Практическое применение диагностических возможностей современных многоцелевых станков

ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ

УДК 621.9.08

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОВРЕМЕННЫХ МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКОВ

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

Рассмотрены системы контроля износа режущего инструмента в процессе обработки. Показано, что для мониторинга износа режущего инструмента целесообразно использовать встроенную функцию контроля нагрузки на привод. Представлены описание и функциональная схема типовой системы самодиагностики встраиваемой в современные системы ЧПУ. Приведены результаты её использования в условиях реального производства. Для рассмотренных условий обработки было установлено, что критерием отказа режущего инструмента является увеличение радиуса при вершине резца более чем на 0,08 мм, что соответствует увеличению нагрузки на шпиндель на 12 % по сравнению с обработкой новым инструментом.

Ключевые слова: стойкость инструмента, нагрузка на привод, режимы резания, сила резания, мощность, надежность инструмента.

Развитие и совершенствование технологий металлообработки неразрывно связано с использованием многоцелевых станков (МЦС). Их эффективное использование невозможно без обеспечения стабильного процесса резания, который оценивается комплексно по следующим критериям: точность, качество обработанной поверхности, надежность работы режущего инструмента, которая, как правило, зависит от фактической стойкости. Современные научные работы исследуют различные факторы, влияющие на полученные в процессе резания результаты, например, геометрическую точность станков [1-4], способы крепления заготовок [5, 6], геометрию режущего инструмента [7, 8], но, как правило, при этом износ режущих инструментов в процессе резания не учитывается, а геометрия режущего инструмента считается постоянной.

Учет влияния износа режущего инструмента на точность и качество обработанной поверхности и определение фактической стойкости инструмента и законов её изменения является актуальной задачей, решение которой позволяет повысить эффективность обработки на МЦС [9, 10]. Имеющиеся в настоящее время методики расчета режимов резания обеспечивают надежность процесса резания путем занижения скорости резания и преждевременной замены режущего инструмента [10, 11]. Это позволяет обеспечить стабильную стойкость инструмента, но приводит к снижению производительность обработки. С экономической точки зрения занижение скорости резания приводит к снижению затрат на режущий инструмент и брак, но увеличивает расходы связанные с ростом длительности производственного цикла. Современные производственные условия требуют внедрения прогрессивных технологий обработки, реализация которых ведет к увеличению скорости резания, и более полного использования стойкост-

ных ресурсов режущего инструмента что увеличивает вероятность брака вызванного поломкой инструмента. Его сокращение без потери производительности может быть достигнуто только при постоянном контроле износа инструмента в процессе резания [11].

В настоящее время на рынке металлорежущего оборудования в качестве дополнительной опции широко представлены различные системы, предназначенные для контроля износа инструмента в процессе обработки, например [11-13]. Принцип работы большинства таких систем строится на замере силы резания. Несмотря на ряд известных преимуществ использования таких систем существенно увеличивает стоимость станка, усложняет его техническое обслуживание и как следствие возрастает себестоимость готовой продукции.

Современные системы ЧПУ имеют ряд встроенных систем диагностики станка, которые позволяют отслеживать следующие параметры: число оборотов шпинделя, нагрузку на приводах подач и их скорости, изменения крутящего момента, силы тока, температуры нагрева сервомоторов и опор шпиндельного узла [14]. Конструктивно предусмотрены два типа функций диагностики. Первый тип - диагностика однократного действия. Она применяется для регулировки сервомоторов и мотора шпинделя при пуско-наладочных работах для контроля крутящего момента, фактической скорости, запрограммированного максимального тока двигателей для каждой оси, фактической скорости и нагрузки на шпиндель, ошибок сервосистемы. Рассматриваемая функция отображает в графическом виде любые изменения в перечисленных параметрах без их сохранения в памяти. При втором типе диагностики система ЧПУ хранит в памяти любые изменения перечисленных выше параметров и в случае возникновения сигнала тревоги, например, относящегося к сервосистеме, отображает в графическом виде сохраненные данные о крутящем моменте, скорости, токе и изменении температуры. Кроме этого в памяти хранятся ошибки позиционного отклонения в сервосистеме и фактические скорости перемещения по осям, крутящий момент или нагрузка на шпинделе и приводах подач.

