автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка алгоритма управления процессом фрезерования титановых сплавов путем автоматизированной оценки текущего состояния режущего инструмента

На правах рукописи

Геранюшкин Алексей Владимирович

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ФРЕЗЕРОВАНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

ПУТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОЦЕНКИ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

(промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» Государственного образовательного учреждения Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шварцбург Леонид Эфраимович

кандидат технических наук, доцент Шеметов Михаил Георгиевич

Ведущее предприятие: Открытое акционерное общество

«ВНИИИНСТРУМЕНТ»

Защита состоится «17» июня 2004 года в_часов на заседании диссертационного совета К212.142.01 в Государственном образовательном учреждении Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127055, ГСП-4, Москва, Вадковский пер., За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан «17» мая 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Тарарин И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время прогрессивные технологии металлообработки основаны на применении автоматизированного оборудования - станков с ЧПУ, ГПМ и ГПС. Режущий инструмент является особым объектом технологии металлообработки - разнообразные условия эксплуатации и, следовательно, нагруже-ния его режущей части вызывают многообразные виды повреждений и отказов, а скорости изнашивания инструмента значительно выше, чем скорости изнашивания деталей и узлов станка. Поэтому надежность инструмента определяет работоспособное состояние технологической системы в целом.

Надежная эксплуатация любого автоматизированного технологического оборудования сегодня невозможна без двух составляющих: оценки его состояния - диагностирования и по результатам оценки выработки решения по управляющему воздействию.

Диагностика состояния режущего инструмента в процессе резания является одним из наиболее эффективных способов обеспечения надежной работы автоматизированного станочного оборудования и получения качественной продукции. Особенно это необходимо для тех операций металлообработки, которые создают крайне неблагоприятные условия для работы режущего инструмента. В первую очередь к таким операциям необходимо отнести фрезерование титановых сплавов, детали из которых широко распространены в авиационной технике благодаря своим уникальным эксплуатационным свойствам. Фрезер о -вание титановых сплавов является чрезвычайно сложным и энергоемким процессом, что связано с особенностями физико-механических и теплофизических свойств материалов этой группы. Особенно сложным является процесс фрезерования монолитных деталей из титановых сплавов типа турбинных колес и крыльчаток, которые в последнее время получили широкое распространение в конструкции авиационных двигателей.

Поэтому разработка автоматизированных систем оценки (диагностирова-

ния) текущего состояния р е ж : [[^¡бумедшэдхл^^ЭФ1 и и криволи-

БИБЛИОТЕКА

С. Петербург ппЛ

СПтр"------------3

нейных поверхностей деталей из титановых сплавов с целью соответствующего управляющего воздействия на процесс резания является очень актуальной проблемой для автоматизированного производства.

Цель работы

Разработка алгоритма управления процессом фрезерования титановых сплавов путем автоматизированной оценки текущего состояния режущего инструмента по силовым параметрам.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• исследованы особенности изнашивания концевых быстрорежущих фрез при обработке титановых сплавов с целью выявления критерия отказа;

• разработана автоматизированная система измерения физических параметров процесса резания;

• установлена функциональная взаимосвязь и разработаны модели зависимости между критерием отказа и физическими параметрами процесса фрезерования титановых сплавов быстрорежущими концевыми фрезами и выбран косвенный диагностический признак состояния режущего инструмента;

• разработан алгоритм управления процессом фрезерования титановых сплавов путем автоматизированной оценки износа быстрорежущих концевых фрез и алгоритм для его реализации при фрезеровании криволинейных поверхностей.

Общая методика исследований

В работе использовались основные положения теории резания материалов, оригинальные методики определения основных физических характеристик процесса резания, а также современные средства измерения физических параметров процесса резания. Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением методов математической статистики и теории вероятности.

Научная новизна работы заключается в:

- построении математических моделей зависимости изменения составляющих силы резания от износа концевых быстрорежущих фрез при

обработке криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов;

- разработке алгоритма реализации метода управления процессом фрезерования титановых сплавов на основе косвенной оценки износа быстрорежущих концевых фрез.

Практическая ценность работы состоит в:

- рекомендациях по выбору косвенных диагностических признаков при фрезеровании криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов;

- программе расчета мгновенных значений составляющих силы резания для различных сочетаний факторов процесса фрезерования с учетом износа быстрорежущих концевых фрез.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на 6 российских и международных научно-технических конференциях, а также на заседаниях кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН». В 2003 году результаты работы были удостоены серебряной медали третьего Московского международного салона инноваций и инвестиций.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов и списка использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дается ее общая характеристика, формулируется научная и практическая значимость, кратко раскрывается содержание разделов.

В первой главе приведен анализ работ различных исследователей, занимавшихся проблемами фрезерования титановых сплавов, вопросами контроля и диагностики процесса резания, представлен обзор научно-технической информации, посвященной проблеме применения современных измерительных средств в станках с ЧПУ, формулируется цель и задачи работы.

