДР. Блок-схема работы алгоритма приведена на рис. 18.

25

1 ФормироЬание исходных данных

т Ночах) робел» ма рв»им» МимЦМ01Ы*0й проиЛодителылспш

з роп*« лшц тцл^о) СПЧМО Ю п«| Рх«" пфсшбоддтммяч)

.'/ГгЛ. До.

Рис. 18. управлення резания по резания.

Алгоритм процессом мощности

Оперативное управление процессом резания на режиме максимальной производительности может быть проиллюстрировано на примере сверления чугунных заготовок быстпопежушими сверлами 0 10 мм.

(0) (С, !5) (■С.4) (С.В) •%:} К

1т, ¡•1

0.16

0,09 550'

4№

ЬО

X

Рис.19. Сравнение скорости резания, температуры и времени обработки одного отверстия при резании: Р1- с постоянной скоростью: Р2- с постоянной температурой. -Р1- У-согШ, ©тю^уат;

----Р2- У=уаг, ©,„,, =сопЯ.

На рис. 19 представлены графики изменения скорости резания, максимальной температуры и времени на обработку одного отверстия при резании как с постоянной скоростью резания -

60 96

сплошная линия, так и с постоянной максимальной температу рой - штриховая линия.

В результате предварительных расчетов была установлена оптимальная стойкость сверл 0 10 мм. при обработке серого чугуна - 16 минут. Это соответствует обработке 100 отверстий, глубиной 30 мм. с режимом резания -V ■ 30 м/мин. S ■ 0.2 мм/об. При резании с постоянно* скоростью, максимальная температура росла от 400° - при работе острым инструментом, до 560" - при достижении износом по уголку значения 1,7 мм. что приводило к тепловому отказу инструмента вследствие катастрофического износа.

При резании с постоянной температурой 550° то есть приближенной, но не превосходящей значения теплостойкости быстрорежущей стали Р6М5 - 560°, обработка начиналась со скорости регания 50 м/мин. С развитием износа инструмента, с целью стабилизации максимальной температуры на уровне теплостойкости инструментального материала, скорость резания постепенно снижалась. При этом не допускается катастрофический износ инструмента путем снижения скорости резания. Указанное означает. что производительность резания в каждый момент времени обработки была максимальной для конкретного значения износа инструмента.

В результате 100 отверстий были обработаны за 10.8 минуты. При дальнейшей обработке за время, соответствующее 16 минутам - оптимальной стойкости - были обработаны 157 отв., что соответствует увеличению производительности обработки, по сравнению с расчетной, примерно в 1.5 раза.

периода стойкости инструмента. S-0.1mm. o6, 1=2 мм, ^ез = 5200 Вт.

Аналогичные результаты были полу чены и при точении стали 45 резцами с СМП из сплава Т15К6. Исследования проводили на токарном стаикс Си 500 М КП (рис. 15), в диапазоне режимов резания: 8 = 0.05 - 0.25 мм/об, \рез - 1500 -3000 Вт/мм. I = 0.5 - 2 мм. При этом скорость резания устанавливалась системой управления автоматически от V 650 м/мин - для острозаточенного

инструмента, до V = 300 м/мин — для инструмента с износом по задней поверхности Ьз = 2,2 мм.

На рис. 20 показан пример реализации процесса управляемого резания стали 45 инструментом с твердосплавной шестигранной пластиной Т15К6 на режиме: Б = 0,1 мм/об, 1 = 2 мм, Ырез = 5200 Вт. С ростом износа инструмента, с целью стабилизации мощности резания, скорость резания принудительно уменьшается системой управления станка. При этом максимальная температура не превосходит температуры предельной теплостойкости инструментального материала, тем самым, инструмент не допускается в зону катастрофического износа. Таким образом, путем управления процессом резания, предотвращается возможность функциональных отказов по вине инструмента и обеспечивается функциональная надежность технологических систем в целом.

