Исследование динамики крепления датчиков вибрации шпинделей обрабатывающих центров

УДК 62-531.7

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ КРЕПЛЕНИЯ ДАТЧИКОВ ВИБРАЦИИ ШПИНДЕЛЕЙ ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРОВ

1 9

© Д.П. Алейников', А.В. Лукьянов2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Выявлены отклонения в чувствительности и определены резонансные частоты конструкций соединений вибропреобразователей при использовании различных методов закрепления датчиков. Установлены границы частотного диапазона для разных способов закрепления датчиков и сделано сравнение параметров вибрации обрабатывающего центра при использовании контактного и бесконтактного методов контроля вибрации. Ключевые слова: контактный и бесконтактный метод измерения вибрации; оптический виброметр; частотный диапазон вибропреобразователя.

STUDYING FIXATION DYNAMICS OF MACHINING CENTER SPINDLE VIBRATION SENSORS D.P. Aleinikov, A.V. Lukyanov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

Sensitivity deviations and resonant frequencies of vibration transducer linking designs are determined under the application of different methods of sensor installation. The boundaries of the frequency range are identified for different methods of sensor fixation. Comparison of machining center vibration parameters is performed for contact and non-contact method of vibration control.

Keywords: contact and non-contact method of measuring vibration; optical vibrometer; frequency range of a vibrator transducer.

Вибродиагностика, являясь одним из эффективных методов технической диагностики, последние 20 лет интенсивно развивается и используется в различных отраслях промышленности и на транспорте [1, 2]. Вибрация в обширном диапазоне частот содержит информацию о резонансных явлениях и колебаниях отдельных деталей и всего машинного оборудования, о развивающихся дефектах и технологических процессах в обрабатывающих станках и машинах. Искажение собираемой информации о вибрационных процессах в измерительном тракте приборов вибрационного контроля снижает его достоверность и качество диагностики дефектов [3, 4].

Широкое внедрение современных обрабатывающих центров на машиностроительных предприятиях России обеспечивает возможность применения технологии высокоскоростной фрезерной обработки. Она характеризуется повышенной скоростью резания и подачи инструмента за счет высоких частот вращения шпинделя и использования твердосплавного инструмента. Однако увеличение частоты вращения шпинделя приводит к возникновению опасных вибраций, вызванных периодическим силовым возмущением от режущих кромок фрезы, а также от развивающихся дефектов станка и инструмента [5, 6].

Контроль уровня вибрации и ее анализ позволяют оптимизировать процессы резания по уровню динамических нагрузок, защитить станок при превышении ее

предельного уровня, диагностировать состояние станка и инструмента. Учитывая, что первая гармоника частоты вращения (оборотная частота) может достигать при высоких частотах вращения шпинделя (30 000 об./мин) 500 Гц, а также то, что при вибрационной диагностике состояния станка и инструмента необходимо контролировать не менее 10, желательно и до 20, гармоник оборотной частоты, верхняя граница частотного диапазона вибропреобразователей должна лежать в пределах 8-10 кГц. А это накладывает жесткие требования к качеству крепления датчиков вибрации к шпинделю.

Целью данной работы является выявление отклонений чувствительности вибропреобразователей в зависимости от способа их закрепления. Датчики, применяемые в системах контроля вибрации, бывают: контактного (пьезоакселирометры) и бесконтактного (например, оптические и вихретоковые) принципов действия. Существует несколько способов механического соединения датчиков с контролируемым объектом [7]. По возрастанию жесткости соединения это крепление датчика с помощью щупа, магнита, воска, клея и шпильки. От метода крепления зависит резонансная частота системы «датчик - объект контроля».