В процессах чистовой и получистовой обработки титановых сплавов в промышленности наибольшее распространение получили режущие инструменты из быстрорежущих сталей. Специфическими особенностями механической обработки титановых сплавов является высокое удельное давление на контактных поверхностях инструмента и повышенные температуры резания, связанные с низкой пластичностью и теплопроводностью титановых сплавов. Наибольшие затруднения возникают при обработке титановых сплавов с к

которым относится сплав ВТ-20. Скорость обработки этого сплава быстрорежущим инструментом в 2 — 2,5 раза меньше, чем твердосплавным, однако по надежности при прерывистом резании быстрорежущий инструмент обладает заметным преимуществом - имеет значительно больший предел прочности на растяжение. Это предопределяет меньшее количество внезапных отказов инструмента из-за хрупкого разрушения - скалывания и выкрашивания. Доля отказов при фрезеровании твердосплавным инструментом из-за скалывания и выкрашивания составляет 75 %, в то время как у инструмента из быстрорежущих сталей этот показатель составляет около 1 % — 2 %. Следует иметь ввиду, что доля отказов концевых фрез из-за скалывания увеличивается при превышении допустимых значений текущего износа рабочих поверхностей, которые снижают прочность зубьев фрезы.

В современной металлообрабатывающей промышленности доминируют мелкосерийное и серийное производства. Прогрессивные технологии в этом случае основаны на применении автоматизированного оборудования — станков с ЧПУ, ГПМ и ГПС. Применение автоматизированного процесса обработки не возможно без контроля и диагностики состояния режущего инструмента в процессе обработки.

Сегодня при создании систем управления процессом резания возникает проблема, связанная с отсутствием приемлемых по точности и надежности в условиях производства методов и средств непрерывного контроля состояния режущего инструмента.

Существующие системы контроля состояния режущего инструмента в процессе резания основаны на измерении различных физических параметров, таких как составляющие силы резания, термо-ЭДС, уровень вибраций и т.д. Измеряемое значение параметра сравнивается с заранее установленными постоянными либо переменными уровнями ограничения, превышение которых расценивается как аварийная ситуация. В реальном технологическом процессе такого рода аварийные ситуации могут возникать вследствие поломки и износа режущего инструмента, не точностью припуска и позиционирования обрабатываемой детали и еще множества случайных факторов. При этом реакция системы управления станка на аварийную ситуацию однозначна и состоит в немедленной замене инструмента.

На практике наиболее распространенным случаем отказа режущего инструмента является его износ. Износ, как аварийная ситуация, относительно времени обработки детали является медленной функцией и не требует прерывания операции и мгновенной замены инструмента. Разработка новых методов контроля способных с высокой достоверностью определять износ режущего инструмента на фоне других неблагоприятных технологических факторов позволит более гибко управлять процессом резания и существенно повысить его надежность.

Во второй главе описаны принципы создания автоматизированного стенда научных исследований при обработке резанием (АСНИ ОР) на базе многофункционального АЦП фирмы National Instruments, а также представлены методики экспериментальных исследований.

АСНИ ОР была создана в МГТУ «СТАНКИН» на кафедре ВТО на базе аппаратуры DAQPad-6020E и программного обеспечения National Instruments. Основными задачами, которые необходимо было решить при разработке АСНИ ОР, являлись следующие:

— автоматизация сбора измерительной информации, для обеспечения унификации выходных сигналов датчиков, предварительное усиление сигналов, фильтрация, аналого-цифровое преобразование;

— автоматизация передачи информации из измерительного канала в вычислительное устройство (ЭВМ);

— автоматизация обработки измерительной информации;

— автоматизация документирования результатов экспериментов.

Решение указанных выше задач производилось в рамках единого системного подхода, который обеспечил согласованную работу всех аппаратных и программируемых компонентов автоматизированной системы. В таблице 1 представлены технические характеристики стенда.

Таблица 1. Технические характеристики АСНИ ОР.

Наименование Значение

Разрядность АЦП, бит 12

Входное напряжение, В ±10, ±5,0-10

Количество каналов 16

Коэффициент усиления программируемый 1,5,10,20,50,100

Максимальная частота преобразования, не менее, КГц 100

Интерфейс передачи данных USB

В качестве входного преобразователя использовался универсальный динамометр УДМ-600, подключаемый через модуль тензометрического усилителя SCC-SG04 National Instruments. Тарировка динамометра проводилась в соответствии с руководством ВНИИ. 8

Стенд был реализован на базе персонального компьютера, работающего под управлением операционной системы Windows.

Программное обеспечение автоматизированного стенда создано в интегрированной среде Lab VIEW фирмы National Instruments и оформлено в виде «виртуального прибора», представленного на (рис. 1).

