Мониторинг динамических ограничений технологического оборудования

УДК 621.322

МОНИТОРИНГ ДИНАМИЧЕСКИХ ОГРАНИЧЕНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

В.В. Жмурин, В.С. Сальников, О. А. Ерзин, А.В. Анцев

Приводятся результаты экспериментальных исследований, подтверждающие теоретические положения о влиянии динамических процессов, связанных с дисбалансом, на ограничения режимов резания и оценки возможности идентификации вибраций по току, потребляемому приводом главного движения. Проведенный контроль качества получаемой поверхности установил, что в интервалах скоростей, соответствующих скачкообразному росту силы тока, происходит её резкое снижение.

Ключевые слова: шпиндельный узел, вибрации, дисбаланс, ось инерции, динамические характеристики, система диагностики ЧПУ, нагрузка на двигатель.

Современная концепция совершенствования многоцелевых станков (МЦС) связана с расширением их технологических возможностей и повышением производительности, которое достигается путем применения технологии многокоординатной, высокоскоростной и высокопроизводительной обработки [1-4].

Увеличение сложности оборудования, как правило, влечет за собой снижение его жесткости, а в совокупности с тенденцией постоянного роста частот вращения шпинделей до 40 тыс. об/мин и более выдвигает на передний план и делает актуальной задачу обеспечения виброустойчивости реализуемых на них процессов. Вибрации шпиндельных узлов приводят к снижению точности, увеличению износа инструмента и шероховатости обработанной поверхности. Многие станкостроительные фирмы рассматривают эту задачу как приоритетную при проектировании МЦС. Одним из доминирующих факторов возникновения вибраций при таких скоростях является дисбаланс вращающихся элементов динамической системы станков [5-9].

Шпиндельный узел МЦС представляет сложную конструкцию, состоящую из шпинделя, зубчатых колес, втулок, подшипников и т.д. При этом каждый элемент изготовляется с определенной погрешностью. При их сборке в единую систему добавляется погрешность самой сборки, что приводит к отклонению центра массы от геометрической оси. Вследствие этого в процессе вращения элементов ось инерции отклоняется от геометрической оси. Это приводит к возникновению дисбаланса шпиндельного узла и, как следствие, возникновению вибраций. Величина дисбаланса изменяется в процессе эксплуатации. Например, для станков фрезерно-расточной группы это вызвано действием следующих факторов: многовариантностью применяемых инструментальных систем, их точностью, изменением предварительного натяга в подшипниках опор в результате их износа, особенностями процесса фрезерования. Периодичность работы

81

зубьев фрезы приводит к скачкообразному изменению силы резания и, как следствие, усугубляет действие дисбаланса. Поэтому отличительной особенностью обработки на современных многоцелевых станках является тесная взаимосвязь процесса резания с динамическими характеристиками оборудования, качеством и производительностью обработки [5-6].

Динамические характеристики станков изменяются в процессе эксплуатации, в частности, в связи с применением различной инструментальной оснастки, износом элементов и дефектами в них. Это ставит актуальной задачу оперативной диагностики технического состояния станка.

В современных системах ЧПУ имеется встроенная система диагностики станка. Система диагностики отображает и регистрирует, например, следующие параметры: число оборотов шпинделя в об/мин, изменения нагрузки в процентах, скорости приводов подач, изменения крутящего момента, скорости, тока и температуры нагрева сервомоторов и опор шпиндельного узла. Причем изменения отображаются в виде колебательного процесса. Для мониторинга процесса резания целесообразно использовать встроенную функцию контроля. Она в режиме реального времени отображает нагрузку на приводах подач и шпинделе станка, фактическое число оборотов и минутную подачу. Контроль осуществляется следующим образом. Изменение нагрузки на асинхронный двигатель приводит к изменению силы тока статора. В процессе обработки увеличение силы резания приводит к увеличению нагрузки на двигатель, следовательно, возрастает сила тока статора. При изменении силы резания происходит изменение силы тока. Встроенный датчик снимает показания силы тока и передаёт их в систему ЧПУ станка. Система ЧПУ на основе специального математического пакета производит перевод замеров в процентное соотношение, которое выводится на экран в режиме реального времени [5, 10].

