Информационно-измерительная и управляющая система контроля стойкости режущего инструмента для станков с ЧПУ

Петрова И. Ю. Petrova I. Yu.

доктор технических наук, профессор кафедры систем автоматизированного проектирования и моделирования, ГАОУ ВО «Астраханский государственный архитектурно-строительный университет» г. Астрахань, Российская Федерация

УДК 681.518.3

Ураксеев М. А. Urakseev M. Л.

доктор технических наук, профессор кафедры «Информационно-измерительная техника», ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

Николаев А. В. Nikolaev Л. V.

аспирант кафедры «Информационно-измерительная техника», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СТОЙКОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ СТАНКОВ С ЧПУ

Известные методы контроля стойкости режущих инструментов при механической обработке металлов позволяют с достаточной точностью контролировать остаточное время работы инструмента. Однако большинство из них основано на электропроводимости детали, что ограничивает их применимость к композиционным материалам. В связи с этим в работе рассматривается обобщенная структура информационно-измерительной и управляющей системы контроля стойкости режущего инструмента для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) на основе метода газового анализа вблизи зоны резания. Показано, что в процессе механической обработки углеродсодержащих материалов с уменьшением остаточной стойкости инструмента происходит увеличение концентрации газов вблизи зоны резания. Также представлена экспериментальная зависимость концентрации оксида углерода от подачи и частоты вращения шпинделя. Результаты эксперимента представлены в виде диаграмм, на которых приведены значения режимов резания и соответствующие им концентрации газов, где отчетливо просматривается зависимость увеличения концентрации газов от уменьшения времени остаточной стойкости. Предложенная обобщенная структура информационно-измерительной и управляющей системы контроля стойкости режущего инструмента для станков с ЧПУ позволяет своевременно оценивать изменение концентрации газов и пересчитывать на основе этих данных остаточную стойкость инструмента. По окончании времени работы инструмента формируется управляющий сигнал для системы ЧПУ станка и смена происходит автоматически, сигнализируя оператору о том, что произошла замена режущего инструмента дублером. Практическая значимость работы состоит в возможности на основании предложенной информационно-измерительной и управляющей системы контроля стойкости режущего инструмента для станков с ЧПУ повысить эффективность производства в связи с развитием и усовершенствованием метода и средств входного и промежуточного контроля режущего инструмента в процессе его эксплуатации.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, механическая обработка, концентрация газов в зоне резания, композиционные материалы, стойкость инструмента, оксид углерода, газоанализатор, инструмент-дублер.

INFORMATION-MEASURING AND OPERATING SYSTEM OF CONTROL OF STABILITY OF CUTTING TOOLS FOR CNC MACHINES

Well-known cutting tool life control methods by the mechanical treatment of metals allow with the sufficient accuracy to test a remaining operating time of the tool. However the majority of them are based on the electro-conductivity of a detail that limits their applicability to composite materials. In connection with this the generalized structure of the information-measuring and operating-monitoring system of cutting tool life control system for machine tools with the numerical program control (CNC) on the basis of a method of the gas analysis near cutting zone is considered. It is shown, that during the mechanical treatment of carbonmaterials with the reduction of the tool life residual system there is an increase in the concentration of gases near the cutting zone. Also experimental dependence of the carbon oxide concentration from submission and frequency of rotation of a spindle is presented. Results of experiment are presented in the diagrams on which values of modes of cutting and concentration of gases, corresponding them, are shown. The dependence of increase in concentration of gases on reduction of time of residual stability is overviewed. The offered generalized structure of information-measuring and operating-monitoring system of tool life control system for machine tools with numerical program control allows to estimate the change of concentration of gases and to recalculate the tool life residual system on the basis of these data. Upon termination of a tool operating time the operating signal for CNC system is formed and the change occurs automatically, signaling the operator that there was a replacement of the cutting tool with the doubler. The practical importance of this work consists of an opportunity on the basis of offered information-measuring and operating-monitoring system of tool life control system for machine tools with a numerical program control to raise a production efficiency because of the development and improvement of a method and means of the entrance and intermediate control of the cutting tool during its operation.