«Виртуальный прибор» представляет собой исполняемый файл формата ЕХЕ и работает на персональных компьютерах под управлением операционной системы Windows 2000/XP. Он позволяет производить сбор информации (измерение сигналов) процесса резания в реальном масштабе времени, сохранять полученную информацию, производить обработку данных в соответствии с разработанными математическими моделями оценки состояния инструмента.

На основе автоматизированного стенда также в виде «виртуального прибора» создан программный имитатор, реализующий разработанный алгоритм оценки состояния концевых фрез при обработке титановых сплавов.

Приведены сведения об использованном станочном оборудовании, вспомогательном и режущем инструменте, инструментальном и обрабатываемом материале.

Математическую обработку результатов испытаний производили с использованием специальных программ обработки экспериментальных данных, разработанных на кафедре ВТО.

В третьей главе исследуются силовые параметры процесса фрезерования титановых сплавов концевыми быстрорежущими фрезами с целью нахождения наиболее чувствительного (информативного) косвенного диагностического признака состояния режущего инструмента.

Фрезерование концевыми фрезами является одним из распространенных видов механической обработки. Оно преобладает при обработке корпусных изделий, и его доля увеличивается при наблюдающейся тенденции замены растачивания на планетарное фрезерование.

Одним из путей, обеспечения высокой надежности процесса фрезерования титановых сплавов быстрорежущими концевыми фрезами в условиях автоматизированного производства, является создание и внедрение в технологическое оборудование систем контроля процесса резания и диагностирования состояния режущего инструмента. Диагностирование режущего инструмента в процессе резания происходит в результате сравнения действительного значения параметра или параметров процесса резания с предельно допустимым значением, устанавливаемым субъектом управления.

Критерием оценки параметров резания для выбора косвенного диагностического признака является относительный прирост параметра, выраженный в простых процентах:

где ^[Д»] — значение параметра Я при предельно допустимом критерии отказа; 10

0)

— значение параметра Л при острозаточенном режущем инструменте.

Исследования процесса фрезерования титановых сплавов быстрорежущими концевыми фрезами показали, что наиболее информативным косвенным диагностическим признаком являются силовые параметры процесса резания.

Для исследования и расчета силовых параметров использовалась методика, разработанная в МГТУ «СТАНКИН» на кафедре ВТО. Анализ результатов проведенных исследований показал, что при обработке титановых сплавов данная методика позволяет объективно оценивать направления действия векторов сил во время рабочего хода фрезы, а также максимальные значения составляющих силы резания, т.к. при врезании и выходе фрезы наблюдается значительное отклонение рассчитанных и измеренных значений составляющей

В дальнейшем были получены следующие зависимости силовых параметров процесса фрезерования от факторов процесса с учетом износа режущего инструмента:

Опыты показали, что для попутной схемы фрезерования коэффициенты и степени значительно не меняются, поэтому данные формулы могут применяться для обеих схем фрезерования. Коэффициенты учитывают влияние физико-механических свойств инструментального, обрабатываемого материала и т.д.

В данной работе зависимость сил резания от скорости исследовалось на разных схемах фрезерования с подачей на зуб Скорость резания

варьировалась в диапазоне от 25 м/мин до 49,5 м/мин. Существенного изменения силы резания при этом обнаружено не было.

С целью выявления косвенного диагностического признака при сочетании различных факторов процесса использовалась программа для графического

моделирования составляющих силы резания при фрезеровании, в которой были применены полученные зависимости (2) и (3).

Составляющие силы резания ^ и Рц вычислялись по формулам: - для встречной схемы фрезерования

(4)

для попутной схемы фрезерования Fv¡ = Fz¡ • cos^ +Fr ■ sin

F„ = F,

Z, r,

sin£

н, - 1 г," ~ '

Ограничение по углу £ связано с тем, что область применения концевых фрез ограничена обработкой уступов, а так же обработкой цилиндрической частью фрезы на получистовых и чистовых режимах.

На рис 2 представлены модели силовых параметров при различных сочетаниях факторов процесса. Анализ графических моделей показывает, что относительный прирост силовых параметров может достигать значений от 60 % до 75 %. При попутной схеме фрезерования косвенными диагностическими признаками могут являться

0

90*

(5)

Рис. 2. Значения силовых параметров процесса фрезерования титановых сплавов.

Окружная сила обладает наименьшим относительным приростом и не может быть использована в качестве диагностического признака состояния концевых фрез.

Полученные результаты справедливы при линейном движении по подаче. Современное технологическое оборудование позволяет вести обработку по криволинейным поверхностям с высокой точностью. Автором разработана методика расчета силовых параметров для случая планетарного фрезерования, т.е. фрезерования по окружности. На рис. 3 представлена схема векторов сил в различные периоды обработки фрезы по обрабатываемой поверхности радиусом

д,-

Рис. 3. Схема составляющих силы резания при криволинейном движении фрезы

Из данной схемы получаем частные случаи ориентации векторов И Рн в пространстве относительно системы координат показанной на рис. 3.