Для проверки выдвинутых теоретических положений о влиянии динамических процессов, связанных с дисбалансом, на ограничения режимов фрезерования и оценки возможности идентификации вибраций по току, потребляемому приводом главного движения, был проведен ряд экспериментальных исследований.

Проведение экспериментальных исследований требует выбора МЦС, обрабатываемого материала, режущего инструмента и типовой поверхности. Для составления массива исходных данных был выполнен анализ предприятий машиностроительного профиля.

Станочный парк предприятий машиностроительного профиля имеет типовой набор оборудования, состоящий из универсальных станков фрезерной, токарной, сверлильной группы, а также из МЦС. Универсальное оборудование составляет 30...40 % от общего количества станков. МЦС токарной группы 15.25 % от общего количества станков с ЧПУ, остальное - фрезерные МЦС различных типов.

В условиях единичного и мелкосерийного производства станочный парк МЦС фрезерной группы условно можно разделить на станки для обработки мало- и среднегабаритных заготовок, составляющие до 65 % от общего числа оборудования и, соответственно, станки для обработки крупногабаритных заготовок - не более 35 %. Как правило, на мало- и среднегабаритных станках производится получистовое и чистовое фрезерование обнижений, пазов, плоскостей, карманов, фасонных поверхностей. На чистовых операциях они применяется для получения фасонных поверхностей с точностью линейных размеров по 8 - 10-му квалитету и качеством поверхности от 6,3 до 3,2 мкм.

Экспериментальные исследования были проведены на производственной базе ОАО «Щегловский вал». Оно является типичным представителем передовых предприятий машиностроительного профиля. Широкая номенклатура выпускаемых деталей характерна для современного производства. Например, номенклатура деталей, выпускаемых механическим цехом ОАО «Щегловский вал», составляет 3000 наименований. Анализ обрабатываемых материалов показал, что из алюминия и сплавов на его основе изготавливается 67 % деталей, из различных сталей - 28 %, из титана - 5 %. Рассмотрев номенклатуру обрабатываемых поверхностей и используемого для этого режущего инструмента, было установлено, что для ОАО «Щегловский вал» наиболее актуально фрезерование плоскостей и обнижений концевыми фрезами диаметром 25 мм. Таким образом, на основании проведенного анализа определены исходные данные для проведения экспериментальных исследований: тип МЦС - УМС 600; операция -фрезерование; обрабатываемый материал - алюминий марки АМг; инструмент - концевая фреза диаметром 25 мм, количество зубьев 3, закреплена в цанговом патроне; размер обрабатываемой поверхности 290х40 мм; шероховатость поверхности - 3,2 мкм; точность обработки - 12-й квали-тет.

На основании целей экспериментальных исследований контролировались параметры: изменение силы тока в двигателе, шероховатость получаемой поверхности, а также время обработки.

Для контроля указанных параметров были использованы следующие средства измерения: для контроля изменение силы тока в двигателе использована встроенная функция самодиагностики системы ЧПУ. В качестве мерительного инструмента высоты микронеровностей использовали профилометр фирмы "ИОЬЕХ" №657110 с дискретностью по шкале Яа 0,05.16 мкм. Время обработки фиксировалось секундомером фирмы "ИОЬЕХ" №580191 с дискретностью 0,01 с.

В соответствии с известными рекомендациями по сбору и обработке экспериментальных данных каждый опыт повторялся 5 раз. Для исключения влияния переходных процессов при резании обработка проводилась в следующей последовательности: режущий инструмент подводился к

торцу заготовки, затем он врезался в заготовку на длину, равную 1,5 диаметра фрезы, производился технологический останов. При заданных режимах выполнялась экспериментальная обработка. Фреза не доходила до другого торца на расстояние, равное 1,5 диаметра. Далее инструмент отводился на высоту 150 мм от поверхности заготовки и возвращался в нулевую точку.

