Непрерывный контроль состояния режущих инструментов с использованием сигналов виброакустики

Так, для Бр. 9-4-1 при минимальной подаче S= 0,050 мм/об возможно получение шероховатости Ra=0,050 мкм. Эксперимент прекращался при достижении предпочтительного (ГОСТ 2789-73 в редакции 1990 года) значения Ra=0,100 мкм.

Результаты исследований приведены в таблице 1.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что наиболее целесообразными областями применения минералокерамических выглаживателей являются материалы 2 и 3 групп твердости, а для термоупроч-ненных сталей - 1 и 2 групп. Ограниченность применения минералокерамики для материалов 1 группы обусловлена адгезионным взаимодействием с рядом цветных сплавов.

Таблица 1

По предварительным данным исследований, при оптимальных режимах выглаживания минералокерами-ческим инструментом степень наклепа составляет 1,5-2,2, глубина наклепа 0,18-0,26 мм. Сжимающие остаточные напряжения первого рода достигают 1320 МПа. Износостойкость выглаженной поверхности в 1,6-4,9 раза выше износостойкости поверхности, подвергнутой чистовому точению. Выглаживание минералокерамическим инструментом повышает предел выносливости на 18-38 %, что не ниже повышения предела выносливости при выглаживании алмазным инструментом.

Комплексными исследованиями состояния поверхностного слоя установлено, что при сглаживающе-упроч-няющих режимах выглаживания в тонком поверхностном слое обрабатываемых деталей происходят фазовые превращения, связанные с действием температурного фактора. Микроструктура выглаженной поверхности представляет собой мелкодисперсную бейнитную структуру

Материалы, полученные в результате экспериментально-теоретических исследований, позволяют говорить о перспективности применения минералокерамики и термоупрочненных сталей в качестве инструментальных материалов в процессе выглаживания.

Список литературы

1. Ceramic insight Softening futurechock- Tooland Products.- 1989.- № 11.-

Р. 66-70.

2. АС 1650767 (СССР) С 23С8/64 Способ обработки стальных изделий /

Ю.Г. Гуревич, А.П. Кузьмичева, Д.Е. Дорфман, Н.Д. Багрецов -заявлено 14.12.88, опубл. 23.05.91, Бюл. № 19.

3. Гуревич Ю.Г., Мосталыгин Г.П., Марфицын В.В.и др. Износостой-

кость сталей после электроконтактного термоупрочнения // Износостойкость машин: Тез. докл. Всесоюзн. научн. техн. конф. - Брянск, 1991. - 93 с.

4. Башков Г.П. Выглаживание восстановленных деталей. - М.: Машиностроение, 1979. - 80 с.Остапчук А.К., Канаев А.С. Курганский государственный университет, г. Курган

НЕПРЕРЫВНЫЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИГНАЛОВ ВИБРОАКУСТИКИ

В данной статье рассмотрены вопросы по контролю и износу режущего и выглаживающего инструмента. Показана взаимосвязь износа инструмента и вибрациями технологической системы. Предложен метод оценки износа инструмента и шероховатости поверхности в процессе обработки.

Непрерывный контроль состояния режущих инструментов в процессе обработки является актуальной задачей, осуществляемой с целью предотвращения повреждения станков и дорогостоящих деталей, а также для оптимизации использования станков при минимальном вмешательстве оператора в их работу.

Решение проблемы непрерывного измерения износа инструмента позволит более рационально использовать ресурс инструмента и устранить опасность преждевременного его разрушения. Анализ существующих методов непрерывного контроля износа режущего инструмента показал, что наиболее перспективным с практической точки зрения является метод, основанный на использовании в качестве характеристики износа уровня вибрации как при резании, так и при методах ППД, в частности в,ыглаживании. Определение износа инструмента по изменению уровня вибрации при обработке дает лишь приблизительную картину интенсивности износа. Предварительные эксперименты показали, что при увеличении износа инструмента увеличивается общий уровень вибрации технологической системы. Максимальное увеличение отмечено для составляющей вибрации по оси Z, а минимальное - по оси Х. Кроме того, анализ суммарных сигналов вибрации показал, что спектр сигналов содержит определенные частоты, пригодные для определения износа инструмента. Датчик, размещенный, например, на револьверной головке токарного станка, может осуществлять детектирование этих колебаний. При этом в полученном от датчика сигнале имеется характеристический признак условий резания. Если условия резания меняются, например, вследствие износа инструмента, то меняется и характеристический признак. Подобным же образом определенный характеристический сигнал, который может быть идентифицирован, создается и при поломке инструмента. Износ и возникновение источника виброакустического сигнала обусловлены следующими факторами: пластической деформацией в зонах сдвига; растрескиванием; скольжением стружки вдоль передней поверхности инструмента; трением задней поверхности инструмента о деталь и т.д.