Частные случаи расположения векторов Рг и Р„ относительно системы координат (например, стол станка) в различный период времени показаны в соответствующих четвертях.

Из этих положений векторов составляющих силы резания и Р„ были

получены формулы для расчета получаемые проектированием и

■Ря на систему координат У' — X', а именно:

¿V = Ри • вт!' + • СОБ^' ь = ^ • соб^' - /V • БШ^'

~ РН • - Ру • ^^

2

' ^ = Р„ • + ^ • СОЗ^

= ^ ' + ^ • С08£

3

Рх, = р„ ■ СОБ^ - ^ • вт^

¿^ = ^ • сов^' - /V * вт^'

4 . .

= • БШ^ - ^ • СОБ^

Измерение силовых параметров затруднительно в реальных условиях работы технологического оборудования. Силовые параметры представляют импульсы сил. Разработанная методика позволяет априорно выбирать и узнавать направление импульса сил в каждый момент времени. Таким образом, система диагностирования может быть реализована путем измерения амплитуды колебаний импульсов составляющих силы резания.

В четвертой главе оптимизируется методика контроля и диагностирования состояния режущего инструмента при фрезеровании титановых сплавов и разрабатывается алгоритм управления процессом фрезерования путем автоматизированной оценки текущего износа режущего инструмента по силовым параметрам процесса резания. 14

(6)

(7)

(8) (9)

Для реализации функций диагностики инструмента необходима разработка соответствующего программно-математического обеспечения системы ЧПУ.

Программно-математическое обеспечение должно быть достаточно универсальным, позволяя осуществлять обработку сигналов с разных диагностических датчиков. При обработке диагностических сигналов непосредственно в системе ЧПУ, возможна такая организация работы, при которой в систему ЧПУ введено постоянное программно-математическое обеспечение, а переменные параметры, характерные для использования конкретного инструмента, вводятся перед началом обработки соответствующей партии деталей.

Проведенными исследованиями было установлено, что наиболее перспективными являются системы, которые обеспечивают замену режущего инструмента по времени в сочетании с заменой по контролю состояния режущего инструмента. В этом случае при остановке рабочего процесса после заданной временной наработки или при износе инструмента, возможно управление с запоминанием номера кадра управляющей программой с целью последующего возобновления работы управляющей программой именно с этого места.

На операциях точения возможна оценка режущего инструмента путем применения датчиков касания, которые напрямую измеряют износ рабочей поверхности режущего инструмента. Однако на операциях фрезерования применить способ прямого измерения износа невозможно из-за сложности позиционирования режущей кромки фрезы.

Наиболее эффективным способом оценки состояния режущего инструмента в процессе фрезерования является косвенная оценка, рассмотренная в третьей главе. На ее основе был создан алгоритм управления процессом фрезерования путем автоматизированной оценки текущего износа режущего инструмента (рис. 4).

Для осуществления данного алгоритма необходимы:

• контроль временной наработки инструмента;

• диагностика состояния инструмента по косвенному диагностическому параметру;

автоматическая замена инструмента при временной наработке, равной:

(Ю)

Т =Т •к 1н 1 шт л»

где

машинное время на обработку одной детали;

к — количество деталей;

• изменение режимов резания без отвода инструмента при обнаружении неработоспособного состояния в случае неполной выработки запланированного времени до смены инструмента

Рис. 4. Алгоритм замены инструмента по времени в сочетании с заменой по контролю состояния.

В случае распознавания неработоспособного состояния при , пре-

дусматривается восстановление работоспособного состояния, путем уменьшения факторов процесса, например подачи, не отражающемся на качестве изготовляемого изделия. Ограничение на минимально возможную подачу определяется технико-экономическими соображениями.

Общие выводы по работе

1. В результате исследований установлено влияние износа режущего инструмента на составляющие силы резания. Наибольшим относительным приростом обладает составляющая Fv силы резания при встречном фрезеровании и составляющая FH при попутном фрезеровании. Они могут быть выбраны в качестве косвенных диагностических признаков состояния режущего инструмента при обработке титановых сплавов.

2. Разработанная математическая модель позволяет рассчитывать мгновенные значения составляющих силы резания при фрезеровании криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов для различных факторов процесса с учетом износа инструмента.

3. На основе изучения динамики силовых параметров предложен способ оценки состояния режущего инструмента, заключающийся в измерении амплитуды импульсов силовых параметров с помощью акселерометров.

4. На базе программного обеспечения и аппаратуры ввода-вывода National Instrument (NI) разработана программа, представляющая собой набор виртуальных приборов, которая позволяет отображать информацию о протекании процесса фрезерования.