Определение динамических характеристик при различных способах крепления вибропреобразователей АР85 (1) фирмы «Глобал Тест» (рис. 1), используемых в составе исследовательского 8-канального виб-

1Алейников Дмитрий Павлович, аспирант, тел.:89025681733, e-mail: aleynikov@istu.edu Aleinikov Dmitry, Postgraduate, tel.: 89025681733, e-mail: aleynikov@istu.edu

2Лукьянов Анатолий Валерьянович, доктор технических наук, профессор кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, e-mail: loukian@inbox.ru

Lukyanov Anatoly, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, e-mail: loukian@inbox.ru

роизмерительного комплекса фирмы «National Instruments» с измерительными модулями С-серии NI-9234, проводилось на комплексе калибровки вибродатчиков фирмы «Брюль и Кьер». В состав комплекса калибровки входили: генератор сигналов, вольтметр, усилитель мощности 2718, вибростенд 4809 (2), эталонный акселерометр 8305 (3). Характеристики вибропреобразователей: осевая чувствительность - 100 мВ/g (±2%); частотный диапазон - 0,5...8 000 Гц; неравномерность АЧХ - 10%.

Испытания проводились методом сравнения показаний поверяемого вибропреобразователя (1) и механически соединенного с ним эталонного акселерометра 8305 (2). Созданный таким образом комплект закреплялся на вибростенде 4809 (3). На рис. 1 показан один из вариантов соединения датчиков с использованием магнита (4) с коорцетивной силой 100 Н.

Рис. 1. Крепление вибропреобразователя АР85 (1) через магнит с коэрцетивной силой 100 Н (4) и эталонный акселирометр 8305 (2) к вибростенду 4809 (3).

Схема калибровки и испытания вибропреобразователя методом сравнения показана на рис. 2. Соединенным механически друг с другом вибропреобразователю и эталонному акселерометру 8305 сообщаются механические колебания синусоидальной формы с амплитудой виброускорения 1д (9,8 м/с2). Предусили-тель эталонного акселерометра с учетом чувстви-

тельности формирует выходной сигнал по напряжению с уровнем 10 мВ^. Создаваемые вибропреобразователями электрические сигналы преобразуются в предусилителе BK2690. Усиленные электрические сигналы измеряются с помощью электронного вольтметра В7-64.

Результатом измерений является действительное значение коэффициента преобразования и его отклонение от номинального значения. Действительное значение коэффициента преобразования калибруемого датчика К определяют по формуле

K =

A

где - показания вольтметра по каналу калибруемого датчика, мВ; Лд - виброускорение, задаваемое вибростендом (показания по каналу эталонного датчика с учетом его коэффициента преобразования),

м / с2

Поскольку соединенные друг с другом калибруемый и эталонный акселерометры совершают механические колебания с идентичным ускорением, отношение амплитуд электрических сигналов вибропреобразователя и эталонного акселирометра непосредственно является отношением присущих им значений чувствительности. Отклонение действительного значения коэффициента преобразования от номинального значения бКд (относительная чувствительность) определяется по формуле

К - Кн

SKd =

K

100%

где Кд- действительное значение коэффициента преобразования; Кв - номинальное значение коэффициента преобразования.

Целью эксперимента являлось определение амплитудно-частотных характеристик и графиков относительной чувствительности испытываемого вибропреобразователя при разных способах закрепления. Испытания проводились на фиксированных частотах 1/3-октавного ряда в диапазоне частот 16-8000 Гц. На всем диапазоне частот у вибростенда поддерживалась амплитуда ускорения, равная 1д (9,8 м/с). Для

Рис. 2. Схема калибровки и испытаний вибропреобразователя методом сравнения

увеличения точности полученных результатов проводилась серия 8 измерений при каждом методе закрепления. Полученные результаты относительной чувствительности находятся вблизи истинного значения, так что их отклонения в сторону больших и меньших значений равновероятны. Средним значением выборки, или статистическим аналогом математического ожидания, является величина

1 "

8Кд .

« ,=1

где п - число измерений ({ = 8).