Системы многопараметрического диагностирования и оперативного управления процессом резания прошли лабораторные испытания на базе токарного и вертикально-сверлильного станков в МГТУ «СТАНКИН» и в НГУ им. Ярослава Мудрого. Созданный образец системы оперативного управления процессом резания прошел испытания, принят к внедрению на Новгородском машиностроительном заводе «Энергия», машиностроительном предприятии ООО «Сатурн», опытном производстве Технологического Центра ООО «КамАЗ», ЗАО «Ремдизель» г. Набережные Челны, ОАО «Красногорский завод им. Зверева» г. Красногорск. Производственные испытания системы показали повышение производительности процесса непрерывного резания на 50% -100%.

Общие научные выводы и основные результаты

В работе решена крупная научно-техническая проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение и состоящая в повышении производительности и обеспечении надежности процесса непрерывного резания путем оперативного управления, основанного на стабилизации максимальной температуры на рабочих поверхностях инструмента на предельно допустимом уровне посредством косвенных измерений мощности резания, а также многопараметрического диагностирования состояния инструмента и заготовки в реальном времени.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем.

1. Разработан метод оперативного управления процессом непрерывного резания, обеспечивающий возможность повышения производительности резания вплоть до предельных значений, при обеспечении функциональной надежности технологических систем металлообработки.

2. Установлены связи температурных полей в очагах превалирующего износа инструментов с режимом резания, физико-механическими свойствами материала заготовок и величиной износа инструментов, позволившие выявить месторасположение на режущей части инструмента точки с максимальной

температурой. Разработанная формула максимальной температуры режущей части инструмента используется при оперативном управлении процессом резания путем ее стабилизации без непосредственного измерения на станке в процессе обработки.

3. Установлены и представлены в виде математических зависимостей связи крутящего момента и осевой силы при сверлении и зенкеровании серого чугуна как с управляющими - скорость резания, подача, так и с возмущающими факторами процесса резания — износ инструмента и твердость обрабатываемого материала, используемые для многопараметрического диагностирования состояния инструмента и заготовки.

4. На основе установленных связей крутящего момента и осевой силы с факторами процесса резания разработан метод многопараметрического диагностирования для сверления и зенкерования серого чугуна. Обоснована необходимость контроля такого необходимого и достаточного количества параметров процесса резания, используемых в качестве диагностических признаков, которое равно числу неизвестных возмущающих факторов — износа инструмента и твердости обрабатываемого материала. Вычисление значений этих возмущающих факторов осуществляется путем решения системы такого же количества уравнений. Использование разработанного метода позволяет определять значения остальных параметров процесса резания даже без их непосредственного измерения на станке в процессе обработки.

5. Разработана принципиальная схема управления процессом обработки заготовок при непрерывном резании на основе диагностирования его состояния, позволяющая, при ее реализации, как на универсальных металлорежущих станках, так и станках с ЧПУ, повысить производительность резания по сравнению с действующими режимами резания от 1.5 до 2-х раз.

6. Разработана методика назначения режимов резания при эксплуатации инструмента на режиме максимальной производительности и показана возможность эксплуатации инструментов на этом режиме при наличии системы оперативного управления.

7. Разработаны алгоритмы и программы для оперативного управления процессом резания путем регулирования режимов обработки в зависимости от текущего состояния инструмента и заготовки с целью обеспечения функциональной надежности технологической системы.

8. Разработанные принципы многопараметрического диагностирования и оперативного управления процессом резания используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН" и ряда других вузов в рамках преподавания дисциплины "Надежность и диагностика технологических систем".

9. Созданный образец установки с системой оперативного управления процессом резания прошел испытания и показал положительный результат на Новгородском машиностроительном заводе «Энергия», машиностроительном предприятии ООО «Сатурн», опытном производстве Технологического Центра ООО «КамАЗ», ЗАО «Ремдизель» - г. Набережные Челны, ОАО «Красногорский завод им. Зверева» - г. Красногорск.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в журналах из перечня ВАК

1. В.А.Синопальников, М.В.Терешин, В.А.Тимирязев. Диагностика износа инструментов. /Станки и инструмент №1,1986 г., с. 27-29.