Key words: information-measuring system, machining, gas concentration in cutting zone, composite materials, tool life, carbon monoxide, gas analyzer, tool understudy.

На современном этапе развития машиностроения изготовление деталей производится субтрактивными методами, т.е. формообразование происходит за счет удаления лишнего материала. Поэтому машиностроительные предприятия вынуждены содержать большой станочный парк. В погоне за производительностью руководители предприятий вынуждены активно проводить техническое перевооружение производства. Однако сокращение бюджета на развитие предприятий и высокие цены на современные станки с ЧПУ не позволяют обновлять устаревающий станочный парк своевременно, поэтому на большинстве предприятий на производственных мощностях можно встретить станки советского образца.

Чтобы не выпасть из борьбы на рынке, приходится проводить модернизацию имеющегося оборудования. Модернизация меха-нообрабатывающих станков проходит по двум направлениям: первое — это автомати-

зация основных операций, второе — автоматизация вспомогательных операций. Под вспомогательными операциями предполагают некоторые действия человека и оборудования, которые не сопровождаются изменением формы детали. Одним из таких действий является смена режущего инструмента. На станках старого образца станочник вынужден остановить станок и вручную поменять инструмент. Современное оборудование имеет устройство автоматической смены инструмента, освобождающее станочника от вмешательства в производственный цикл станка. Однако и те, и другие вынуждены производить замену по истечении времени стойкости режущего инструмента, а не по фактическому износу инструмента.

В большинстве случаев режимы резания рассчитывают, выбирая основным фактором период стойкости инструмента, который выбирают по нормативным справочникам. Естественно, в таких нормативах нельзя

а) 6)

Рисунок 1. Зависимость концентрации оксида углерода от подачи и частоты вращения шпинделя в начале периода стойкости Т = 0 мин

Рисунок 2. Информационно-измерительная и управляющая система контроля стойкости режущего инструмента для станков с ЧПУ

учесть повышенный расход инструмента по случайным факторам, что приведет к большему износу инструмента, чем было заложено изначально. Большой износ инструмента, во-первых, повлияет на качество обрабатываемой детали и ее геометрию, а во-вторых, приведет к повышенному расходу инструмента. В процессе переточки инструмента снимается слой материала на режущей части инструмента. Соответственно, чем больше износ инструмента, тем больший слой необходимо снять для восстановления геометрии режущей части, уменьшая, в свою очередь, количество возможных переточек. Поэтому одними из основных условий эксплуатации инструмента являются контроль износа инструмента и своевременная смена инструмента на заранее заготовленный инструмент-дублер.

На сегодняшний день существует большое количество методов контроля износа режущего инструмента, однако в большинстве случаев они требуют конструктивного вмешательства в оборудование, что ведет к затратам, несоизмеримым с расходом режущего инструмента.

В качестве метода контроля износа инструмента предлагается использовать метод газового анализа. В процессе механической обработки углеродсодержащих материалов (стали, композиты, углепластики и т.д.) под действием сил резания происходят деформация и разрушение кристаллической решетки, которые сопровождаются выделением большого количества тепла [1, 2]. Под действием высоких температур на поверхностях инструмента протекают химические реакции. Результатом реакции является образование таких газов, как оксид углерода (СО), диоксид углерода (СО2), углеводороды (СН) и другие [3, 4, 5]. Зависимость концентрации оксида углерода от подачи и частоты вращения шпинделя показана на рисунке 1. Обработка материала производилась сверлом диаметром 6 мм, материал режущей части Р6М5К5 (HSS Со 5 %), период стойкости инструмента, заявленный производителем, Т = 25 мин.