5. Разработанный алгоритм управления процессом фрезерования титановых сплавов, основанный на оценке текущего состояния концевых быстрорежущих фрез, позволяет обеспечивать надежность процесса фрезерования за счет поддержания работоспособного состояния режущего инструмента.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях

1. Гурин ВД., Геранюшкин А.В., Мышанский СЕ. Создание системы автоматизированного контроля состояния процесса резания и инструмента // Международная конференция Производство. Технология. Экология. Сборник трудов конференции. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2002. - с. 192-194.

2. Алешин СВ., Гурин В.Д., Геранюшкин А.В. Диагностика состояния концевых фрез при обработке титановых сплавов // Международная конференция Производство. Технология. Экология. Сборник трудов конференции. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2003. - с. 403-407.

3. Алешин СВ., Гурин В Д., Геранюшкин А.В. Комплекс научных исследований обработки резанием // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments. Сборник трудов конференции. М.: РУДН, 2003. - с. 170.

4. Геранюшкин А.В. Диагностика состояния концевых фрез при обработке титановых сплавов // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении. 3-я Всероссийская научно-практическая конференция. Бийск 2003. - с. 15-19.

5. Геранюшкин А. В. Особенности диагностирования состояния режущего инструмента при обработке титановых сплавов // Юбилейная XV Межд. Интернет-конференция молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения. Тезисы докладов. М.: ИМАШ, 2003 - с. 80.

6. Григорьев С.Н., Гурин В.Д., Геранюшкин А.В., Семенов В.А. Техническая диагностика как способ повышения надежности режущего инструмента с износостойкими покрытиями // Технологии и оборудование для нанесения износостойких, твердых и коррозионностойких покрытий: Материалы всероссийской научно-практической конференции и выставки. Москва: РХТУ, 2004. - с 52-53.

7. Григорьев СИ., Гурин В.Д., Геранюшкин А.В., СеменовВ.Л., Божинский А.В. Проведение исследований в области обработки материалов резанием с применением средств технической диагностики // Сборник трудов IV Всероссийской научно-практической конференции "Информационные технологии в экономике, науке и образовании". Бийск: Изд-во БТИ, 2004. - с. 170-176.

8. Григорьев С.Н., Гурин В Д., Геранюшкин А.В. Диагностирование состояния концевых фрез в процессе резания // Сборник трудов международной научно-практической конференции "Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии в машиностроении". Минск: Изд-во БНТУ, 2004. - с. 215-219.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Геранюшкин Алексей Владимирович

Разработка алгоритма управления процессом фрезерования титановых сплавов путем автоматизированной оценки текущего состояния режущего инструмента

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 17.05.2004. Формат 60x90/6 Уч.изд. л. 1,25. Тираж 50 экз. Заказ № 110

Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН» 103055, Москва, Банковский пер., д.3а

<Р 98 88

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Обеспечение надежности процесса резания на станках с ЧПУ за счет применения систем диагностирования

1.2. Особенности обработки титановых сплавов.

1.3. Постановка цели и задач исследований.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Модель быстрорежущей концевой фрезы и технологическая оснастка.

2.2. Методика создания автоматизированного стенда научных исследований обработки резанием.

2.3. Методика сбора данных и обработки результатов с помощью программного обеспечения Lab VIEW.

2.3.1. Общие сведения о программной среде Lab VIEW.

2.3.2. Программа для сбора и обработки экспериментальных данных.

2.4. Методика расчета силовых параметров при фрезеровании.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ КОНЦЕВЫМИ БЫСТРОРЕЖУЩИМИ ФРЕЗАМИ.

3.1. Методика исследования составляющих силы резания при фрезеровании титановых сплавов.

3.2. Построение математических моделей, описывающих влияние факторов процесса фрезерования на составляющие силы резания Fz и Fy.

3.3. Выявление диагностических признаков состояния режущего инструмента и построение математических зависимостей изменения составляющих силы резания при обработке криволинейных поверхностей.

4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ФРЕЗЕРОВАНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ.

4.1. Методический подход к разработке системы 94 диагностирования состояния инструмента.

4.2. Алгоритм диагностирования быстрорежущих концевых фрез при обработке титановых сплавов.

В настоящее время прогрессивные технологии металлообработки основаны на применении автоматизированного оборудования - станков с ЧПУ, ГПМ и ГПС. Надежная эксплуатация любого автоматизированного технологического оборудования сегодня невозможна без двух составляющих: оценки его состояния — диагностирования и, по результатам оценки, выработки решения об управляющем воздействии.

Режущий инструмент является особым объектом технологии металлообработки - разнообразные условия эксплуатации и, следовательно, нагружения его режущей части вызывают многообразные виды повреждений и отказов, а скорости изнашивания инструмента значительно выше, чем скорости изнашивания деталей и узлов станка. Поэтому надежность инструмента в основном определяет работоспособное состояние технологической системы в целом. Сегодня применение автоматизированных процессов металлообработки практически невозможно без контроля и диагностики состояния режущего инструмента в процессе резания.