Во всех экспериментальных исследованиях скорость резания изменялась от 402 до 702 м/мин, а ширина фрезерования постоянна и равна диаметру инструмента. На основе рекомендаций, изложенных в работе [8], была назначена глубина резания 0,3 и 0,6 мм, для которой выбраны три значения подачи на зуб: 0,08, 0,17 и 0,3 мм/зуб.

На основании экспериментальных данных, приведенных в табл. 1, построены зависимости изменения нагрузки от скорости резания при различных значениях подачи.

Таблица 1

Результаты изменения нагрузки при постоянной глубине резания 0,3 мм

Скорость резания, м/мин Замер нагрузки, % Средняя нагрузка, % Время, с Подача на зуб, мм/зуб

№ замера

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5 6 7 8 9

702 9 9 9 9 9 9 12 0,08

682 9 8 9 8 9 8,6 13

662 8 8 8 8 8 8 15

642 8 7 8 8 7 7,6 16

622 7 6 8 8 8 7,4 18

610 8 8 7 8 8 6,8 19

602 6 7 7 6 6 6,4 22

590 6 6 8 6 6 6,4 23

577 6 6 6 6 6 6 24

552 6 5 6 6 6 5,8 24

525 6 6 5 5 6 5,6 25

502 5 5 5 6 6 5,4 27

490 5 6 5 5 6 5,4 28

477 5 6 5 5 6 5,4 29

458 5 6 5 5 6 5,4 30

402 5 5 5 5 5 5 32

Окончание табл. 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9

702 10 9 10 10 9 9,6 9

682 9 9 9 9 9 9 9

662 9 9 8 8 9 8,6 10

642 8 8 8 8 8 8 11

622 8 8 7 7 8 7,6 11

610 7 6 7 8 8 7,2 12

602 7 7 7 7 7 7 12

590 7 7 7 7 7 7 13 П 17

577 7 7 7 7 7 7 13 0,1 /

552 6 7 7 6 6 6,4 14

525 7 7 7 7 7 7 14

502 7 7 7 7 7 7 15

490 7 7 7 7 7 7 15

477 6 7 6 6 6 6,2 16

458 6 6 6 6 6 6 17

402 6 6 6 6 6 6 18

702 12 13 12 13 13 12,6 4,5

682 12 12 12 12 12 12 4,6

662 12 11 12 12 11 11,6 4,7

642 11 11 11 11 11 11 4,5

622 11 10 11 11 10 10,6 4,6

610 10 10 10 11 10 10,2 4,8

602 10 10 9 10 10 9.8 4.9

590 9 9 9 9 9 9 5,1

577 8 9 9 9 9 8.8 5,2 0,3

552 9 9 9 9 9 9 5,4

525 8 8 8 8 8 8 5,7

502 8 8 8 8 8 8 5,9

490 9 8 8 8 8 8.2 6,2

477 8 8 8 8 8 8 6,6

458 8 8 8 8 8 8 6,9

402 7 7 7 7 7 7 7,3

График, представленный на рис. 1, показывает, что с ужесточением режимов резания плавное увеличения нагрузки принимает скачкообразный характер перехода в область резонансных частот. Для подтверждения полученных данных были проведены эксперименты при выбранных значениях подачи на зуб, но при глубине резания 0,6 мм. Рассматриваемый интервал скоростей и параметры режущего инструмента не изменялись. Результаты экспериментов представлены в табл. 2.