2. В.А.Синопальников, М.В.Терешин. Диагностирование состояния сверл с учетом их максимальной температуры./Станки и инструмент №6,1987г, с. 18-21.

3. М.В.Терешин, Л.А.Пронин, Е.Г.Бердичевский. Методика определения параметра tm на профилографе-профилометре мод.252. / Измерительная техника, 1981 г. №9, с. 16-17.

4. С.Н.Григорьев, В.А.Синопальников, М.В.Терешин. Оперативное диагностирование и управление процессом резания по критерию максимальной температуры. / Контроль. Диагностика. №1, 2012г.

5. С.Н.Григорьев, М.В.Терешин. Оперативное управление процессом резания по мощности резания./Технология машиностроения №1, 2012г, с.18-21.

6. С.Н.Григорьев, О.А.Кулагин, М.В.Терешин. Аппаратно-программный комплекс адаптивного управления приводом главного движения станка для обработки деталей резанием. / Технология машиностроения №1, 2012, с.50-55.

7. С.Н.Григорьев, В.А.Синопальников, М.В.Терешин, В.Д.Гурин. Контроль параметров процесса резания на основе диагностирования инструмента и заготовки. (Измерительная техника, 2012 г. №5, с. 46-48.)

8. М.В.Терешин, А.А.Туманов, Н.Ю.Черкасова. Развитие системы диагностирования процесса резания. / Вестник МГТУ «СТАНКИН» - 2012, №4.

9. О.А.Кулагин, М.В.Терешин. Аппаратно-программный комплекс адаптивного управления электроприводом станка. / Электротехнические комплексы и системы управления. -2012, №3(27), с. 68-73.

10. М.В.Терешин. Принципы многопараметрического диагностирования технологических систем металлообработки. / Контроль. Диагностика. №12, 2012г., с. 72-75.

11. М.В.Терешин Особенности эксплуатации быстрорежущих сверл с переменными режимами резания Проблемы машиностроения и автоматизации. -2013,№1.

12. М.В.Терешин. Влияние переменных режимов резания на износ быстрорежущих сверл. Вестник МГТУ «СТАНКИН» - 2013, №2 (25), с. 41-43).

13. М.В.Терешин., О.А.Кулагин. Оперативное регулирование процесса резания в технологических системах металлообработки. Вестник МГТУ «СТАНКИН» - 2013, №2 (25), с. 49-53).

Авторские свидетельства и патенты

14. С.Н.Григорьев, М.В.Терешин, В.В.Юркевич Устройство для измерения износа резца. Решение о выдаче патента на полезную модель. Заявка № 2011148331/02(073013), 2011.

Монографии

15. М.В.Терешин. Оперативное регулирование и многопараметрическое диагностирование процесса резания./ Великий Новгород, РИС НовГУДбб с.:47 ил.

Другие публикации

16. В.А.Синопальников, М.В.Терешин, В.А.Тимирязев. Точность определения износа инструментов для обработки отверстий по крутящему моменту. Материалы Всесоюзной научно-технической конференции «Инструмент-84», Хариков, 1984.

17. В.А.Синопальников, М.В.Терешин, В.А.Тимирязев. Точность определения износа инструментов для обработки отверстий по крутящему моменту. «Материалы всесоюзной научно-технической конференции «Инструмент-84». Харьков, 1984 г.

18. В.А.Синопальников, М.В.Терешин. Температурные поля у периферийной части сверл при обработке серого чугуна. Рукопись, депонир. в ВНИИТЭМР № 90-86,1986 г.

19. М.В.Терешин. Технологии обработки машиностроительных изделий с использованием систем диагностирования состояния металлорежущего инструмента в реальном времени (Модуль 2). В кн. «Современные машиностроительные технологии производства». Учебное издание. М.:МГТУ «СТАНКИН», 2011.

20. В.В.Юркевич, М.В.Терешин. Износ резца при токарной обработке. / Техника машиностроения. 2011, № 3, с. 14-24.

21. С.Н.Григорьев., М.В.Терешин. Оперативное управление процессом резания по максимальной температуре. В кн. «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства»: труды III Международной научно- технической конференции (Резниковские чтения). Тольятти, 2011.