Техническая диагностика относительно молодая отрасль знаний. В технологии металлообработки она получила заметное развитие, начиная со второй половины 70-х годов прошлого столетия. В 80-е годы отмечался рост лабораторных и производственных реализаций систем диагностирования. Об этом свидетельствует анализ количества публикаций по диагностике, из которого следует, что пик выполненных работ приходится на конец 80-х годов, причем значительное их число выполнялось в СССР. В эти годы в ЭНИМСе был создан универсальный многоканальный монитор - КДР (что означало: контроль -диагностирование - принятие решений). В НПО «Измеритель» были разработаны датчики, встраиваемые в станок: диагностические подшипники, втулки опор ходовых винтов и др. К сожалению в 90-х годах эти достижения не нашли дальнейшего развития и имели ограниченное применение на действующем отечественном технологическом оборудовании.

Однако все эти годы работы по созданию контрольно-диагностической аппаратуры активно велись рядом зарубежных фирм. Японская фирма Fanuc разработала устройство диагностирования инструмента и процесса резания — Monitor A; National Instrument -интерфейс системы диагностирования. Ряд фирм предлагают датчики функциональных параметров процесса обработки. Фирма Kistler и Prometec GmbH Aachen — пьезоэлектрические датчики для измерения сил резания и колебаний; Sandvik — тензометрические втулки ходовых винтов; Promess — диагностические подшипники [1].

Актуальность задач разработки станочных систем автоматического диагностирования привела в 90-ые годы экономически развитые страны к участию в реализации единого для всех проекта SIMON (Sensor Fused Intelligent Monitoring System for Machining), который является составной частью программы создания технологий XXI века.

Страны - участники проекта, достигшие развитого индустриального и постиндустриального технологического уклада, могут обеспечить свойственные им пропорции занятости трудоспособного населения за счет использования современных технологий автоматизированного производства. Статистика показывает, что только 10% трудоспособного населения постиндустриальных стран занято в промышленности, а 85% работает в сфере услуг и 5% в сельском хозяйстве. При таких ограничениях достигнуть высоких показателей ВВП и качества продукции можно только за счет многократного повышения производительности по сравнению с производительностью обработки на универсальных станках. На станках с ЧПУ достигается повышение производительности до 5 раз; в ГАП - до 7,5 раз; в автоматизированных цехах и участках до 10 и более раз

1]. Все эти сложные технологические системы требуют постоянного диагностирования их состояния.

Диагностика в качестве приоритетной темы с высокой степенью значимости отмечена в японском прогнозе развития техники и технологии до 2025 года.

Структурный сдвиг в сторону серийного производства высокотехнологичной продукции, который произошел в конце прошедшего века в высокоразвитых странах, произойдет в рамках процесса глобализации и в России. Это вызовет широкое применение упомянутых выше гибких автоматизированных систем, которые непременно будут оснащены диагностическими устройствами.

Сегодня при создании систем управления процессом резания возникает проблема, связанная с отсутствием приемлемых по точности и надежности в условиях производства методов и средств непрерывного контроля состояния режущего инструмента.

Диагностика состояния режущего инструмента в процессе резания является одним из наиболее эффективных способов обеспечения надежной работы автоматизированного станочного оборудования и получения качественной продукции. Особенно это необходимо для тех операций металлообработки, которые создают крайне неблагоприятные условия для работы режущего инструмента. В первую очередь к таким операциям необходимо отнести фрезерование титановых сплавов, детали из которых широко распространены в авиационной технике благодаря своим уникальным эксплуатационным свойствам. Фрезерование титановых сплавов является чрезвычайно сложным и энергоемким процессом, что связано с особенностями физико-механических и теплофизических свойств материалов этой группы. Особенно сложным является процесс фрезерования монолитных деталей из титановых сплавов типа турбинных колес и крыльчаток, которые в последнее время получили широкое распространение в конструкции авиационных двигателей.

В процессах чистовой и получистовой обработки титановых сплавов в промышленности наибольшее распространение получили режущие инструменты из быстрорежущих сталей. Специфическими особенностями механической обработки титановых сплавов является высокое удельное давление на контактных поверхностях инструмента и повышенные температуры резания, связанные с их низкой пластичностью и теплопроводностью [2,3]. Наибольшие затруднения возникают при обработке титановых сплавов с ав> 1000 МПа к которым относится сплав ВТ-20. Скорость обработки этого сплава быстрорежущим инструментом в 2- 2,5 раза меньше, чем твердосплавным, однако по надежности при прерывистом резании быстрорежущий инструмент обладает заметным преимуществом - имеет значительно больший предел прочности на растяжение. Это предопределяет меньшее количество внезапных отказов инструмента из-за хрупкого разрушения - скалывания и выкрашивания. Доля отказов при фрезеровании твердосплавным инструментом из-за скалывания и выкрашивания составляет 75%, в то время как у инструмента из быстрорежущих сталей этот показатель составляет около 1%-2%. Следует иметь ввиду, что доля отказов концевых фрез из-за скалывания увеличивается при превышении допустимых значений текущего износа рабочих поверхностей, которые снижают прочность зубьев фрезы

Таким образом, разработка автоматизированных систем оценки (диагностирования) текущего состояния режущего инструмента при фрезеровании поверхностей деталей из титановых сплавов с целью соответствующего управляющего воздействия на процесс резания является очень актуальной проблемой для автоматизированного производства.

