Фазохронометрическая система мониторинга износа режущего инструмента

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

УДК 621.941; 67.05

Фазохронометрическая система мониторинга износа режущего инструмента

А. Б. Сырицкий, Д. Д. Болдасов

В работе представлены результаты исследования корреляции износа режущего инструмента и результаты измерений фазохронометрической системы. Такой подход рассматривается в качестве возможной альтернативы существующим методам диагностики состояния инструмента, особенности которых кратко рассмотрены и описаны в работе. Приводятся краткое описание фазохронометрического метода, основные компоненты и принцип действия фазохронометрической системы. В статье описываются экспериментальное получение измерительной информации, ее математическая обработка и приведены данные, подтверждающие возможность изучения процесса резания фазохронометрическим методом, а также полученные экспериментальные результаты, коррелированные с износом токарного инструмента при обработке резанием в выбранных условиях обработки.

Ключевые слова: фазохронометрический метод, износ инструмента, токарная обработка.

Введение

При информатизации производства важной проблемой становится получение информации обо всех ключевых параметрах работы металлообрабатывающих машин. Отсутствие информации хотя бы об одном, но крайне важном параметре при обработке означает снижение эффекта от внедрения прогрессивных технологий в производственный процесс. К таким параметрам относится информация о фактическом состоянии наименее надежного элемента системы обработки — режущего инструмента. Речь идет об оценке износа инструмента непосредственно в процессе обработки в целях его своевременной замены. Значимость диагностирования инструмента обусловлена тем, что пропущенный отказ инструмента является во многих случаях основной причиной брака, а также причиной отказа инструмента, работающего на последующих операциях, а иногда и причиной отказа узлов станка. Особенно важно, что износ инструмента приводит к ухудшению как размерной точности, так и качества поверхности готового изделия. Своевременная оценка фактическо-

го состояния режущей кромки инструмента может предотвратить эти события.

Режущий инструмент — наиболее слабое звено в технологической системе металлообработки по скорости изнашивания, которая значительно выше скорости изнашивания деталей и узлов станка. Отказ инструмента (в отличие от других повреждений) обязательно вызовет отказ технологической системы в целом, а это ведет в лучшем случае к увеличению основного (машинного) и вспомогательного времени обработки одной детали, а в худшем — к увеличению доли брака. Этим обусловлены актуальность разработки методов и средств мониторинга состояния инструмента и значительный интерес к данной теме большого числа исследователей во всем мире.

Основная часть

Несмотря на долгие и многочисленные разработки в области мониторинга состояния режущего инструмента, проблема создания и массового внедрения в производственный процесс подобных инструментов мониторин-

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

га остается актуальной. Большое количество научных и производственных коллективов во всем мире занимаются этой проблемой, предложено много методов косвенной оценки параметров износа режущего инструмента. Такие методы в дальнейшем мы будем называть традиционными. Однако каждый предложенный подход имеет свои сложности при внедрении на производстве и не может считаться однозначным решением вышеописанной проблемы.

Например, мировой лидер в области станкостроения DMG — Mori Seiki для мониторинга состояния режущего инструмента использует метод, основанный на измерении мощности, потребляемой приводом станка. Похожие системы разрабатываются и в Российской Федерации. В основу метода [3] положен тот факт, что любое изменение режима обработки, характеризующееся резкими или случайными изменениями технического состояния режущего инструмента, должно вызывать изменения момента нагрузки на вал двигателя, а соответственно и реакций двигателя, в частности электромагнитного момента, силы тока в обмотках, частоты вращения ротора и мощности, потребляемой двигателем.

Принципиальные недостатки метода диагностики состояния инструмента на базе измерения мощности, момента и других величин, связанных с этими параметрами, подробно описаны в технической литературе. Например, в работе [4] М. П. Козочкин рассуждает о том, что в настоящее время в автоматизированном производстве используются в основном многофункциональные станки, с помощью которых можно получить готовую деталь с одной установки. Такие машины выполняют и чистовую, и черновую обработку. А используемые при этом инструменты могут различаться, например, по размерам или по мощности. При чистовой обработке мелким инструментом потребляемая мощность значительно меньше, чем вариации холостого хода привода, рассчитанного и на черновую обработку. А ведь поломки такого инструмента составляют основную часть отказов при обработке. Эти поломки при контроле мощности привода либо не выявляются, либо выявляются с серьезным запаздыванием, что увеличивает вероятность возникновения брака [5].