22. М.В.Терешин, В.Д.Гурин. Повышение надежности изделий авиационной техники путем стабилизации мощности резания при обработке деталей. В кн. «Системы управления жизненным циклом изделий авиационной техники: актуальные проблемы, исследования, опыт внедрения и перспективы развития». Тез. докл. III Международной научно-практической конференции Ульяновск, 2012.

23. М.В.Терешин, В.Д.Гурин. Повышение функциональной надежности механической обработки путем стабилизации мощности резания. В кн.

31

«Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении». Научные труды. 11 Международной научной конференции. М., ИМАШ РАН. 2012.

24. М.В.Терешин, Ю.Г.Владимиров. Управление процессом резания по мощности привода станка. «Проблемы исследования и проектирования машин» Сб. статей. Пенза 2011.

25. С.Н.Григорьев, М.В.Терешин. Повышение использования ресурса инструмента путем управления процессом резания по максимальной температуре./в кн. Прогрессивные технологии машиностроительных производств: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). — 2011, №12, с.3-6.

26. С.Н.Григорьев, М.В.Терешин. Управление процессом резания по мощности привода станка./в кн. Прогрессивные технологии машиностроительных производств: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). — 2011, №12, с.3-6.

27. В.Д.Гурин, М.В.Терешин, А.А.Туманов, С.В.Федоров. Исследование радиуса сопряжения рабочих поверхностей твердосплавных пластин с износостойкими покрытиями как возмущающего фактора параметров процесса резания. «Материалы и технологии XXI века» Сб. статей. Пенза 2013, с. 70-72.

28. В.А.Синопальников, М.В.Терешин, В.А.Тимирязев. Диагностика износа инструментов для обработки отверстий по усилиям резания. В кн.: Методы повышения производительности и качества обработки деталей на оборудовании автоматизированных производств. Тез. докл. Андропов, 1985 г.

29. Терешин М.В., Коньков Б.В., Оганян М.Г. Повышение функциональной надежности механической обработки путем стабилизации мощности резания при обработке деталей. / Станочный парк № 7, 2013 г., с 28-29.

30. Терешин М.В., Оганян М.Г., Коньков Б.В. Оганян М.Г. Изменение радиуса округления режущих кромок твердосплавных пластин на предельных режимах максимальной производительности./Станочный парк №8, 2013 г.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Терёшин Михаил Владимирович

Повышение производительности и обеспечение функциональной надежности непрерывного резания путем оперативного управления процессом обработки

Подписано в печать 23.09.2013 Формат 60х 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 176.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН>> 127055, Москва, Вадковский пер., За Тел.: 8(499) 973-31-93

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреяадение высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ НЕПРЕРЫВНОГО РЕЗАНИЯ ПУТЕМ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

Терёшин Михаил Владимирович

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Григорьев С.Н.

Москва

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................................14

1.1. Особенности эксплуатации инструментов и обеспечения надежности технологических систем металлообработки

и ГПС в мелкосерийном производстве.....................................14

1.2. Современное состояние технической диагностики и оперативного управления процессом резания...............................................29

1.3. Переменные факторы процесса резания...................................42

1.3.1. Переменные параметры токарных резцов для обработки стали......42

1.3.2. Переменные параметры быстрорежущих инструментов для обработки отверстий.............................................................46

1.3.3. Переменные параметры заготовок............................................50

1.4. Параметры процесса резания, используемые для оперативного управления и диагностирования.................................................53

1.4.1. Силовые параметры...............................................................53

1.4.2. Температурные параметры......................................................54

1.5. Термины и определения............................................................58

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

НАДЕЖНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ...................................................74

2.1. Надежность технологических систем..........................................74

2.1.1. Структура технологических систем металлообработки..................74

2.1.2. Надежность технологических систем металлообработки...............82

2.2. Многопараметрическое диагностирование технологических систем металлообработки..........................................................93

2.2.1. Состояние технологических систем и процесса резания...............93

2.2.2. Диагностирование технологических систем и процесса резания......98

2.2.3. Термины и определения.......................................................106