На основании вышеизложенного была сформулирована основная цель работы, которая заключается в разработке алгоритма управления процессом фрезерования титановых сплавов путем автоматизированной оценки текущего состояния режущего инструмента по силовым параметрам.

Для решения поставленной цели, в работе были решены следующие задачи:

• исследованы особенности изнашивания концевых быстрорежущих фрез при обработке титановых сплавов и установлен критерия их отказа;

• разработана автоматизированная система измерения физических параметров процесса резания;

• установлена функциональная взаимосвязь и разработаны модели зависимости между критерием отказа и физическими параметрами процесса фрезерования титановых сплавов быстрорежущими концевыми фрезами и выбран косвенный диагностический признак состояния режущего инструмента;

• разработан алгоритм управления процессом фрезерования титановых сплавов путем автоматизированной оценки износа быстрорежущих концевых фрез при фрезеровании криволинейных поверхностей.

При решении перечисленных задач были получены следующие научные и практические результаты.

Научная новизна работы заключается в:

- построении математических моделей зависимости изменения составляющих силы резания от износа концевых быстрорежущих фрез при обработке криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов;

- разработке алгоритма реализации метода управления процессом фрезерования титановых сплавов на основе косвенной оценки износа быстрорежущих концевых фрез.

Практическая ценность работы состоит в:

- разработке рекомендаций по выбору косвенных диагностических признаков оценки состояния инструмента при фрезеровании криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов;

- разработке программы расчета мгновенных значений составляющих силы резания для различных сочетаний факторов процесса фрезерования с учетом износа быстрорежущих концевых фрез.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН», на Международных научно-технических конференциях «Производство. Технология. Экология - 2003» в Москве, «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технология National Instruments» в Москве, «Интернет-конференция молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения» в Москве. Кроме того, в 2003 году результаты работы были удостоены серебряной медали третьего Московского международного салона инноваций и инвестиций.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С.Н. Григорьеву, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате исследований установлено влияние износа режущего инструмента на составляющие силы резания. Наибольшим относительным приростом обладает составляющая Fv силы резания при встречном фрезеровании и составляющая FH при попутном фрезеровании. Они могут быть выбраны в качестве косвенных диагностических признаков состояния режущего инструмента при обработке титановых сплавов.

2. Разработанная математическая модель позволяет рассчитывать мгновенные значения составляющих силы резания при фрезеровании криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов для различных факторов процесса с учетом износа инструмента.

3. На основе изучения динамики силовых параметров предложен способ оценки состояния режущего инструмента, заключающийся в измерении амплитуды импульсов силовых параметров с помощью акселерометров.

4. На базе программного обеспечения и аппаратуры ввода-вывода National Instrument (N1) разработана программа, представляющая собой набор виртуальных приборов, которая позволяет отображать информацию о протекании процесса фрезерования.

5. Разработанный алгоритм управления процессом фрезерования титановых сплавов, основанный на оценке текущего состояния концевых быстрорежущих фрез, позволяет обеспечивать надежность процесса фрезерования за счет поддержания работоспособного состояния режущего инструмента.

1. Синопальников В.А., Григорьев С.Н. Надежность и диагностика технологических систем. Учебник. М.: ИЦ МГТУ Станкин, Янус-К. 2003. -331с.

2. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник./ Гуревич Я.Л., Горохов Н.В., и др. 2-е изд; перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1986. 240 с.

3. Кривоухов В.А. ЧубаровА.Д. Обработка резанием титановых сплавов. М. «Машиностроение» 1970 183 с.

4. Синопальников В.А. Надежность режущего инструмента: Учебное пособие. М.: Мосстанкин, 1990. - 92 с.

5. Проников А.С. Программный метод испытания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1985. - 288 с.

6. Подураев В.Н., Барзов А.А., Горелов В.А. Технологическая диагностика резанием методом акустической эмиссии. М.: Машиностроение, 1988. - 56 с.

7. Деревянченко А.Г. Контроль износа и диагностика состояния режущего инструмента. М.: ВНИИТЕМП Вып. 7 1989 64 с.

8. Чудов В.А., Модестов М.Б. Нулевая измерительная головка для обрабатывающих центров и КИМ. // Вестник машиностроения 1985, № 4 с. 33-34.

