Оперативные средства мониторинга процесса резания

УДК 621.91.01

ОПЕРАТИВНЫЕ СРЕДСТВА МОНИТОРИНГА ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

В. С. Сальников, Хоанг Ван Чи

Проведены обоснования эффективных контролируемых параметров процесса резания и представлен выбор оперативных средств мониторинга процесса резания.

Ключевые слова: резание, мониторинг, средство, фактор.

В процессе резания металлов около 80% работы затрачивается на пластическое и упругое деформирование срезаемого слоя и слоя, прилегающего к обрабатываемой поверхности и поверхности резания, и около 20 % работы - на преодоление трения по передней и задней поверхностям резца. Примерно 85.. .90 % всей работы резания превращается в тепловую энергию, которая (в зоне резания) существенно влияет на износ и стойкость инструмента, на шероховатость обработанной поверхности. Установлено, что свыше 70 % этой теплоты уносится стружкой, 15.20 % поглощается инструментом, 5.10 % - деталью и только 1 % излучается в окружающее пространство. Температура в зоне резания зависит от физикомеханических свойств обрабатываемого материала, режимов резания, геометрических параметров режущего инструмента и применяемой смазочноохлаждающей жидкости [1].

Установлено, что важнейшим фактором, определяющим характеристики процесса резания (интенсивность износа инструмента, шероховатость, наклеп и микроструктуру обработанной поверхности и др.), является средняя температура контакта, или температура резания. Положение о постоянстве оптимальной температуры резания оказалось справедливым для продольного и торцового точения, сверления и растачивания отверстий, нарезания резьбы методом многократных проходов, фрезерования поверхностей и зубофрезерования зубчатых колес. Из положения о постоянстве оптимальной температуры резания для заданной пары «инструмент - деталь» вытекают следствия, которые расширили область действия установленного положения [2].

В теории резания широко используется метод естественной термопары для определения средней температуры резания [4]. Для этого измеряется ЭДС резания, генерируемая в зонах скользящего контакта режущего инструмента со стружкой и поверхностью заготовки. Эти зоны рассматривают как естественно образующийся в процессе резания горячий спай термопары и принимают, что измеряемая ЭДС резания имеет термоэлектрическую природу. В этой термопаре, образованной двумя разными металлическими проводниками, возникает термоэлектродвижущая сила. Носителем электричества являются свободные электроны, концентрация

210

которых в проводниках повышается с ростом температуры горячего спая. Термоэлектродвижущая сила зависит от разности температур горячего и холодного спаев[3]. Помимо этого, в термоэлектродвижущую силу входит составляющая, обусловленная механическим и деформационным возбуждением электронов в кристаллических структурах. Такое толкование физической сущности термоэлектродвижущей силы резания используется для получения информации из зоны резания о состоянии режущей части инструмента, о наростообразовании и др. При этом сигнал поступает непосредственно из зоны резания, и для его получения не требуется специальных датчиков.

Для измерения термоэлектродвижущей силы станок, например токарный, оснащается токосъемником, закрепляемым на задней части шпинделя и соединяемым с входом измерительного прибора с большим электрическим сопротивлением. Второй вход прибора соединяется с инструментом (рис.1). При этом электрическое сопротивление шпиндельных подшипников должно быть существенно меньше сопротивления площадки контакта инструмента с обрабатываемой деталью. Достоверность измерения термоэлектродвижущей силы снижается при нарушении условий работы подшипников, когда возможно уменьшение их электрического сопротивления из-за наличия масляной пленки между деталями подшипников.

1

Рис.1. Схема измерения температуры в зоне резания методом

естественной термопары:

1 - обрабатываемая заготовка; 2 - резец; 3 - изоляция;

4-милливольтметр

Существенным достоинством сигнала термоэлектродвижущей силы в процессе резания является то, что для его обработки не требуется специальных преобразователей, поскольку сразу получается электрический сигнал.

Термоэлектродвижущая сила резания представляет собой совокупность элементарных импульсов напряжения, возникающих на микровыступах площадок контакта передней и задней поверхности инструмента с обрабатываемым металлом.

Для данной пары металлов режущего инструмента и обрабатываемой заготовки измеряемая величина термоэлектродвижущей силы определяется соотношением Я0 / Як, где Я0 и Як - переходные электрические сопротивления контакта соответственно "резец-заготовка" и "резец-стружка", при этом с увеличением отношения Я / Як увеличивается и термоэлектродвижущая сила.

С ростом износа на задней или передней поверхности инструмента увеличиваются соответствующие площадки контакта, а вместе с ними уменьшаются электрические сопротивления Я0 , Як . В зависимости от расположения очага превалирующего износа будет возрастать или уменьшаться измеряемая величина термоэлектродвижущей силы.

Так, при превалирующем износе на задней поверхности Я0 будет уменьшаться быстрее, чем Як , а это вызывает уменьшение измеряемой величины термоэлектродвижущей силы. При превалирующем износе по передней поверхности, напротив, термоэлектродвижущая сила возрастает.

Измерять термоэлектродвижущые силы для определения состояния инструмента рекомендуется в начале прохода, пока не нагрелись поверхности резцедержателя и не появилась паразитная термоэлектродвижущая сила, искажающая полезный контролируемый сигнал.

