Использование метода траекторий для измерения износа резца

обработка материалов резанием

УДК 621.941

использование метода траекторий для измерения износа резца

в. в. Юркевич

Износ режущего инструмента при токарной обработке значительно отличается от износа деталей машин. Зона резания характеризуется высокой химической чистотой трущихся поверхностей, высокими температурой и давлением в зоне контакта. В процессе резания материал заготовки постоянно контактирует с передней и задней поверхностями резца. В результате в зоне резания создаются идеальные условия для разрушения поверхностей режущего лезвия за счет самых различных по физической природе процессов взаимодействия материала заготовки с материалом твердосплавной пластинки.

В настоящее время существует много методов диагностирования износа режущего инструмента [1—3], но все они обладают определенными недостатками, следовательно, необходимо искать новые методы диагностирования износа режущего инструмента. К таким методам можно отнести измерение траекторий формообразования. Этот метод используется для измерения силы резания, для контроля точности изготовления деталей и других целей [4]. Предлагается использовать измерение траекторий формообразования для диагностирования износа режущего инструмента.

Экспериментальные исследования проводились в условиях реального резания и времени. В качестве заготовки использовалась предварительно обработанная втулка из стали 35, которая крепилась на прецизионной оправке. Обработка производилась резцом с твердосплавной пластинкой Т15К6 с углами заточки: главный угол в плане ф = 45°; вспомогательный угол в плане ф1 = 45°; главный передний угол у = 6°; главный задний угол а = 6°. Точение проводилось в режиме чистовой и грубой обработки, при этом частота вращения шпинделя изменялась в пределах п = 60 - 975 об/мин; глубина резания £ = 0,1 -- 1,0 мм; подача й = 0,10 г 0,15 мм/об.

Экспериментальная установка описана в работе [5]. Для обработки экспериментальных данных была разработана специальная программа УегвеЫе1вв. Она производит обработку полученных экспериментальных данных и осуществляет построение траекторий оси заготовки

и вершины резца в ортогональной системе координат. Для траектории оси заготовки производится построение базовой окружности.

Для определения базовой окружности стандарт DIN ISO1101 рекомендует четыре варианта, получившие обозначения MZC, LSC, MIC, MCC. В настоящее время в машиностроительной практике наибольшее распространение получил вариант LSC, согласно которому радиус базовой окружности определен как окружность, имеющая минимальную величину суммы квадратов расстояний от базовой окружности до профиля геометрического образа. Определение центра базовой окружности в осях построения производится по формуле

1 n 1 n

a = X; b = -ZY,

где а, Ь — смещение центра базовой окружности относительно центра построения геометрического образа по оси X и Y соответственно; X, Yi — текущие координаты точек, лежащих на геометрическом образе; п — число точек построения геометрического образа, в проводимом эксперименте п = 400.

Радиус базовой окружности определяется по формуле

1 п

Щ = п ^ Щ п1=1

где Щ — текущий радиус геометрического образа обработанной поверхности.

Для траектории вершины резца максимальная амплитуда перемещения определяется по формуле

L =

V(X - X+1)2 + Y - Y+1)2.

Отрезок Ь делится пополам, и находятся координаты его средней точки Хь, Yь по формулам: Хь = (X + X + 1)/2; Yь = ^ + Yi + 1)/2.

В процессе испытаний производилась обработка заготовки режущим инструментом, имеющим различную величину износа. На рис. 1 приведены фотографии задней поверхности твердой пластинки с различной величиной

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

МЕТ^^БРД^К)!

Рис. 1. Задняя поверхность твердой пластинки при различных величинах износа: а — к = 0 мкм; б — к = 0,32 мм; в — к = 0,56 мм; г — к = 0,82 мм

износа к. Измерения проводились в отраженном свете на универсальном измерительном микроскопе УИМ-21 с увеличением 50 раз. Расстояние между соседними центральными штриховыми линиями соответствует расстоянию 0,18 мм на объекте.