Кроме вышеописанного метода к традиционным методам можно отнести вибродиагностику и виброакустическую диагностику, измерение силы резания, измерение температуры либо термоЭДС в зоне резания и их комбинации в рамках одной системы мониторинга [6, 7]. Вибродиагностике присущи недостатки, связанные с усложнением конструкции станка, снижением универсальности оборудования, возникновением проблем жесткости упругой системы станка, а также с недостаточной надежностью систем диагностики. Для анализа акустической эмиссии, возникающей в процессе резания, требуется дорогостоящее оборудование (анализаторы спектра). Недостатки метода, основанного на измерении силы резания, обусловлены усложнением конструкции резца и резцедержателя при применении специализированных динамометров либо сложностью установки тензо-датчиков, кроме того, погрешность измерения сил резания может превышать значения силы. Диагностика на основе измерения температуры в зоне резания или термоЭДС отличается низкой точностью измерений и быстродействием.

В результате проведенного анализа вышеупомянутых методов были сделаны следующие выводы:

1) каждый традиционный метод имеет свои существенные недостатки и применение комбинации методов не позволяет устранить их;

2) метрологический уровень средств измерений, применяемых для мониторинга состояния инструмента, в настоящее время средний или низкий (относительные погрешности измерений на уровне 10 — 0,1 %);

3) несмотря на широкую номенклатуру методов мониторинга, разработка новых подходов остается актуальной.

Таким образом, необходим поиск новых методов мониторинга инструмента, лишенных вышеупомянутых недостатков. По мнению авторов статьи, в качестве подобного метода может выступить фазохронометрический метод (ФХМ) получения информации о работе циклических машин и механизмов, разработанный на кафедре «Метрология и взаимозаменяемость» МГТУ им. Н. Э. Баумана и хорошо зарекомендовавший себя на таких сложных технических объектах, как турбо-, гидроагре-

МЕШПООБМБОТК|»

гаты, часовые механизмы [8, 9]. Метод характеризуется невысокой стоимостью первичных преобразователей и высокой точностью измерений интервалов времени. Последнее обусловлено тем, что наивысшая точность обеспечивается сегодня именно в области измерения времени и частоты.

Фазохронометрический подход можно отнести к фазовым методам контроля и диагностики (информационным параметром является фаза), кардинально отличающимся от амплитудных методов (информационный параметр — измеряемая амплитуда). Этим отличием обусловлены основные преимущества ФХМ по сравнению с имеющимися аналогами.

Во-первых, благодаря сложившемуся современному уровню хронометрии получение измерительной информации в промышленных условиях характеризуется погрешностями на уровне не хуже 10-7 с. Это дает большой запас точности по сравнению с амплитудными методами, а также снижает стоимость составляющих измерительного канала системы за счет снижения точности на один-два порядка без потери конкурентоспособности. Для справки: точность амплитудного аналогового метода при измерении значений токов, напряжения, давления, температуры и других физических величин ограничивается их шумами, при этом погрешность составляет более 0,1 % — в зависимости от уровня шумов измеряемого объекта, типов датчиков, фильтров и других компонентов системы контроля. Кроме того, на показания датчиков существенно влияет температурная зависимость параметров конструкционных материалов преобразователей.

Во-вторых, при использовании ФХМ измеряемая физическая величина — интервалы времени, соответствующие фазам рабочего цикла. То есть метод жестко привязан к рабочему циклу технической системы, наиболее устойчивому процессу, так как на протяжении всего жизненного цикла — от разработки до эксплуатации — все технические мероприятия направлены на его обеспечение. Это определяет наличие характеристик, которые сопровождают устройство на этапах испытаний, изготовления и эксплуатации, а их количественное изменение — состояние конкретного серийного экземпляра. Фазохронометрирование формирует времен-

нои ряд, отражающий влияние динамики работы изделия на интервал времени, вариации которого определяются нестабильностью рабочего цикла.

Фазохронометрический метод, в отличие от аналоговых, значительно менее подвержен влиянию амплитудных шумов, он не измеряет напрямую значения токов, напряжений и других зашумленных величин. Принцип работы фазохронометрической системы показан на рис. 1.

Метод измеряет интервалы времени 5ti ... 5ij, соответствующие повороту (смещению) ходовой части машины, совершающей цикл, в нашем случае — шпинделя станка, на определенный угол Дф (фазу рабочего цикла).

Для фазохронометрического анализа циклических систем приходится использовать измерительные приборы, которые регистрируют момент времени достижения заданного уровня сигнала датчика, соответствующего границе определенной фазы рабочего цикла. Таким образом, измерительная процедура основана на равномерном квантовании по уровню и дискретизации по времени. При этом благодаря предварительному прецизионному заданию координат контрастных меток в статике, например на неподвижном роторе или лимбе, удается получать высокую точность отсчетов.