Зависимости термоэлектродвижущей силы от износа по задней поверхности твердосплавного резца показывают, что с начала работы инструмента до высоты Л3 = 0,5...0,6 мм более интенсивно уменьшается сопротивление Як вследствие приработки передней поверхности и увеличения площадки фактического контакта со стружкой. Затем, когда начинается ускоренный износ на задней поверхности, более интенсивно падает Я0 и термоэлектродвижущая сила уменьшается [5].

Температура является доминирующим фактором, определяющим состояние режущей части инструмента. Рост износа вызывает рост мощности источника теплоты, а затем и рост температуры. При больших скоростях резания температура определяет структуру и свойства инструментального материала, от которых зависит интенсивность изнашивания. Следовательно, температура может служить информативным признаком состояния инструмента, но практическое применение этого диагностиче-

ского свойства температуры представляет определенные трудности, связанные с тем, что методы ее измерения мало пригодны для производственных условий при эксплуатации технологической системы.

Измерения температуры применяют в предэксплуатационный период при исследовании инструмента в лабораторных условиях, а также при тепловом диагностировании станков.

Широкое применение для теплового контроля технологического оборудования находят термисторы или терморезисторы -полупроводниковые резисторы, электрическое сопротивление которых существенно изменяется с ростом температуры.

Для тех же целей используются бесконтактные методы инфракрасной термографии с помощью тепловизоров и пирометров.

Инфракрасная термография - это метод получения термоизображений (термограмм) не воспринимаемого глазом теплового излучения объектов. Он позволяет контролировать тепловое состояние оборудования без непосредственного с ним контакта, не прерывая технологического процесса. Получают температурные поля или локальные температуры тех узлов и деталей станка, тепловые деформации которых существенно влияют на точность обработки. Контролируются подшипники, зубчатые передачи и муфты, можно контролировать и состояние инструмента.

Преимуществами инфракрасной термографии по сравнению с другими методами являются большая скорость определения температуры, высокая подвижность сенсора, измерение бесконтактным способом, не влияющим на процесс, а также возможность показа на одном снимке распределения температуры по всей фотографируемой поверхности, которая может быть больших размеров [6].

Термовизия применяется не только как метод измерения, но и как метод, с помощью которого выполняются функции хранения и анализа данных, их сравнения и оп-Нпе-мониторинга в области распределения электрической энергии и контроля электроэнергетических установок. Камеры термовизии дают возможность обнаружить неисправность соединений в местах подключения трансформаторов, выключателей и других ключевых элементов электроэнергетических установок.

Тепловизор -устройство для наблюдения за распределением температуры на исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в объектив поверхности. Типовое разрешение современных тепловизоров —

0,1 °С. В некоторых моделях тепловизоров информация записывается в память устройства и может быть считана через интерфейс подключения к компьютеру (рис.2). Такие тепловизоры обычно применяют в паре с ноутбуком или персональным компьютером и программным обеспечени-

ем, позволяющим принимать данные с тепловизора в режиме реального времени.

Компьютер

Рис. 2. Схема камеры термовизии Wohler IK 21 с компьютерным управлением

Инфракрасные пирометры - это приборы для дистанционного измерения температуры в заданных точках объекта. Это позволяет использовать их для диагностирования.

Установлено, что наиболее достоверные данные о температуре дают тепловизоры.

Таким образом, в процессе температурного мониторинга и управления процессом резания предлагается использовать бесконтактные методы инфракрасной термографии с помощью тепловизоров.

Список литературы

1. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение. 2002. 344 с.

2. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976. 278 с.

3. Ящерицын П.И., Фельдштейн Е.Э., Корниевич М.А. Теория резания: учебик. М.: Новое знание, 2005. 512 с.

4. Резников А.Н. Теплофизика резания. М.: Машиностроение, 1969. 288 с.

5. Грановский Г.И. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985.

304 с.

6. Современная инфракрасная термография в контроле и диагностике оборудования / З. Стевич [и др.] Сербия, Бор, 2006.

Сальников В.С., д-р техн. наук, проф.,Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Хоанг Ван Чи, магистрант,hc.mrcoolagmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет

OPERATIONAL INSTRUMENTS FOR MONITORING THE CUTTING PROCESS

Salnikov V. S., Hoang Van Chi

Showing the justification of effective control parameters of the cutting process and presenting the choice of operational tools to monitor the cutting process.

Key words: Cutting, monitoring, instruments, factor.

Salnikov V.S., doctor of engineering, professor, (8910)-947-0279, Russia, Tula, Tula state university,

Hoang Van Chi, magistr, (8920)-752-49-68, hc.mrcool@gmail.com, Russia, Tula, Tula state university

УДК 621.99

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ СИЛЫ РЕЗАНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ С УЧЕТОМ УПРОЧНЕНИЯ МАТЕРИАЛА

Нгуен Ван Кыонг

Получены аналитические зависимости составляющих сил резания от режимов с учетом действительного предела прочности обрабатываемого материала. Представлены уточенные теоретические зависимости.

Ключевые слова: силы резания, упрочнение материала, аналитические зависимости.

Анализ сил играет важную роль в характеристике процесса резания, так как износ инструмента и текстуры поверхности в большой степени зависят от силы. В общем случае величина и направление равнодействующей силы Я зависят от множества факторов: степени деформации металла в зоне резания, формы и размеров поперечного сечения среза, физикомеханических свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров режущего инструмента и степени его износа.