Анализ указанных факторов позволяет применительно к износу инструмента создать модель, связывающую эффективную величину виброакустического сигнала УКтз с параметрами процесса резания.

Были проведены работы по определению разрушения и износа инструмента в условиях точения и выглажи-

Эффективность выглаживания при различных условиях

Материал выглажива-теля Радиус выглажи-вателя, мм Обрабатываемый материал Режим обработки Стойкость в часах машинного времени

n, мин" 1 s, мм/об h,„, мкм

Минералокерамика ВОК-60 6,5 Бр. 9-4-1 250 0,05 30 60 90 10,5-12,5 9,2-11,2 7,9-10,0

Термоупрочненная сталь 11,5-13,2 10,1-11,4 9,1-10,2

Минералокерамика ВОК-60 6,5 сталь40Х 250 0,05 30 60 90 8,5-10,7 8,5-9,1 7,5-8,3

Термоупрочненная сталь 8,5-9,2 7,8-8,5 7,5-8,3

Минералокерамика ВОК-60 5,5 сталь 45ХНМФА 250 0,05 30 60 90 7,5-8,5 6,7-7,2 8,5-6,3

Термоупрочненная сталь 5,1-6,1 4,5-5,0 3,1-4,1

вания. Разрушение может иметь место в вершине инструмента (вследствие механического удара) или на режущих кромках (под действием теплового удара из-за прекращения подачи СОЖ), вследствие последовательных ударов (например, при точении прерывистой поверхности), из-за чрезмерно быстрого возрастания лунки износа. В проведенных исследованиях разрушение инструментов было обусловлено следующими факторами: ударным воздействием на твердосплавную режущую пластину; в результате обработки закаленной поверхности; чрезмерным износом пластины. Систематические испытания проводились в условиях точения, а также выглаживания в целях идентификации наиболее значимых параметров виброакустического сигнала, необходимых для выявления разрушения инструмента.

Установлено, что эффективная величина сигнала является параметром, приемлемым для установления момента разрушения. При применении этого параметра разрушение режущей пластины мгновенно детектировалось при продольном и торцовом точении. Разрушение, происходящее под действием значительной энергии в переходном процессе, легко детектировалось и идентифицировалось по характеру изменения эффективной величины виброакустического сигнала. Подобным же образом прохождение инструментом закалённого участка детали при точении приводило или к разрушению, или к быстрому износу инструмента, при котором инструмент был непригоден для дальнейшего резания. При выходе за пределы закаленного участка поверхности инструмент уже не разрушается, а лишь быстро изнашивался, при этом очередной пик виброакустического сигнала был существенно ниже. Таким образом, из анализа виброакустического сигнала можно сделать вывод об изменениях, происходящих в процессе резания и приводящих к разрушениям инструмента. Кроме того, можно выявить условия, при которых возникает значительный износ инструмента.

Эксперименты показали также широкие возможности применения метода для различных условий резания (от чистового - сечение стружки до(0,15х0,1)мм2 до чернового -сечение стружки до(8х1,25)мм2) при выглаживании различными материалами при обеспечении высокой надежности детектирования в реальном масштабе времени.

Принцип работы системы детектирования базируется на соответствующей обработке виброакустического сигнала. Такая система должна выполнять следующие две функции.