Рис. 1. Зависимость изменения нагрузки от скорости резания при обработке фрезой диаметром 25 мм при глубине 0,3 мм

Таблица 2

Результаты изменения нагрузки при постоянной глубине резания 0,6 мм

Скорость резания, м/мин Замер нагрузки, % Средняя нагрузка, % Время, с Подача на зуб, мм/зуб

№ замера

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5 6 7 8 9

702 12 12 12 12 12 12 12 0,08

682 11 11 11 11 11 11 13

662 11 11 11 10 11 10,8 15

642 10 11 10 11 10 10,4 16

622 10 10 10 10 10 10 18

610 10 10 10 10 9 9,8 19

602 9 9 10 9 9 9,2 22

590 9 9 9 9 9 9 23

577 7 7 8 8 8 7.6 24

552 7 7 7 7 7 7.2 24

525 6 7 7 7 7 7 25

502 7 7 7 7 7 6.8 27

Окончание табл. 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9

490 7 7 7 7 7 7 28

477 7 7 7 7 7 7 29 п пя

458 7 7 7 7 7 7 30 0,08

402 7 7 7 7 7 7 32

702 16 16 16 16 16 16 9

682 15 15 15 15 15 15 9

662 14 15 14 15 15 14,6 10

642 14 14 14 14 14 14 11

622 14 14 14 14 14 14 11

610 14 14 14 13 14 13,8 12

602 14 14 13 14 13 13,6 12

590 13 13 13 13 13 13 13 А И

577 11 11 11 11 11 11 13 0,1 7

552 11 10 11 11 11 10.2 14

525 10 10 10 10 10 10 14

502 10 9 10 10 10 9.8 15

490 9 10 10 10 10 9.8 15

477 10 9 10 10 10 9.8 16

458 9 9 9 9 9 10 17

402 9 9 9 9 9 10 18

702 21 21 21 21 21 21 4,5

682 20 21 21 20 21 20,6 4,6

662 20 20 20 20 20 20 4,7

642 20 19 20 20 20 19,8 4,5

622 19 19 19 19 20 19,2 4,6

610 19 19 19 19 19 19 4,8

602 18 19 18 19 19 18,6 4,9

590 18 18 18 18 18 18 5,1

577 15 15 16 15 15 15.2 5,2 0,3

552 13 15 15 15 15 14.6 5,4

525 15 14 14 14 14 14.2 5,7

502 14 14 14 14 14 14 5,9

490 13 14 14 14 14 13.8 6,2

477 13 13 13 13 13 13 6,6

458 13 13 13 13 13 13 6,9

402 12 12 12 12 12 12 7,3

На основании экспериментальных данных, приведенных в табл. 2, построены зависимости изменения нагрузки от скорости резания при различных значениях подачи (рис. 2).

На графике, представленном на рис. 2, видно, что переход в область резонансных частот происходит не скачкообразно, а плавным увеличением амплитуды. В интервале скоростей резания от 577 до 602 м/мин при подаче 0,08 и 0,17 мм/зуб нагрузка на шпиндель увеличивается равномерно. При подаче 0,3 мм/зуб в диапазоне скоростей 590.610 м/мин наблюдается начало скачкообразного перехода. При ужесточении режимов резания на рис. 2 наблюдается скачкообразный переход в область резонансных частот на интервале скоростей 577.590 м/мин. Наиболее четко это прослеживается при подаче 0,3 мм/зуб.

22

20

18

А 16

14

10

П Ü i 1 ^ -

\ /

\ /

£

=0.0

/ H'L- 8

400

450

650

700

500 550 600

Скорость резанвд м/мнн

Рис. 2. Зависимость изменения нагрузки от скорости резания при обработке фрезой диаметром 25 мм при глубине 0,6 мм

В работах [8-9] было отмечено, что проявление вибраций отражается на качестве обработанной поверхности, поэтому был проведен замер её шероховатости после каждого опыта. Высота микронеровностей замерялась профилометром.

Контроль качества поверхности показал следующие результаты: в интервале скоростей резания 402.552 м/мин, которые соответствуют стабильному протеканию процесса обработки, шероховатость поверхности составляет 0,2 мкм. Замер шероховатости поверхностей на режимах 577 . 590 м/мин, соответствующих возникновению вибраций, подтвердил,

что она резко возрастает до значения 1,7 мкм. При увеличении скорости резания на интервале от 602 до 622 м/мин шероховатость поверхности составляла 0,5... 0,3 мкм, а при 662... 702 м/мин - 0,2 мкм.