9. Чудов В.А., Модестов М.Б. Нулевая измерительная головка для обрабатывающих центров и КИМ. // Вестник машиностроения 1985, № 4 с. 33-34.

10. Хейзель У. Методы контроля инструмента и обрабатываемой детали в автоматизированном производстве. // Гибкая автоматизация сверления и фрезерования. Материалы международной станкостроительной выставки. Металлообработка 1984. 1984.

11. Вальков В.М. Контроль в ГАП. Л. Машиностроение. 1986. 294с.

12. Осипов С.С., Шрайбман И.С. Устройство контроля состояния режущего инструмента в процессе резания. // Станки и инструменты 1987, № 8 с. 22-25.

13. Обрабатываемость резанием жаропрочных и титановых сплавов. Под ред. Кривоухова В.А. М. 1961. 242 с.

14. Резание труднообрабатываемых материалов. Под ред. Петрухи П.Г. М. «Машиностроение» 1972 175 с.

15. Подпоркин В.Г. Бердников JI.H. Фрезерование труднообрабатываемых материалов. JI. «Машиностроение» 1983. 136 с.

16. ШалинР.Е., Ильенко В.М. Титановые сплавы для авиационных газотурбинных двигателей. Журнал «ТИТАН» № 1-2/1995.

17. Алешин С.В., ГуринВ.Д., Геранюшкин А.В. Диагностика состояния концевых фрез при обработке титановых сплавов // Международная конференция Производство. Технология. Экология. Сборник трудов конференции. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2003. с. 403-407.

18. Алешин С.В., ГуринВ.Д., Геранюшкин А.В. Диагностика состояния концевых фрез при обработке титановых сплавов // Международная конференция Производство. Технология. Экология. Сборник трудов конференции. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2003. с. 403-407.

19. User Manual SCC Series Signal Conditioning. National Instrument Corporation. 2001.

20. Джеффри Тревис Lab VIEW для всех. пер. КлушинН.А. Н. Новгород, изд. «ТАЛАМ» 1999. 615 с.

21. Жарков Ф.П., Каратаев В.В., Никифоров В.Ф., Панов B.C. Основы использования виртуальных инструментов Lab VIEW. М.: Солон-Р, Радио и связь, Горячая линия — Телеком. 1999 268 с.

22. Lab VIEW Real-Time Lab VIEW реального времени. Журнал «Мир компьютерной автоматизации» № 4/1999.

23. Турин В.Д, Синопальников В.А. Диагностирование концевых фрез по силовым параметрам. // Качество машин. Сборник трудов 5 международной научно-технической конференции. Т. 2. Брянск. БГТУ, 2001. с.120-121.

24. Васильев В.Н., Васильев С.В. Гибкие производственные системы Японии. Экспресс информация. - М.: НИИ экономики, организации производства и технико-экономической информации в энергетическом машиностроении, 1985.46 с.

25. Автоматический контроль износа инструмента по температуре резания. Технология, оборудование, организация и экономика машиностроительного производства: Экспресс информ. Режущие инструменты. М.: ВНИИТЭМР, 1985. №2, с. 4-9.

26. Кочеровский Е.В., Лихциер Г.М. Диагностики состояния режущего инструмента по силовым характеристикам процесса резания. — М., 1988.-40 с.

27. Палей С.М., Решетов Д.Н., Антонов А.В. Контроль состояния режущего инструмента по силе резания. Станки и инструмент. 1992. № 2, с 31-33.

28. Синопальников В.А., Терешин М.В., Тимирязев В.А. Диагностирование износа инструмента // Станки и инструмент. 1986, №1, с. 27-29.

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

30. Вульф A.M. Резание металлов. Изд. 2. Л.: Машиностроение, 1973,496 с.

31. Роземберг A.M. и др. Резание материалов и инструмент. М.: Машиностроение, 1964.226 с.

32. Гурин В.Д. Силовые диагностические признаки состояния концевых быстрорежущих фрез. // Проблемы интеграции, образования и науки. М. 1990.

33. Геранюшкин А.В. Диагностика состояния концевых фрез при обработке титановых сплавов // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении. 3-я Всероссийская научно-практическая конференция. Бийск 2003. с. 15-19.

34. Гостев Г.В., Колюнов В.А., Гусев Е.В. Исследование закономерностей рассеивания стойкости торцевых и концевых фрез.// Физико-химические процессы резания материалов: Межвузовский сборник. Чебоксары. 1986. с. 75-77.

35. Хает Г.Л. Качество и надежность режущих инструментов на станках с ЧПУ. Обзор. М. НИИМАШ. 1983. 52 с.

36. Палей С.М. Диагностика режущего инструмента на станках с ЧПУ: Учебное пособие. М.: Международная книга, 1998. 72 с.

37. Власов В.И. Стохастическая динамическая модель резания. Проблемы интеграции образования и науки. Тезисы докладов научной методической конференции. М. 1990.