Для регистрации угла поворота ротора могут быть использованы имеющиеся на его поверхности контрастные элементы: рельефные метки, специально нанесенные метки из магнитного материала, оптические метки и

Дф Дф Дф Дф

I ti I t2 ts\

5ti 5t2 5t3

t4 t, c

Рис. 1. Принцип работы фазохронометрической системы

ф

4

другие вспомогательные элементы, жестко закрепленные на ходовой части контролируемой циклической машины. Угловая скорость вращения меток совпадает с угловой скоростью вращения ходовой части, и момент поворота ходовой части на угол, соответствующий метке, фиксируется регистрирующим преобразователем.

Метки могут располагаться по окружности ротора, обычно через равные угловые интервалы Дф. Конструктивно они представляют собой, например, отверстия на вспомогательном диске (лимбе), установленном на роторе и вращающимся вместе с ним, если использованы фотоэлектрические датчики, регистрирующие вариации светового потока, модулируемого отверстиями. Также возможно использование вспомогательного диска с зубцами, которые при вращении ходовой части циклической машины проходят мимо жестко закрепленного индукционного преобразователя. Для датчиков Холла метки на ходовой части изготавливают из магнитного материала.

В отличие от виброакустического метода, точность которого ограничивается амплитудными шумами измеряемых вибраций, точность фазохронометрического метода определяется техническими средствами измерения времени и в условиях функционирующего объекта может иметь значения не хуже с. Амплитудные шумы датчика, регистрирующего метки или дефекты сплошности на поверхности ротора, к которым привязана фаза рабочего цикла, не оказывают непосредственного влияния на точность фазохро-нометрической системы. Это объясняется тем, что датчик служит не для измерения амплитуды сигнала от меток или дефектов сплошности, а для регистрации момента прохождения ротором определенных угловых положений (фаз рабочего цикла), соответствующих меткам или дефектам сплошности. При этом амплитудные шумы, которые не позволяют аналоговым системам работать с высокой точностью, не оказывают решающего влияния на точность хронометрической системы.

В основе подхода, описываемого в работе, лежит предположение о том, что при измерении интервалов времени фаз оборота шпинделя станка при обработке мы получаем информацию о работе машины. В хронограмме

вращения, являющейся графическим отражением временного ряда значений ... содержится информация о работе всех узлов станка, в том числе и о состоянии инструмента.

Виртуальное разбиение одного оборота шпинделя станка на фазы осуществляется с помощью кругового растра углового датчика — углового энкодера. В нашем случае выбран датчик ЛИР-158, что связано с его относительно низкой ценой, требуемыми надежностью и точностью. Вал первичного преобразователя соединен со шпинделем станка через специальный переходник, исключающий проскальзывание и тем самым обеспечивающий синхронное вращение вала датчика и шпинделя станка [10]. Корпус датчика при помощи оснастки прикреплен к корпусу станка (рис. 2 и 3).

Рис. 2. Оснастка для крепления углового датчика

Рис. 3. Установка углового датчика на токарный станок

Блок обработки измерительной информации

Рис. 4. Принципиальная схема измерительного канала

Показанная на рисунках установка первичного преобразователя системы мониторинга была разработана в целях проведения экспериментальных исследований для подтверждения работоспособности системы. Использование в качестве первичного преобразователя углового датчика в подобном исполнении возможно, если при работе на станке не осуществляется подача прутка в рабочую зону станка со стороны передней бабки. В остальных случаях необходимо применение угловых датчиков с полым валом либо иных конструктивных решений, описанных выше.

Аналоговый синусоидальный сигнал с датчика поступает на вход блока обработки измерительной информации (рис. 4). Период сигнала для датчика не является величиной постоянной и коррелирован с неравномерностью вращения шпинделя станка. При помощи аналоговых компараторов сигнал оцифровывается, затем измеряется длительность каждого импульса, для чего в подсистеме измерения интервалов времени предусмотрен кварцевый генератор с частотой колебаний 50 МГц. Подсистема обработки результатов измерений и одноплатный компьютер формируют и записывают полученные временные ряды и обрабатывают их в виде построения хронограммы вращения (графика изменения времени про-

хождения фазы в зависимости от номера измерения) или частотного спектра этой функции. Скомпонованная подобным образом измерительная система характеризуется относительной погрешностью не хуже 2 • 10-2 %.

Главной задачей при обработке результатов измерений интервалов времени является выделение информации о режущем инструменте. С точки зрения формализации задачи шпиндель станка представляется в виде ротора, к которому приложена внешняя периодическая сила (сила резания), изменяющаяся по мере износа режущего инструмента (рис. 5).

