Прогнозирование периода стойкости режущего инструмента на основе контроля вибрации в процессе фрезерования

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

УДК 621.91

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПЕРИОДА СТОЙКОСТИ РЕЖУЩЕГО

ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ ВИБРАЦИИ В ПРОЦЕССЕ ФРЕЗЕРОВАНИЯ

А.В. Анцев, Данг Х.Ч.

В современном машиностроении традиционно при решении задачи оценки периода стойкости режущего инструмента используют стойкостные зависимости, описывающие лишь зависимость среднего периода стойкости режущего инструмента от режимов резания. Однако стойкостные зависимости носят теоретический (идеальный) характер, и не учитывают случайную природу процесса резания. Для решения задачи повышения точности прогнозирования периода стойкости режущего инструмента, авторы предлагают конструкцию устройства измерения вибрации, которая появляется в процессе фрезерования, путем измерения вибрации оправки инструмента.

Ключевые слова: период стойкости, износ, вибрация, устройство измерения вибрации, фрезерование.

Точность прогнозирования периода стойкости применяемого режущего инструмента влияет на эффективность современного машиностроения. Непредвиденный выход инструмента из строя приводит к большим издержкам производства из-за увеличения затрат на профилактику и обслуживание режущего инструмента и увеличения затрат на исправимый и неисправимый брак из-за высокой стоимости заготовок на финишных операциях. Для снижения вероятности непредвиденного выхода инструмента из строя технологи машиностроительных предприятий занижают режимы резания до 40 % от рекомендуемых и принудительно меняют режущий инструмент, имеющий значительный запас стойкости, что негативно влияет на производительность и стоимость производства изделий машиностроения. Несмотря на экономическую важность операции резания металлов, процесс обработки резанием остается одним из наименее изученных в связи с постоянным появлением новых инструментальных и конструкцион-

ных материалов, что подтверждается крайне низкой точностью прогнозирования периода стойкости режущего инструмента и его остаточной стойкости [1]. Это связано с тем, что физика процесса изнашивания довольно сложна и период стойкости как наработка инструмента до отказа является случайной величиной, зависящей от множества факторов: параметров режима резания, свойств обрабатываемого материала, припуска на обработку, геометрии и материала режущей части инструмента и других факторов [2, 3].

При этом, несмотря на широкие возможности современных станков с числовым программным управлением (ЧПУ), прямая оценка линейных размеров износа режущего инструмента затруднена, поэтому используют другие характеристики процесса резания, которые могут быть использованы для косвенного контроля износа и разрушения режущего инструмента [4]. Одной из таких характеристик является вибрация системы «станок -приспособление - инструмент - заготовка» (СПИЗ) [5].

Источником вибрации из зоны резания являются процессы трения и деформирования. Вибрация представляет собой упругую энергию, мгновенно высвобождающуюся в материале при разрушении. Эти процессы генерируют упругие волны, распространяющиеся по инструменту, обрабатываемой детали и деталям станка. Изменение в характере протекания процессов резания вызывают изменение параметров сигналов вибрации. Причиной этого может быть нарушение образования и схода стружки, а также увеличение контактных площадок на рабочих поверхностях инструмента в связи с его изнашиванием. Высокочастотные колебания вибрации позволяют регистрировать в инструментальном материале процесс трещи-нообразования, который является предвестником разрушения режущей части инструмента [6].

Процесс износа режущего инструмента имеет три стадии, влияющие на уровень вибрации (рис. 1).

Рис. 1. Процесс износа режущего инструмента

4

Стадия (I) показывает процесс приработки нового инструмента. В этот момент происходит интенсивный износ лезвия режущего инструмента до определенного уровня. Достигнув данный уровень износа в момент времени, износ режущего инструмента переходит в стадию (II) - стадию установившегося процесса износа. В конце срока своей службы в момент времени износ режущего инструмента переходит в стадию (III) - стадию катастрофического износа.

Вибрация режущего инструмента меняется при прохождении данных стадий следующим образом (рис. 2).

Рис. 2. Изменение уровня вибрации по мере износа режущего инструмента

Во время приработки режущего инструмента первоначальный уровень вибрации снижается до минимального значения в точке ^. По мере

стабильного износа уровень вибрации увеличивается с небольшой скоростью. При переходе в стадию катастрофического износа уровень вибрации начинает резко возрастать (ветвь а, рис. 2). Так же возможен вариант с разрушением режущей кромки что приведет к резкому снижению уровня вибрации (ветвь б, рис. 2).