Анализ экспериментальных данных показывает, что с увеличением времени работы инструмента происходит увеличение концентрации оксида углерода. Таким образом, значение критической концентрации оксида углерода будет являться индикатором необходимости замены режущего инструмента.

Информационно-измерительная и управляющая система контроля стойкости режущего инструмента для станков с ЧПУ, показанная на рисунке 2, работает следующим образом. Зонд 3 газоанализатора 4 производит забор газа вблизи зоны резания обрабатываемой детали 1 резцом 2. Цифровой сигнал о величине концентрации СО поступает с выхода газоанализатора на вход микроконтроллера 5 со встроенным микропроцессором, где в случае критического значения концентрации формируется сигнал на замену инструмента. Если оборудование не обладает устройством автоматической смены инструмента, то включается светозвуковая сигнализация для оператора, предупреждающая о необходимости замены инструмента. Если же станок имеет устройство автоматической смены инструмента, то формируется управляющий сигнал для системы ЧПУ станка, и смена происходит автоматически, сигнализи-

руя оператору о том, что произошла замена режущего инструмента дублером.

Наличие информационно-измерительной и управляющей системы контроля стойкости режущего инструмента для станков с ЧПУ на основе метода газового анализа во многих случаях позволяет избежать образования дефектов на обработанной поверхности.

Список литературы

1. Cong W.L., Xiatian Z., Deines T.W. Rotary Ultrasonic Machining of Carbon Fiber Reinforced Plastic Composites: An Experimental Study on Cutting Temperature // Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2012. № 22. Vol. 31. P. 1516-1525.

2. Valavan U. Tool Life Prediction Based on Cutting Forces and Surface Temperature in Edge Trimming of Multidirectional CFRP Composites: Master of Science — 05.03.01. Wichita, 2007. 120 s.

3. Швецов И.В. Диагностирование состояния режущего инструмента на основе газоаналитического отображения процессов механической обработки: диса ... д-ра техн. наук — 05.03.01. Великий Новгород, 2004. 365 c.

4. Никуленков О.В. Повышение эффективности строгальных операций при обработке крупногабаритных деталей на основе оценки состояния газовоздушной среды в зоне резания: диса ... канд. техн. наук. — 05.03.01. Великий Новгород, 2005. 146 с.

5. Афанасьев К.В. Диагностирование зоны резания методами бесконтактного контроля при сверлении углеродсодержащих сплавов: дисс. ... канд. техн. наук — 05.02.07. М., 2012. 183 c.

А тот факт, что забор газа происходит вблизи зоны резания и не требует конструктивного вмешательства в оборудование, говорит об универсальности такой системы.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-50122 мол нр.

References

1. Cong W.L., Xiatian Z., Deines T.W. Rotary Ultrasonic Machining of Carbon Fiber Reinforced Plastic Composites: An Experimental Study on Cutting Temperature // Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2012. № 22. Vol. 31. P. 1516-1525.

2. Valavan U. Tool Life Prediction Based on Cutting Forces and Surface Temperature in Edge Trimming of Multidirectional CFRP Composites: Master of Science — 05.03.01. Wichita, 2007. 120 s.

3. Shvecov I.V. Diagnostirovanie sostojanija rezhushhego instrumenta na osnove gazoanaliticheskogo otobrazhenija processov mehanicheskoj obrabotki: diss. ... d-ra tehn. nauk — 05.03.01. Velikij Novgorod, 2004. 365 s.

4. Nikulenkov O.V. Povyshenie jeffektivnosti strogal'nyh operacij pri obrabotke krupnogabaritnyh detalej na osnove ocenki sostojanija gazovozdushnoj sredy v zone rezanija: diss. ... kand. tehn. nauk — 05.03.01. Velikij Novgorod, 2005. 146 s.

5. Afanas'ev K.V. Diagnostirovanie zony rezanija metodami beskontaktnogo kontrolja pri sverlenii uglerodsoderzhashhih splavov: diss. ... kand. tehn. nauk — 05.02.07. M., 2012. 183 s.