В результате контроля качества получаемой поверхности установлено, что в интервалах скоростей, соответствующих скачкообразному росту силы тока, происходит её резкое снижение. В диапазоне скоростей резания, характеризуемых равномерным увеличением силы тока, качество поверхности стабильное.

На основании рассмотренного материала установлено, что широкое внедрение многоцелевых станков требует решения ряда технических задач, важнейшей из которых является виброустойчивость. Сложность конструкции шпиндельных узлов, многовариантность инструментальных систем, и даже сам процесс резания влияют на динамические характеристики оборудования, которые необходимо контролировать непосредственно при обработке детали. Это осуществляется с помощью комплекса диагностики станка встроенного в его систему ЧПУ. Выполненные экспериментальные исследования позволили идентифицировать возникшие вибраций по току, потребляемому приводом главного движения.

Список литературы

1. Гонялин С. Состояние мирового станкостроения // Техномир. 2008. №2. С. 18 - 24.

2. Черпаков Б.И. Развитие мирового станкостроения в начале XXI века // ИТО. 2011. №1. С 12 - 17.

3. Черпаков Б.И. Развитие мирового станкостроения в начале XXI века // ИТО. 2011. №2. С. 4 - 9.

4. Черпаков Б.И. Тенденции развития мирового станкостроения // СТИН. 2001. №4. С. 3 - 8.

5. Жмурин В.В. Повышение эффективности многоцелевых станков на основе идентификации динамических ограничений режимов фрезерования: дис. ... канд. техн. наук. Тула, 2013. 116 с.

6. Жмурин, В.В. Влияние качества балансировки на процесс резания // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. Орел: Изд-во ОрелГТУ, 2012. №3 - 2. С. 36 - 42.

7. ГОСТ ИСО 1940-1-2007. Вибрация. Требования к качеству балансировки жестких роторов. Ч. 1. Определение допустимого дисбаланса. Введ. 2008-07-01. М.: Изд-во стандартов, 2007. 27 с.

8. Справочник по резанию материалов GARANT: учеб. пособие. Германия: Институт им. Фраунгофера, 2010. 842 с.

9. Потапов В. А. Проблемы вибраций при высокоскоростном фрезеровании алюминия в авиакосмической промышленности и способы их решения // MODERN MACHINE SHOP. 2001. №1. С. 10-20.

89

10. Руководство по эксплуатации систем FANUC 16i-TB, FANUC 18i-TB, FANUC 160i-TB, FANUC 180i-TB // Fanuc, 2011. 915 с.

Жмурин Владимир Викторович, канд. техн. наук, инженер-технолог 1 к. Vla-dimir_zhmurin@mail.ru, Россия, Тула, ОАО ««Щегловский вал»,

Сальников Владимир Сергеевич, д-р техн. наук, проф., Vladi-mir_zhmurin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ерзин Олег Александрович, канд. техн. наук, доц., erzin79@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

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

MONITORING OF DYNAMIC RESTRICTIONS OF PROCESS EQUIPMENT V.V. Zhmurin, V.S. Salnikov. O.A. Erzin, A.V. Antsev

The results of experimental researches confirming theoretical rules about influence of dynamic processes, connected with disbalans, on restrictions of modes of cutting and estimation of an opportunity of vibrations identification based on a current, consumed by a main motion drive, are represented. The quality control of a resulting surface has established, that in intervals of speeds corresponding to stepwise growth of current strength, quality of the resulting surface decreased drastically.

Key words: spindle unit, vibration, disbalans, axis of inertia, dynamic characteristics, CNC health monitoring system, motor load.

Zhmurin Vladimir Viktorovich candidate of technical science, engineer - technologist Vladimir zhmurinamail.ru, Russia, Tula, PC "Sheglovskiy Val",

Salnikov Vladimir Sergeevich doctor of technical sciences, professor, Vladimir zhmiirin a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Erzin Oleg Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, erzin 79@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

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