Для определения входного параметра амплитуды автоколебаний, необходимо создание специального устройство. Одним из методов контроля вибрации при фрезеровании является оптический метод, основанный на явлении интерференции. Данный метод подразумевает использование голографического дифференциального интерферометра, учитывающего разность двух параллельных векторов скорости в отдельных точках вращающегося объекта [7, 8]. Достоинством данной методики является: бесконтактность измерений; возможность регистрации общей картины поля перемещений и измерения величины и направления перемещения в выбранной точки поверхности объекта; высокая чувствительность к переме-

щениям, оцениваемая длиной волны света. Несмотря на простую конструкцию, данный метод имеет ряд недостатков. Во-первых, в связи с прямым гетеродинированием, отраженные лучи должны иметь достаточную интенсивность для создания полезного сигнала на выходе интерферометра. Это приводит к необходимости создания светоотражающего покрытия на исследуемой поверхности, которое не подходит для металлообработки. Во-вторых, прием угловых колебаний возможен только, если скорость вращения превышает определенное значение. В-третьих, данный метод не обеспечивает указание направления вибрации. В-четвертых, сложность и высокая стоимость оборудования, жесткие требования к состоянию атмосферы (влажность, отсутствие конденсата и запыленности и т.п.), к качеству и к температуре поверхности исследуемого объекта.

Другим распространенным методом для определения вибрации на фрезерных станках является использование акселерометров. К достоинствам акселерометров можно отнести их невысокую стоимости относительно простое устройство, которое обеспечивает надёжность и устойчивость к внешним воздействиям. Однако, при установке этого датчика необходимо учитывать, что акселерометр должен быть расположен максимально близко к зоне резания, например, в оправке инструмента, чтобы измерить сигналы вибрации так как при прохождении сигнала вибрации через стык упругой системы станка «станок - приспособление - инструмент - заготовка» (СПИЗ) происходит существенное ослабление сигнала [9]. Данное обстоятельство делает необходимым разработку специальных устройств (СУ) контроля вибрации в процессе фрезерования, к которым предъявляются следующие требования:

1) датчик устройства должен быть расположен максимально близко к зоне резания;

2) части устройства не должны препятствовать работе системы смены инструмента и системы охлаждения жидкости станка во время процесса обработки;

3) конструкция устройства должна обеспечивать быстрое операционное измерение;

4) устройство должно быть подходящим для многих типов популярных в машиностроении фрезерных станков.

Предложенное СУ состоит из двух основных частей: механической структура и системы обработки сигналов.

Механическая структура выполнит измерение амплитуды и частоты вибрации оправки с помощью акселерометров и системы обработки сигналов. Предлагается два варианта механической структуры контроля вибрации для удовлетворения указанных выше требований.

Вариант 1 (МСВ1) фиксируется на фрезерном шпинделе в соответствии со следующей схемой (рис. 3, 4).

6

Рис. 3. Трехмерная модель МСВ1 для измерения вибрации

шпиндельной группы: 1 - подшипник качения; 2 - держатель подшипника; 3 - резинка; 4 - линейный подшипник; 5 - стержень с резьбой; 6 - неподвижный стол

I га \ %  з. ч. а :•». '1 :•

Рис. 4. МСВ1 для измерения вибрации шпиндельной группы

на фрезерном станке: 1 - трехосевой акселерометр; 2 - усилитель сигнала; 3 - шпиндель фрезерного станка

Устройство работает следующим образом: вибрирующий шпиндель передает вибрацию на подшипник качения (1), подшипник качения передает вибрацию на держатель подшипника (2), к которому крепится трехо-

7

севой акселерометр. Трехосевой акселерометр получает горизонтальную вибрацию с помощью резинки (3). Вертикальная вибрация получается с помощью держателя подшипника и передается по вертикальной оси с помощью линейного подшипника (4).

Достоинством данной механической структуры является непрерывный контроль вибрации и отсутствие препятствий работе систем станка. Однако, данная структура имеет следующий недостаток: измерение вибрации на разных типах фрезерных станков невозможно, поскольку форма шпинделя каждого станка отличается.

Для преодоления указанного недостатка предлагается второй вариант устройства механической структуры в виде руки-робота с тремя степенями свободы (МСВ2) (рис. 5).

Рис. 5. МСВ2 для измерения вибрации оправки на фрезерном станке: 1 - захватный рычаг; 2 - механизм с тремя степенями свободы;

3 - усилитель сигнала; 4 - рука-робот с тремя степенями свободы;

5 - шпиндель фрезерного станка; 6 - оправка;

7 - режущий инструмент; 8 - трехосевой акселерометр

Структура механизма с тремя степенями свободы (2) позволяет держать захватные рычаги и одновременно двигаться по трем направлениям: ОX, ОY, ОZ системы координатам OXYZ. Кроме того, структура механизма с тремя степенями свободы помогает муфте соединять руки-робота с захватными рычагами не разрушаясь под воздействием вибрации оправки.