На этом этапе работы анализ научных исследований в области механики токарной обработки показал, что процесс резания характеризуется высокочастотными составляющими колебаний силы резания, связанных с тем, что сопротивление металла при резании растет с увеличением деформации срезаемого слоя. После начала скалывания первого элемента стружки давление резко падает до окончания скалывания. Затем усилие резания вновь повышается и падает по мере скалывания следующего элемента стружки. Упрощенно процесс можно представить в виде изменения силы резания в две стадии (рис. 6).

Первая стадия сопровождается упругопла-стической деформацией элемента стружки и накоплением потенциальной энергии в системе инструмент—заготовка в виде упругой деформации. Вторая стадия соответствует разгрузке системы с образованием плоскости сдвига, со срезом адгезионных связей с инструментом и с перемещением элемента вдоль плоскости среза до начала упругой деформации

Рис. 5. Схема формирования элементов стружки

Р, Н

г, с

Рис. 6. Временная диаграмма изменения усилия резания при формировании элементов стружки:

1 — деформация некоторого объема срезаемого припуска;

2 — точка начала сдвига элемента стружки; 3 — сдвиг элемента стружки

следующего элемента. После этого процесс повторяется [11].

Неравномерность вращения шпинделя соответственно зависит в том числе от колебаний момента силы резания (момента сопротивления вращению), а частота V этих колебаний будет присутствовать в спектре хронограммы вращения.

Для подтверждения вышеизложенной гипотезы, а также в целях испытаний прототипа системы мониторинга были проведены исследования процесса обработки заготовки из коррозионно-стойкой стали токарным инструментом со сменными режущими пласти-

нами треугольной формы (материал — сплав Т15К6). Эксперимент построен таким образом, чтобы получить измерительную информацию о неравномерности вращения шпинделя (частота вращения 315 об/мин) станка УТ16П в режиме холостого хода и при трех условно различных режимах обработки. Условное различие заключалось в использовании в каждом случае сменной пластины с разной степенью износа режущей кромки: без видимых признаков износа (новая пластина), с износом по задней поверхности 100 мкм (пластина со средним износом) и с износом по задней поверхности более 400 мкм (катастрофический износ). Продольная подача и глубина резания оставались постоянными: 0,217 мм/об и 0,2 мм соответственно.

В результате обработки ряда интервалов времени были получены четыре хронограммы вращения, соответствующие каждому режиму эксперимента (холостой ход, резание новой пластиной, резание пластиной со средним износом, резание пластиной с катастрофическим износом). Показаны хронограммы вращения для обработки режущим инструментом со средним (рис. 7) и катастрофическим (рис. 8) износом.

Как уже было упомянуто, вращение шпинделя станка характеризуется нестабильно-

Номер измерения Рис. 7. Хронограмма среднего износа инструмента

2

2

Номер измерения

Рис. 8. Хронограмма катастрофического износа инструмента

стью, в том числе и в пределах одного оборота. Это четко прослеживается на приведенных хронограммах, которые для дальнейшей математической обработки представляются сложными по своей форме сигналами — их можно представить в виде суммы простейших гармонических колебаний.

На графиках (рис. 7 и 8) заметно, что при повышении износа режущего инструмента на хронограмме в большей степени проявляются высокочастотные составляющие колебаний интервалов времени. Причем эксперимент проводился таким образом, что кроме износа режущей пластины в системе станок—приспособление—инструмент—деталь иных изменений не производилось, а влиянием изменения внешних факторов можно пренебречь, так как между моментами записи хронограмм прошло не более 5 мин.

Исходя из того что совокупность гармонических колебаний интервалов времени можно представить в виде частотного спектра, было выпол-

Частота, Гц

Рис. 9. Часть спектра при среднем износе

х 10

4,5

18

Плотность вероятности

3,5

2,5

1,5

0,5

0

41 Ыи 1У -—--

100

300

400

200

Частота, Гц

Рис. 10. Часть спектра при катастрофическом износе. Амплитуда на один порядок выше

нено преобразование Фурье. Полученные результаты частотного анализа приведены на рис. 9 и 10.