2.2.4. Принципы многопараметрической диагностики.........................110

2.3. Оперативное управление процессом резания..............................116

2.3.1. Общие положения..............................................................116

2.3.2. Принципы управления процессом резания................................123

2.3.3. Оперативное управление процессом резания на режимах максимальной производительности.........................................126

2.3.4. Оперативное управление процессом резания путем стабилизации значений максимальной температуры.......................................132

2.3.5. Оперативное управление процессом резания путем стабилизации значений мощности резания...................................................137

2.4. Задачи экспериментальных исследований.................................146

2.5. Выводы по главе 2.................................................................147

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ РЕЖУЩИХ

ИНСТРУМЕНТОВ В ГПС................................................149

3.1. Методика проведения экспериментальных исследований............149

3.2. Особенности затупления режущих инструментов........................154

3.2.1. Особенности затупления твердосплавных резцов.......................154

3.2.2. Особенности затупления быстрорежущих инструментов для обработки отверстий...........................................................158

3.3. Особенности затупления и эксплуатации инструментов с переменными режимами резания.............................................170

3.4. Выводы по главе 3.................................................................174

ГЛАВА 4. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ИХ ИЗМЕНЕНИЯ

В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ................................................176

4.1. Методика проведения экспериментальных исследований............176

4.1.1. Методика проведения силовых исследований.............................176

4.1.2. Методика проведения температурных исследований...................177

4.2. Исследования силовых параметров........................................183

4.2.1. Исследование возможных изменений степеней влияния различных факторов процесса резания на крутящий момент и осевую силу в связи с износом сверл, зенкеров, разверток..............................183

4.2.2. Разработка математических моделей крутящего момента

и осевой силы...................................................................194

4.3. Исследование температурных параметров................................200

4.3.1. Исследование температурных полей и уровня максимальных температур у очагов превалирующего износа сверл и зенкеров

при обработке отверстий в заготовках из серого чугуна................200

4.3.2. Разработка математической модели максимальной температуры.. .219

4.3.3. Определение критериев функционального отказа инструментов.....225

4.4. Выводы по главе 4.................................................................228

ГЛАВА 5. МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЕ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ МЕТАЛЛООБРАБОТКИ...231

5.1. Многопараметрическое диагностирование технологических систем..................................................................................231

5.1.1. Точность диагностирования износа инструментов..................231

5.1.2. Многопараметрическое диагностирование износа инструментов для обработки отверстий...................................................236

5.1.3. Принципы многопараметрического диагностирования.............241

5.2. Реализация принципов многопараметрического диагностирования на многоцелевых станках........................................................244

5.3. Выводы по главе 5.................................................................249

ГЛАВА 6. ОПЕРАТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ

РЕЗАНИЯ......................................................................251

6.1. Теоретические основы оперативного управления процессом резания...............................................................................251

6.2. Пример оперативного регулирования процесса сверления чугуна путем стабилизации максимальной температуры.......................261

6.3. Пример оперативного регулирования при точении стали 45

путем стабилизации мощности резания.....................................270

6.4. Выводы по главе 6.................................................................281

ОБЩИЕ НАУЧНЫЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ..........282

ЛИТЕРАТУРА ...........................................................................285

ПРИЛОЖЕНИЯ

292

ВВЕДЕНИЕ

Современное машиностроение характеризуется тенденцией снижения доли массового производства машин и значительным увеличением доли мелкосерийного и единичного многономенклатурного производства. В настоящее время доля мелкосерийного и единичного производства в машиностроении составляет по некоторым данным 60-70% [1].

Идеология автоматизации мелкосерийного машиностроительного производства все больше ориентируется на осуществление концепции гибкой автоматизации. При этом подразумевается использование станков с ЧПУ наибольшей гибкости для автоматизированного изготовления большого количества разнообразных деталей без непосредственного участия оператора, с минимальным объемом наладочных работ.