Прибор работает следующим образом: вибрирующая оправка, передает вибрацию на ролик (9) (рис. 6), ролик передает вибрацию на захватные рычаги (10), к которым крепится трехосевой акселерометр (8). С помощью трехосевого акселерометра происходит измерение сигнала вибрации по трем осям.

к-0

Рис. 6. Захватный рычаг: 8 - трехосевой акселерометр; 9 - ролик; 10 - рычаг

Рис. 7. Структура механизма с тремя степенями свободы: 11 - пружина; 12 - линейный подшипник

Система обработки сигналов состоит из следующих компонентов: трехосевой акселерометр, модуль усилителя сигнала, радио-модуль, аналого-цифровой преобразователь, персональный компьютер (рис. 8).

Рис. 8. Схема системы обработки сигналов

Трехосевой акселерометр получает сигналы вибрации оправки опосредованно с помощью захватных рычагов. Данные с датчиков усиливаются на месте с помощью модуля усилители сигнала. Полученная информация с помощью радиосвязи передается на аналого-цифровой преобразова-

9

тель, который оцифровывает сигналы вибрации оправки и передает ее на персональный компьютер с установленным программным обеспечением для анализа полученной информации.

Изучение зависимости вибрации в процессе резания и создание устройства контроля вибрации на данный момент является актуальной задачей, а ее решение позволит повысить эффективность металлообработки за счет:

1. снижения главного технологического времени, требуемого на выполнение операций на металлообрабатывающем оборудовании;

2. снижения количество брака, связанного с отказом режущего инструмента во время обработки;

3. уменьшение вспомогательного времени, необходимое на обслуживание и замену режущего инструмента;

4. уменьшение затрат на инструментальное обеспечение за счет его более рационального применения.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00849.

Список литературы

1. Астахов В.П. Принцип наименьшей энергии пластической деформации при разрушении как основа понимания и оптимизации обработки металлов резанием // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 1. С. 141-153.

2. Пасько Н.И., Анцев А.В., Анцева Н.В., Сальников С.В. Обобщенная стохастическая модель отказов режущего инструмента и ее применение. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 174 с.

3. Pasko N.I., Antsev A.V., Antseva N.V., Fyodorov V.P. The generalized mathematical model of the failure of the cutting tool // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 177 (2017) 012052.

4. Диагностика автоматизированного производства / С.Н. Григорьев, В.Д. Гурин, М.П. Козочкин и др.; под. ред. С.Н. Григорьева. М.: Машиностроение, 2011. 600 с.

5. Анцев А.В., Данг Х.Ч., Жаднов А.В. Автоматизированная система контроля износа режущего инструмента по уровню вибрации // Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: Сб. научных трудов междунар. заочной научно-техн. конф. «АПИР-22», 9-10 ноября 2017 года; под ред. В.В. Прейса, Д. А. Провоторова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. С. 182186.

6. Пат. 2417140 Рос. Федерация: МПК B23B 25/06, B23Q 17/09. Устройство контроля износа и прогнозирования остаточной стойкости режущего инструмента для системы ЧПУ станка [Текст] / Мартинов Г.М., Синопальников В. А., Григорьев А.С.; заявитель и патентообладатель ГОУ

ВПО Московский Государственный Технологический Университет "Станкин". № 2009141506; заявл. 11.11.2009; опубл. 27.04.2011, Бюл. № 12. 15 с.

7. N.A. Halliwell. Measurement of oscillatory and vibrational motion // European Patent Specification, 1983.

8. Andrew C. Lewin, Volkmar Roth, Georg Siegmund. Measurement of rotational vibrations using a novel interferometric technique // Measurement. 1995. Vol. 16. Issue 2. P. 81-90.

9. Лукьянов А.В., Алейников Д.П. Исследование пространственной вибрации обрабатывающего центра в режиме фрезерования // Системы. Методы. Технологии. 2014. №1. Братск: Братский государственный университет. С. 96-101.

Анцев Александр Витальевич, канд. техн. наук, доцент, a.antsev@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Данг Хыу Чонг, аспирант, danghuutrong@,gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет

TOOL LIFE PREDICTION BY VIBRATION MEASUREMENT DURING MILLING

A. V. Antsev, H. T. Dang

In modern manufacturing engineering, traditionally in the solution of the problem of estimating of cutting tool life is used the tool life equations, which describe only the dependence of the average period of tool life on the cutting regimes. However, the wear dependencies of a cutting tool have theoretical (ideal) form and do not consider the stochastic nature of tool wear. In order to solve the problem of increasing accuracy of tool life prediction of a cutting tool, the authors offered the design of a vibration measuring device to measure the vibration of tool holder that appears during milling.

Key words: tool life, tool wear, vibration, vibration measuring device, milling.

Antsev Alexander Vitalyievich, candidate of technical science, docent, a. antsev@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Dang Huu Trong, postgraduate, danghuutrong@,gmail. com, Russia, Tula, Tula State University