В ходе испытаний обработка заготовки производилась в условиях одинаковых технологических режимов: частота вращения шпинделя к = 350 об/мин, й = 0,10 мм/об; глубина резания £ = 1,10 мм. Резец устанавливался на исходную позицию и в течение первых 10 с перемещался, не касаясь поверхности заготовки, после чего начиналось резание. Это необходимо для обеспечения возможности построить траектории при отсутствии силы резания. Перемещаясь дальше, резец начинает резать заготовку, и после некоторого переходного режима наступает установившийся режим резания.

Программа УегвсЫе1вв производит обработку полученных экспериментальных данных и строит на экране монитора две траектории при работе на холостом ходу с центром О и при обработке заготовки — с центром Q. Вектор 0(2 соответствует смещению оси заготовки под действием силы резания (рис. 2).

На рис. 3 представлены траектории резца и их смещение аналогично тому, как это сделано для траекторий оси заготовки. Рассмотрев данные построения, можно сделать выводы о том, что выявлена связь между величиной износа режущей кромки резца и траекториями формообразования. При прочих равных условиях величина смещения траектории оси заготовки при переходе от холостого хода к резанию зависит от величины износа

Рис. 2. Смещение центра базовой окружности OQ при различных величинах износа твердосплавной пластинки: а — к = 0 мкм; б — к = 0,32 мм; в — к = 0,56 мм; г — к = 0,82 мм

а)

б)

Хт, Ут

Рис. 3. Смещение резца при различных величинах износа твердосплавной пластинки: а — к = 0 мкм; б — к = 0,32 мм; в — к = 0,56 мм; г — к = 0,82 мм

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

режущей кромки. Так как траектории всегда представляют собой сложные кривые, которые проблематично сравнивать между собой, то в качестве интегрального показателя траектории выбрана базовая окружность, которая характеризуется радиусом и положением центра в пространстве.

Обработка траекторий формообразования позволяет построить график зависимости смещения оси заготовки и резца от величины износа резца. Полученные кривые показывают, что при увеличении износа режущей кромки и ось заготовки, и сам резец проявляют явно выраженную тенденцию к большему смещению. Это является результатом того, что износ режущей кромки способствует увеличению силы резания, происходит изменение направления силы резания, которое оценивается углом а между вектором силы резания и осью У (см. рис. 2). Смещение оси заготовки происходит по кривой, которая сравнительно мало отличается от прямой зависимости, что говорит о низкой податливости системы «шпиндель — оправка — деталь». Смещение резца имеет крутую кривую зависимость от величины износа резца, что хорошо видно при сравнении величин смещения на рис. 3. Следовательно, по сравнению с другими показателями в качестве диагностического признака лучше выбрать смещение резца. В качестве других показателей рассматривались радиус базовой окружности оси заготовки и угол а. Радиус базовой окружности траектории оси заготовки варьирует при изменении величины износа режущей кромки от 374 до 398 мкм.

Когда износ режущей кромки растет, наблюдается значительное увеличение среднеквадратичной погрешности колебаний.

Величина угла а также зависит от величины износа режущей кромки. Угол а не может рассматриваться как диагностический признак по той причине, что при износе режущей кромки более 0,55 мм кривая зависимости изменения угла а от величины износа приобретает пологий характер, а значит, снижается точность диагностирования величины износа режущей кромки.

Таким образом, метод измерения траекторий формообразования может быть использован для мониторинга износа режущего инструмента в процессе выполнения технологического процесса без остановки резания.

Литература

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

2. Козочкин М. П. Виброакустическая диагностика технологических процессов. М.: ИКФ «Каталог», 2005. 196 с.

3. Козочкин М. П., Сабиров Ф. С. Виброакустическая диагностика шпиндельных узлов // СТИН. 2009. № 5. С. 8-12.

4. Юркевич В. В. Испытания, контроль и диагностика технологических систем. М.: МГТУ «Стан-кин», 2005. 360 с.

5. Юркевич В. В. Определение точности изготовления деталей // Металлообработка. 2011. № 2. С. 2-5.