При увеличении числа наблюдений среднее приближается к математическому ожиданию. При этом истинное значение располагается внутри доверительного интервала, вблизи полученного среднего значения. Для нахождения границы доверительного интер-

вала используется соотношение

Д = 5 • t

p,N '

где ^- среднее квадратичное отклонение; 5 = ; а - дисперсия выборки:

—I № -

n-1tl

SK0f

P,N

- коэффициент Стюдента. При доверительной вероятности р = 0,95, = 2,4.

Полученные результаты относительной чувствительности (т.е. отклонения от эталонной чувствительности) в зависимости от частоты гармонического возбуждения для различных способов крепления вибропреобразователей представлены на рис. 3, а-7, а.

а)

б)

Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика (а) и спектр собственных колебаний (б) при закреплении

вибропреобразователя шпилькой

а) б)

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика (а) и спектр собственных колебаний (б) при закреплении вибропреобразователя магнитом с коэрцитивной силой 100 Н

а) б)

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика (а) и спектр собственных колебаний (б) при закреплении

вибропреобразователя цианоакриловым клеем

n

а2 =

а) б)

Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика (а) и спектр собственных колебаний (б) при закреплении

вибропреобразователя пчелиным воском

а) б)

Рис. 7. Амплитудно-частотная характеристика (а) и спектр собственных колебаний (б) при креплении

вибропреобразователя щупом

Рис. 8. Синтезированный сигнал свободных колебаний

Параллельно с определением амплитудно-частотных характеристик определялись собственные частоты крепления вибропреобразователей методом ударного теста. Вдоль главной оси закрепленных датчиков (рис. 1) задавался ударный импульс небольшой интенсивности. При этом регистрировался сигнал вибропреобразователя с использованием программно - аппаратного комплекса фирмы N1 (США). Частота дискретизации зарегистрированного сигнала составляла 25600 отсчетов в секунду. Для повышения частотного разрешения спектральной характеристики неинформативная часть временного сигнала удаля-

лась и заменялась копиями полезного сигнала (рис. 8). При частоте синтезированного временного сигнала 20 000-25 600 отсчетов в секунду разрешение спектра собственных колебаний по частоте составляло 1-1,28 Гц.

Полученные спектры собственных колебаний вибропреобразователей при различных способах крепления приведены на рис. 3 б-7 б. На основании представленных выше данных можно выделить собственные резонансные частоты при разных способах крепления вибропреобразователя к объектам измерения -шпинделям обрабатывающих центров (таблица).

Собственные частоты при разных способах крепления вибропреобразователей

Метод крепления Собственная частота, Гц Верхняя граница допустимого диапазона, Гц

Шпилька 10445 8000

Цианакриловый клей 10390 7500

Пчелиный воск 9025 5700

Магнит с коэрцитивной силой 100 Н 5430 2700

Ручной щуп 2130 600

Таким образом, при периодических вибрационных обследованиях, а также при стационарной установке вибропреобразователей с целью мониторинга и вибродиагностики дефектов шпинделей станков и обрабатывающих центров существенное влияние на показания вибродатчиков оказывает способ их крепления к шпинделю. При периодических вибрационных измерениях наиболее подходящими методами крепления датчиков вибрации являются использование магнита или воска. Это позволяет измерять без существенных искажений вибрационные процессы с верхней границей частотного диапазона 2700 Гц и 5700 Гц соответственно. Щуп используется для измерения колебаний шпинделя в местах, где невозможна установка магнита, воск - только для контроля низкочастотных колебаний (до 600 Гц).

При стационарных виброизмерениях и постоянной установке вибропреобразователя наиболее рациональными методами крепления являются: установка

датчика на шпильку, циакриновыи клеи или сочетание этих методов. Верхняя граница частотного диапазона измеряемых вибрационных процессов в этом случае будет 8000 Гц.