Для удобства восприятия были выделены и показаны на графиках только те частоты, амплитуда которых изменилась. Это группа частот в области 100 и 200 Гц. При этом именно область 100 Гц стоит отметить как источник информации о состоянии инструмента, так как соответствующих гармоник в хронограмме, снятой на холостом ходу шпинделя, не наблюдалось. «Группирование» частот, т. е. присутствие нескольких максимумов частотного спектра, в области 100 Гц объясняется тем, что вышеупомянутая теоретическая частота V в экспериментально полученном спектре обязательно будет сопровождаться паразитными

частотами. Иными словами, под влиянием большого количества факторов (например, неравномерности структуры металла заготовки, наличия микродефектов структуры, непостоянства глубины резания вследствие отклонения профиля продольного сечения заготовки или биения шпинделя) частота V в течение обработки не является величиной постоянной и испытывает колебания, что находит отражение в спектре хронограммы вращения.

Выводы

По итогам проведенных исследований сформирован научный задел для применения фа-зохронометрического метода диагностики к

4

3

2

1

решению задач, связанных с процессом резания на станках токарной группы. Выделить из хронограммы вращения информацию о состоянии инструмента можно при помощи анализа частотного спектра в области частоты колебаний, которые возникают в процессе пластических деформаций, происходящих при снятии стружки. Обрабатывая эту информацию, система мониторинга может выдавать оператору станка сигнал о необходимости смены инструмента либо останавливать обработку в системах автоматизированного обрабатывающего оборудования.

Также результатом применения фазохроно-метрии является не только разработка абсолютно нового и не имеющего прямых аналогов метода определения состояния инструмента в процессе обработки, но и возможность использования измерительной информации в целях выбора оптимальных режимов резания, фундаментальных исследований механики резания, взаимодействия инструмента с заготовкой, обрабатываемости новых перспективных материалов. Высокая точность измерения интервалов времени, низкая себестоимость измерительного канала системы (около 80 тыс. рублей в ценах 2015 г.) и отсутствие необходимости вносить изменения в конструкцию станка позволят в будущем внедрить эту технологию в производственный процесс, тем самым повысить эффективность металлообработки и качество готовых изделий, а как следствие, и конкурентоспособность продукции в целом.

Работа выполнена в рамках государственного задания № 9.1265.2014/К на выполнение научно-исследовательской работы в сфере научной деятельности (код проекта 1265).

Литература

1. Асинхронный трехфазный двигатель привода главного движения станка как датчик контроля состояния инструмента / С. В. Алёшин, В. А. Синопальников, Е. А. Соколов, В. В. Филатов // Вестн. МГТУ «Станкин». 2010.№ 3. С.110-119.

2. Козочкин М. П. Вибродиагностика состояния инструментов при точении металлов // Машиностроитель. 2013. № 1. С. 9-19.

3. Проблемы технической диагностики станочного оборудования на современном этапе развития / С. Н. Григорьев, М. П. Козочкин, Ф. С. Сабиров, В. А. Синопальников // Вестн. МГТУ «Станкин». 2010. № 4. С. 27-36.

4. Сорокин В. В., Дараган А. Ф. Контроль состояния режущего инструмента в станочных системах // Наука и современность. 2010. № 5-2. С. 272-276.

5. 13th International Congress on Sound and Vibration / W. Rmili, R. Serra, A. Ouahabi [et al.] // At Vienna, Austria. Tool wear monitoring in turning process using vibration measurement.

6. Киселёв М. И., Пронякин В. И. Фазовый метод исследования циклических машин и механизмов на основе хронометрического подхода // Измерительная техника. 2001. № 9. С.15-18.

7. Pronyakin V. I. Problems in diagnosing cyclic machines and mechanisms // Measurement Technics. 2008. T. 51, N 10. С.1058-1064.

8. Потапов К. Г., Сырицкий А. Б. Реализация измерительной фазохронометрической системы для диагностики технического состояния токарных станков // Приборы. 2014. № 5. С. 13-18.

11. Волков Д. И., Проскуряков С. Л. Разработка модели процесса резания с учетом цикличности формирования стружки // Вестн. Уфимского государственного авиационного технического университета. 2011. Т. 15, № 3 (43). С. 72-78.

Уважаемые авторы!

Для полноценной работы ссылок в Научной Электронной Библиотеке (НЭБ) просим вас предоставлять в статьях точные библиографические сведения об источниках цитирования.

Ссылки должны быть составлены согласно ГОСТ 7.0.5.-2008. Особое внимание просим уделять написанию названий издательств и журналов. Предпочтение отдается полной форме. В случае сокращенного написания, пожалуйста, сверяйтесь с принятой формой сокращения наименования данного журнала или издательства в НЭБ (в случае, если они зарегистрированы). В противном случае НЭБ не сможет идентифицировать ссылку. Ответственность за предоставляемую информацию несет автор.

С уважением, редакция журнала «Металлообработка»

Но

№ 5(89)/2015