Переход от отдельных станков с ЧПУ к автоматизированным комплексам решает задачу повышения эффективности оборудования с ЧПУ в 2 - 3 раза за счет резкого сокращения времени переналадки его на выпуск другой продукции [2]. Вместе с тем оператор должен освобождаться от монотонных работ, связанных с необходимостью постоянного наблюдения за работой станка. Эти его функции передаются специализированным системам обеспечения надежности.

Однако, при существующих ценах многоцелевых станков, роботов и других компонентов гибких производственных систем, их эксплуатация в одну смену ничего, кроме чистого убытка не даёт, и дать не может. Во многих случаях не спасает положение и двухсменная работа. Только при полноценной трехсменной работе в автоматизированном режиме, а так же при непрерывной круглогодичной эксплуатации без выходных и праздников, эта прогрессивная техника даст заметный экономический эффект. Это подтверждает не только наш, отечественный опыт, но и опыт всех промышленных стран, внедряющих роботы и гибкие производственные системы.

Высокая стоимость оборудования ГПС предъявляет повышенные

требования к таким экономическим показателям, как коэффициенты сменности и загрузки станков с ЧПУ, а также значительно увеличивает стоимость станкоминуты. Если стоимость станкоминуты работы универсального станка принять за 1, то у станка с ЧПУ она увеличится в 1.4...11,5 раз, а при работе станка в составе ГПС в 5...50 раз [3]. Высокая стоимость станкоминуты вызывает необходимость интенсифицировать процессы механической обработки по сравнению с обработкой на универсальном оборудовании.

Вместе с тем в настоящее время, как следует из опыта эксплуатации ГПС, с целью обеспечения надежности технологического процесса с ограниченным участием оператора, режим резания назначается, как правило, на 70...80% ниже нормативного даже для универсальных станков. При этом расчетный период стойкости составляет 60... 120 минут, что, безусловно, не может считаться оптимальным ни для станков с ЧПУ, ни, тем более для ГПС, с учетом возросшей стоимости их станкоминуты [3].

Отсюда одним из острых вопросов, определяющих эффективность гибких производственных систем металлообработки является повышение производительности и надежности оборудования при его эксплуатации в автоматическом режиме. По мнению большинства специалистов на первом этапе оборудование ГПС должно обеспечивать наработку на отказ не менее 100 - 150 часов [4]. Для сравнения, в существующих автоматических линиях массового производства, вероятность бесперебойной работы более часа практически равна нулю. Таким образом, обеспечение производительности и надежности эксплуатации оборудования в автоматическом режиме при ограниченном участии оператора является важной задачей.

Исследования и производственный опыт показывают, что наибольшая доля отказов автоматических линий массового производства связана с отказами режущих инструментов. Инструмент - особый элемент технологической системы механической обработки, характеризующийся

повышенными нагрузками на его режущую часть, что вызывает многообразные виды повреждений, связанных с износом, поломками, выкрашиванием режущей кромки и др. При этом скорость изнашивания инструмента значительно выше скорости изнашивания деталей и узлов технологического оборудования (станков, приспособлений и т.д.). Изнашивание инструмента, в отличие от других повреждений, обязательно приведет к отказу технологической системы в целом, если не будет выполнена его предупредительная замена на дублирующий [5].

В общем числе нарушений работоспособности многоцелевых станков с ЧПУ, устраняемых оператором, доля отказов режущего инструмента, по данным разных литературных источников, составляет, в зависимости от условий эксплуатации от 23 % до 63 % [3-5]. Следовательно, режущий инструмент является одним из основных элементов, определяющих работоспособность многоцелевого станка и технологической системы в целом. Поэтому надежность инструмента, как главного элемента, определяющего работоспособное состояние технологической системы, изучается не только в комплексе со всеми ее другими элементами, но и независимо от них. При чистовой обработке рассматривают отказы по параметрам качества обработанной поверхности, при черновой - по функциональным параметрам.