Для иллюстрации влияния способа крепления датчиков вибрации (акселерометров) на результаты измерении вибрации шпинделя фрезерного обрабатывающего центра DMC 635V (1) была собрана измерительная схема на основе виброизмерительного комплекса «National Instruments» (2) с датчиками АР85

(3) (0,5-8000 Гц, фирма «Глобал Тест») и CMCP 1100

(4) (0,5-10000 Гц, фирма STI) установленных на шпинделе с помощью магнитов с коэрцетивной силой 100 Н и 200 Н соответственно. Контрольным виброизмерительным прибором являлся лазерныи виброметр «Polytec ofv-5000» (5), с точкои фокусировки лазерного луча (6), лежащей на шпинделе между датчиками АР85 и CMCP 1100 (см. рис. 9, 10).

Рис. 9. Шпиндель обрабатывающего центра йМО 635 V

Одноточечный лазерный виброметр «Ро^ес о^-5000» измеряет вибрацию объекта (виброскорость) в направлении лазерного луча. Состоит он из контролера и чувствительной лазерной головы. Его характеристики:

- величина измерения: виброскорость (мм/с);

- максимальный диапазон измерений 10 (м/с);

- максимальная чувствительность 1000 (мм/с/В);

- максимальное расстояние до объекта измерений 100 метров;

- величина погрешности составляет 1% на угол отклонения 7 градусов от перпендикулярности.

Ввиду бесконтактного способа измерения вибрации и высоких метрологических характеристик лазерного интерферометра, его можно принять за эталонный. Спектры виброскорости колебаний шпинделя при

обработке фрезой R590; d = 63; z = 5 заготовки из алюминия с частотой вращения шпинделя 10000 об./мин, полученные различными датчиками, приведены на рис. 11. За эталонный примем спектр лазерного виброметра. Среднеквадратическое значение (СКЗ) виброскорости у датчиков АР85 и СМСР 1100 больше аналогичного СКЗ лазерного виброметра на 37,5% и 10,2% соответственно, что объясняется выявленными выше погрешностями крепления датчиков магнитом.

Погрешность датчика СМСР 1100 ниже из-за того, что коэрцитивная сила его магнита в 2 раза выше: 200 Н, против 100 Н у датчика АР85. Соответственно и резонанс крепления у датчика СМСР 1100 на более высоких частотах.

Рис. 10. Шпиндель (1) с установленными датчиками АР85 (3) и СМСР 1100 (4), программно- измерительным комплексом N1 (2). Контроль качества измерения вибрации производится лазерным виброметром (5) с точкой

фокусировки лазерного луча (6) на шпинделе

Рис. 11. Спектры виброскорости шпинделя, полученные лазерным интерферометром, вибропреобразователями АР85 и СМСР 1100

На спектрах видны более высокие пики спектральных подшипниковых составляющих, чем у лазерного виброметра: в диапазонах частот 3500-4500 Гц (датчик АР85) и 4500-5500 Гц (датчик СМСР 1100). Эти погрешности крепления датчиков могут привести к неправильной оценке вклада отдельных частот дефектов в общий уровень СКЗ, а значит, и к недостоверной диагностике развивающихся дефектов. Следовательно, при исследовании параметров вибрации необходимо учитывать не только частотный диапазон самих датчиков, но и частотный диапазон конструкции закрепления датчиков.

Представленная в рамках данной статьи рабо-

та проводится при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) по комплексному проекту 2012-218-03-120 «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета» согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.

Статья поступила 26.11.2014 г.

Библиографический список

1. Сафарбаков А.М., Лукьянов А.В., Пахомов С.В. Основы технической диагностики деталей и оборудования: учеб. пособие. Ч. 1. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2007. 128 с.

2. Лукьянов А.В., Портной А.Ю., Гарифулин В.Ю., Романовский А.И. Разработка комплекса входного виброконтроля вспомогательных машин электровозов при текущем ремонте

// Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. № 2. С. 45-50.

3. Лукьянов А.В. Методы и средства управления по состоянию технических систем переменной структуры: автореф. дис. ... доктора техн. наук. Иркутск, 2001, 36 с.