Первой функцией является определение момента разрушения инструмента. При этом время срабатывания электронного устройства должно составлять несколько миллисекунд. Выходной сигнал системы может быть использован непосредственно для управления выключением подачи и/ или отводом инструмента от детали. При этом обеспечивается взаимосвязь с системами ЧПУ различных типов.

Второй функцией системы является детектирование момента контакта инструмента с деталью, что необходимо для прекращения быстрого перемещения инструмента. При этом достигаемая точность подвода инструмента находится в пределах 5 мкм. Преимуществами такой системы является отсутствие необходимости ее регулирования оператором, а также простота в обращении, в связи с чем не требуется предварительное обучение операторов. Система была испытана экспериментально и в промышленных условиях. Удовлетворительные результаты получены при точении как на малом, так и на крупном токарном станке. Определенные трудности представляет обработка материалов, относимых к труднообрабатываемым, когда сегментирование стружки может привести к

возникновению сигналов, соответствующих ложному детектированию, в результате чего действительное разрушение инструмента может пройти незамеченным.

На практике износ определяется по следующим критериям: износ по задней грани и/или образование лунок износа; изменение размера деталей; состояние обрабатываемой поверхности; ненормальное функционирование оборудования. Однако ни один из этих критериев не является универсальным. В связи с этим значительный интерес представляет определение четкой зависимости между сигналом виброакустики и пределом возможного применения инструмента. Этот предел неодинаков на черновой обработке (максимальный износ перед разрушением) и на чистовой (изменение состояния поверхности или превышение допуска на размер). Таким образом, необходимо решить две задачи:

1) согласование виброакустического сигнала с величиной износа, допустимой на основании результатов исследований;

2) разработка стратегии использования инструментов для оптимизации их стойкости.

Результаты испытаний выявили соотношение между возможным изменением виброакустического сигнала и некоторыми критериями износа инструмента. По результатам, полученным как при точении, так и при выглаживании, определена мощность вибросигнала в функции времени, анализ которой показывает значительное изменение сигнала при некотором предельном износе.

В результате проведенных испытаний установлено, что вибросигнал содержит определенную информацию об износе инструмента, однако без четкого определения критерия предельного износа такая информация является лишь качественной и недостаточна для использования в производственных условиях. Установлено, что виброакустический сигнал существенно зависит от факторов связанных с характеристиками материала детали (твердость, обрабатываемость) и обусловленных материалом инструмента (быстрорежущая сталь, твердый сплав, керамика), а так же определяемых условиями резания (скорость, подача, глубина резания, число инструментов и др.).

Результаты испытаний показали, что при прочих равных условиях уровень виброакустического сигнала изменяется в соответствии с твердостью обрабатываемого материала. На уровень виброакустического сигнала важное влияние оказывают такие факторы, как вид разрушения инструмента, растрескивание, химическая диффузия или истирание. Зависимости между такими видами износа и уровнем вибросигнала в данной работе не устанавливались. Результаты систематических испытаний при точении и выглаживании позволили установить количественные зависимости между уровнем виброакустического сигнала и условиями резания (скорость и глубина резания, подача, радиус инструмента и натяг при выглаживании). Для оценки состояния инструмента независимо от соответствующего состояния обрабатывающей технологической системы предпочтительней оценивать не сигналы, полученные от датчиков, а по результатам изменений сигналов рассчитывать модель объекта диагностики (в данном случае величина износа) и всего процесса. При отклонениях состояния диагностируемого объекта выходящие за пределы нормы оценивают по классифицированным параметрам.

Колебания, возникающие при механической обработке, можно измерить непосредственно на инструменте или на элементах станка, расположенных вблизи заготовки. Информация, получаемая в результате этих измерений относительно состояния инструмента, характери-

стик заготовки и самого процесса резания, а также сбоев в процессе и станке, поступает на приборы для спектрального анализа, где снова разлагается на определенные частоты.