В настоящее время разброс стойкости отечественного инструмента является весьма значительным. Это обусловлено не только качеством изготовления и термической обработки самого металлорежущего инструмента, но и возможными, порой весьма значительными колебаниями размеров и физико-механических свойств обрабатываемых заготовок. Поэтому при использовании в качестве расчетного ресурса гамма-процентной стойкости большинство, в том числе и лимитирующий инструмент фактически недорабатывают свой реальный ресурс. При этом лимитирующий инструмент использует лишь часть своего фактического ресурса. Остальные инструменты, принудительно заменяемые во время плановых остановок автоматической

линии не дорабатывают даже свою гамма-процентную стойкость.

Повышение надежности технологических систем металлообработки возможно за счет повышения надежности режущих инструментов путем использования инструментов высокого качества в том числе с износостойкими покрытиями. При этом также необходимо стремиться к стабилизации физико-механических свойств материала заготовок, припусков на обработку, других условий эксплуатации инструментов. При таком подходе надежность технологических систем металлообработки в значительной степени определяется надежностью режущего инструмента, а также стабильностью размеров и физико-механических свойств материала заготовок.

Другой подход к обеспечению надежности технологических систем состоит в использовании систем оперативного управления режимами резания в течение рабочего хода инструмента. Возможность такого оперативного управления обеспечивается наличием свободных вычислительных мощностей в современных системах ЧПУ станков и использование на них приводов с бесступенчатым регулированием частоты вращения электроприводов главного движения и движения подачи. В этом случае надежность операций обработки будет определяться надежностью систем оперативного управления, работающих в автоматическом режиме.

Такой подход имеет ряд преимуществ:

- возможность применения рыночного инструмента;

- более полное использование ресурса инструментов без перехода их в зону катастрофического износа;

- возможность обработки заготовок с неоднородными припусками и физико-механическими свойствами материала;

- возможность работы на рациональных, вплоть до максимальных для каждой операции режимах резания.

Для этого современные технологические системы должны оснащаться системами диагностирования процесса резания, оборудования и режущих

инструментов, а также системами оперативного управления режимами резания в процессе обработки.

В гибких производственных системах поступление деталей на обработку в случайной последовательности определяет возможность эксплуатации инструментов с переменными в течение одного периода стойкости режимами резания. Поэтому системы диагностирования процесса резания и оперативного управления режимами обработки должны быть ориентированы на использование рыночного инструмента при возможных изменениях от инструмента к инструменту параметров его начального состояния. Эти системы должны учитывать также возможные изменения от заготовки к заготовке величины припуска на обработку и физико-механических свойств обрабатываемого материала и осуществлять функционирование на различных, в том числе переменных в течение рабочего хода режимах резания.

В ряде случаев, например при изготовлении длинных валов, в судовой или бумагоделательной промышленности, когда вся поверхность детали должна быть обработана одним инструментом за один проход, машинное время обработки может составлять десятки часов. В этом случае, при изменении условий резания, связанных с износом инструмента, или колебаниями параметров заготовок, обеспечение надежности, при обработке на постоянных режимах резания практически невозможно.

Поэтому повышение производительности и обеспечение функциональной надежности обработки при непрерывном резании путем оперативного управления на основе многопараметрического диагностирования в условиях возможных изменений параметров начального состояния инструментов, а также размеров и физико-механических свойств обрабатываемой заготовки является актуальной научно-технической проблемой.

Настоящая работа является продолжением выполняемых на кафедре ВТО МГТУ «Станкин» исследований по указанному проекту и посвящена вопросам переработки информации, полученной путем диагностирования и мониторинга

состояния процесса резания, с целью формирования решения по коррекции режимов резания в процессе обработки. Коррекция режимов резания в процессе обработки деталей обусловлена необходимостью обеспечения надежности технологической системы при изменяющихся условиях обработки: износа инструмента, возможных колебания припуска, физико-механических свойств обрабатываемого материала и др.

Предметом исследования в данной диссертационной работе были операции непрерывного резания. Инструмент с одной режущей кромкой и непрерывным резанием - токарный резец. Инструмент с несколькими режущими кромками и непрерывным резанием - сверло, зенкер, развертка.

Цель работы. Повышение производительности обработки и обеспечение функциональной надежности системы непрерывного резания путем оперативного управления на основе стабилизации на предельно допустимом уровне значения максимальной температуры на рабочих поверхно