4. Лукьянов А.В., Романовский А.И. Виброактивность вспо-

могательных машин электровозов ВЛ-80, ВЛ-85 и рекомендации по ее снижению // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2006. № 4. С. 51-63.

5. Лукьянов Д.А., Алейников Д.П., Лукьянов А.В. Вычисление параметров и визуализация пространственных колебаний шпинделя обрабатывающего центра по результатам виброизмерений // Вестник ИрГТУ. 2013. № 12 (83) . С. 92-99.

6. Лукьянов А.В., Алейников Д.П. Исследование простран-

ственной вибрации обрабатывающего центра в режиме фрезерования // Системы. Методы. Технологии. 2014. № 1 (21). С. 96-101.

7. Неразрушающий контроль: справочник. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 7. Кн. 2. Балицкий Ф.Я., Барков А.В., Баркова Н.А. и др. Вибродиагностика. М.: Машиностроение, 2006. 829 с.

УДК 621.91

СНИЖЕНИЕ КОРОБЛЕНИЯ МАЛОЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

© С.И. Ботвенко1, П.С. Смольков2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты исследования остаточных деформаций в тонкостенных деталях П-образного профиля, изготовленных из термически обработанных заготовок с различным поперечным сечением. Изучено влияние величины удаляемых припусков на геометрическую точность маложестких деталей при их механической обработке с двух сторон.

Ключевые слова: заготовка; маложесткая деталь; остаточные деформации; остаточные напряжения.

DECREASING BUCKLING OF THIN-WALLED PARTS FROM ALUMINUM ALLOYS THROUGH TECHNOLOGICAL METHODS

S.I. Botvenko, P.S. Smolkov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The paper provides the results of studying residual deformations in thin-walled parts of a U-shaped profile, which were made of heat-treated workpieces of various cross sections. It studies the influence of the amount of removed allowances on the geometrical accuracy of low rigid parts under their two-side machining. Keywords: workpiece; low rigid part; residual deformations; residual stresses.

Большинство деталей силового набора летательных аппаратов (рамы, нервюры, панели, стрингеры и т.д.) относятся к разряду крупногабаритных маложестких либо просто маложестких деталей. Как правило, заготовками для них служат горячекатаные плиты или массивные поковки из алюминиевых сплавов, прошедшие полный цикл упрочняющей термообработки, включая закалку и последующее старение. Применение полуфабрикатов или поковок с близкими размерами поперечных сечений и размерами в плане к размерам готовой детали в производственных условиях встречается не часто [3]. Как следствие - большой объем механической обработки при изготовлении рассматриваемых деталей и возникновение погрешностей форм локального и общего характера деталей, размерной неточности и т.д., вызванные удалением значительных припусков. Причины появления указанных погрешностей и возможные пути их снижения изложены в работе [1 ].

На основе экспериментальных исследований авторы установили рациональное распределение удаляемых припусков при обработке маложестких дета-

лей из алюминиевых сплавов с минимальными остаточными деформациями с двух сторон.

Для изготовления маложестких деталей были выбраны три вида заготовок из сплава В95 длиной 140 мм, отличающиеся размерами и формой поперечного сечения (рис. 1). Две группы образцов изготовили из заготовок призматической формы толщиной 40 и 25 мм, третью группу - из полуфабрикатов П-образной формы (таблица).

Рис. 1. Тонкостенная П-образная деталь в принятой системе координат

1Ботвенко Сергей Иванович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник НИЧ, тел.: 89025610151, e-mail: bsll110@yandex.ru

Botvenko Sergey, Candidate of technical sciences, Senior Researcher of the Research Department, tel.: 89025610151, e-mail: bsll110@yandex.ru

2Смольков Павел Сергеевич, аспирант, научный сотрудник НИЧ, тел.: 89834180261, e-mail: sps@istu.edu Smolkov Pavel, Postgraduate, Research Fellow of the Research Department, tel.: 89834180261, e-mail: sps@istu.edu