Во многих случаях можно получить характерный основной спектр, представляющийсобой механические характеристики элементов, участвующих в резании (жесткость и масса заготовки, инструментов, зажимных приспособлений и механизмов подач). Устанавливаемые на станке-характеристики процесса представлены в виде соответствующих выступов и ускорения, получены спектры механического шума токарного резца в направлениях главной составляющей силы резания и силы подачи. Было установлено, что виброакустический сигнал, возникающий при взаимодействии неизношенной режущей кромки с деталью, отличаетсяот сигнала, полученного при работе изношенным инструментом. Спектральная функция, полученная при первом цикле обработки, произведенной новым инструментом, имеет значительные колебания. На данном этапе процесса резания виброакустический сигнал характеризуетсяотносительно высокими амплитудами во всем диапазоне в трех различных направлениях.

С увеличением времени работы инструмента частотный спектр вибросигнала изменялся, обнаружилась тенденция к его уменьшению, при этом основная мощность вибросигнала концентрировалась в нескольких явно выраженных частотных диапазонах, расположенных в высокочастотной области. Уменьшение спектральной функции наблюдалось до некоторой величины. Такое состояние процесса резания наблюдалось до износа инструмента равного 0,2...0,3 мм по задней поверхности.

При дальнейшем увеличении износа инструмента начинает возрастать амплитуда вибросигнала в высокочастотной части спектра ^ > 3,5кГц). В диапазоне величин износа по задней поверхности от 0,2. ..0,3мм до 0,6...0,7мм обнаруживается тенденция к стабильности мощности вибросигнала. Когда износ достигает величины 0,7мм, мощность вибросигнала начинает возрастать, причем в диапазоне частот от 8кГц до 14кГц значительнее, чем в других областях спектра. При дальнейшей работе режущего инструмента наблюдалось быстрое возрастание амплитуд вибросигнала во всем диапазоне частот.

На приведенной кривой можно выделить три участка: участок снижения мощности, участок линейного увеличения мощности вибросигнала и участок резкого роста мощности сигнала.

Уменьшение амплитуд вибраций (мощности вибросигнала) на первом участке можно объяснить увеличением фрикционного демпфирования вследствие увеличения площади контакта между инструментом и заготовкой. Ленточка износа с задним углом a=0 препятствует внедрению инструмента в поверхность резания. С другой стороны, износ инструмента вызывает увеличение сил резания, что приводит к увеличению жесткости стеков, т.е. к возникновению дополнительного демпфирующего эффекта.

Согласно теории трения многие пары трения, а в данном случае резец и обрабатываемая поверхность, проходят три стадии изнашивания: приработку, установившееся состояние и стадию катастрофического износа. В процессе приработки происходит сглаживание наиболее выступающих неровностей трущихся поверхностей, формируется новая поверхность. Эта шероховатость является оптимальной для данных условий трения и обеспечивает при этих условиях минимальное изнашивание. В процессе приработки трибологическая система переходит в такое равновесное состояние, при котором устанавливается минимальная диссипация энергии при данных условиях.

Вторая стадия изнашивания инструмента характеризуется постоянной, в среднем, величиной практически всех параметров трения - коэффициента трения, скорости изнашивания, температуры и т.д. В этом режиме процесс трения и изнашивания представляется стационарным в широком смысле слова. Особенностью трения и изнашивания на этой стадии является постоянство силы трения и интенсивности изнашивания. Третья стадия изнашивания инструмента характеризуется зачастую резким изменением (увеличением) энергетических характеристик трения - коэффициента трения, скорости изнашивания, температуры, что вызывает переход от нормального режима изнашивания к режиму катастрофического изнашивания. Как правило, эта стадия характеризуется ухудшением качества поверхностей трения; увеличением интенсивности линейного износа; увеличением коэффициента трения; возрастанием температуры в зоне контакта; изменением энергетического состояния поверхностных слоев, приводящим к интенсивному разрушению; резким увеличением объема изнашиваемого материала, происходящим в основном за счет увеличения размеров отделяющихся частиц, а не за счет их количества.

При сравнении кривой изменения мощности виброакустического сигнала от времени (рис.1) и кривой зависимости скорости износа инструмента от времени (рис.2) можно сделать вывод, что участок снижения мощности виброакустического сигнала соответствует зоне прирабо-точного износа, второй участок - зоне установившегося состояния и третий участок соответствует зоне катастрофического износа.

1 1

\ 1 1

V 1 /

\ ч [

ч 1 —- 1

1 1

/ // /// /

Рис.1. Зависимость мощности вибросигнала от времени работы инструмента

/

/ /

о, / /

N

х!

г 1

I // /// /

Рис.2.Зависимость изменения скорости изнашивания от времени

Установлено, что изменение величины Ra вызвано изменением уровня вибраций, генерируемых технологической системой, которая, в свою очередь, зависит от величины износа инструмента. Следовательно, можно оценивать и величину Ra в зависимости от мощности вибросигнал.

Аналогичные зависимости наблюдаются при точе-

нии как твердосплавным, так и минералокерамическим инструментом. Не являются исключением и методы ППД. Решение проблемы непрерывного измерения износа инструмента позволит более рационально использовать ресурс инструмента и устранить опасность преждевременного его разрушения.

Иа

2

о

о...

о

О

100

200 300 Ш

Рис.3. Зависимость высоты микронеровностей от мощности вибросигнала

Тахман С. И.

Курганский государственный университет, Курган

СВЯЗЬ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РЕЖУЩЕГО КЛИНА С ПАРАМЕТРАМИ РАБОЧЕГО СОСТОЯНИЯ ЕГО ПОВЕРХНОСТЕЙ

Рассмотрены известные характеристики износостойкости лезвийных инструментов, определен их интегральный характер. Выявлены связи характера кинетических кривых изнашивания и их ограничителей с режимами резания. Физически обоснована диф-

ференциальная характеристика - интенсивность изнашивания, связанная с рабочим состоянием контактных поверхностей инструментов. Проанализировано изменение прочностных свойств инструментальных материалов при повышении температуры, что позволило прогнозировать уровни интенсивности изнашивания в заданных условиях обработки.

Наиболее часто износостойкость лезвийного инструмента оценивается временем 7 "периода стойкости". Под ним понимается время непрерывной работы инструмента на заданном режиме до достижения "критерия износа" -назначенной предельно допустимой величины ограничителя возможности осуществления процесса резания. При этом практически всегда допускается, что при резании с заданными режимными параметрами (V, э, на периоде стойкости сохраняются неизменными условия обработки. Действительно, управляемые входы системы резания остаются постоянными, однако характер кинетических кривых изнашивания (кривых нарастания износа по времени или пути резания) показывает, что состояние системы резания далеко не постоянно. На рис.1(а-в) показаны возможные формы таких кривых (каждая представлена на разных режимах), по которым видно непостоянство интен-сивностей изнашивания, закономерно формирующих представленные виды кривых на каждом режиме. Можно предположить, что в каждом из них действует причина, связанная с изменениями состояния контактных процессов на поверхности инструмента по мере нарастания её износа. До сих пор зависимости с разных режимов сравниваются между собой по времени достижения одинакового уровня ограничителя (на рис.1 во всех вариантах проведены горизонтали, точки пересечения кривых с которыми определяют периоды стойкости). Таким образом, износ при любом характере его изменения по времени работы накапливается за счет различных по величине приращений в разные периоды работы инструмента. Поэтому период стойкости представляет собой интегральную характеристику процесса изнашивания, а критерий износа (КИ) выступает в роли предела интегрирования.

Рис.1. Формы кинетических кривых изнашивания - вогнутая

В качестве аргумента на таком графике могут выступать и другие показатели, связанные со временем через параметры режима, такие как длина пути резания ЬТ = о  Т, площадь обработанной поверхности Рт =о- 5 • г, объем удаленного припуска

Жт = и - в ^•т , количество обработанных деталей

п = =

— г г 1 1 1 . 11а периоде

/о П 'а0'10 'о

стойкости каждый из них задает соответствующий интегральный показатель износостойкости 1-г \А/гОт. К интегральным показателям износостойкости относится и средняя скорость изнашивания, представляющая собой отношение КИ к Т.

Но чтобы точно оценить любой из таких показателей на определенном режиме, надо использовать два элемента: кинетическую кривую изнашивания на интересующем режиме и величину критерия износа, которые связаны с параметрами режима, но по-разному.