Для мониторинга износа режущего инструмента целесообразно использовать встроенную функцию контроля нагрузки на привод, работающую по второму типу. Она в режиме реального времени отображает нагрузку на приводах подач и шпинделе станка, фактическое число оборотов и минутную подачу.

Физическая сущность данного контроля заключается в том, что изменение нагрузки на приводах приводит к изменению силы тока. В процессе резания режущему инструменту приходится преодолевать сопротивление для снятия металла с поверхности заготовки. Из-за износа режущего инструмента изменяется его геометрия, что приводит к увеличению силы резания. Это влечет за собой возрастание мощности резания [15, 16]. Вследствие этого увеличивается нагрузка на асинхронный двигатель станка, и сила тока статора возрастает. Установленный в станке датчик тока фиксирует его изменения и передаёт значение в вычислительную систему ЧПУ. На рис. 1 представлена функциональная схема замера нагрузки на привод.

Система ЧПУ на основе специального математического пакета производит перевод замеров в процентное соотношение, которое выводится на экран в режиме реального времени в интервале от 0 до 200 %. Указанный диапазон производители оборудования условно разделяют на три поддиапазона: от 0 до 100 % - нормальный режим работы, от 101 до 150 % -кратковременный режим работы и от 151 до 200 % - срабатывание защиты [14].

Производители систем ЧПУ позволяют пользователям запрограммировать максимальное значение тока для привода шпинделя или привода подачи, исходя из опытных данных или конкретных производственных условий, при превышении, которого выдается сигнал тревоги. Например, это реализовано в системах ЧПУ FANUC Series 16i/160i/160is-MB и последующих серий [14].

Шпиндель -

u \ Датчик тока СЧПУ

Рис. 1. Функциональная схема замера нагрузки на приводах

С целью проверки выдвинутых теоретических положений о возможности контроля износа инструмента по току, потребляемому приводом главного движения, были проведены экспериментальные замеры нагрузки на шпиндель в условиях действующего производства на серийно изготавливаемой детали. Для их проведения был выбран вертикально-фрезерный обрабатывающий центр VMC-600 и обрабатываемая на нем деталь типа «Рамка». Её обработка заключается в чистовом фрезеровании плоскости сборной семизубой торцевой фрезой 080 мм.

Обработка деталей была проведена при следующих условиях:

- материал обрабатываемой заготовки сталь 30ХГСА твердостью 36-40HRC;

- режущий инструмент: сборная торцевая фреза фирмы SECO R220.69-0080-12-7AN, 080, число зубьев 7, пластины фирмы SECO X0MX120416TR-ME08, F40M;

- режимы резания: скорость резания 252 м/мин, минутная подача 300 мм/мин, глубина резания 0,8 мм;

- контролируемые параметры: изменение силы тока в двигателе, геометрические параметры режущей пластины (фактическое значение радиуса до начала обработки и после), шероховатость получаемой поверхности и время обработки.

Перед началом обработки на координатно-измерительной машине Werth с помощью оптической системы был проведен замер фактического значения радиуса R1,6 мм на режущих пластинах. Его результаты представлены в табл. 1. Режущая пластина X0MX120416TR-ME08 имеет две режущие кромки, поэтому для каждой пластины они были пронумерованы порядковыми номерами №1 и №2 соответственно. Коэффициент вариации для радиуса при вершине режущей пластины составил 0,02 %, что свидетельствует о высокой точности их изготовления.

Таблица 1

Результаты замера радиуса режущей кромки пластин XOMX120416TR-ME08

Порядковый номер пластины Результаты замера режущей кромки, мм Порядковый номер пластины Результаты замера режущей кромки, мм

№1 №2 №1 №2

Пластина №1 1,6010 1,6012 Пластина №6 1,6015 1,6003

Пластина №3 1,6009 1,6007 Пластина №7 1,6015 1,6007

Пластина №4 1,6014 1,6013 Пластина №9 1,6010 1,6013

Пластина №5 1,6011 1,6008 Пластина №10 1,6009 1,6014

В соответствии с известными рекомендациями по сбору и обработке экспериментальных данных каждый замер 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 далее производился замер нагрузки при заданных режимах обработки.

При назначении параметров обработки были оставлены режимы резания, на которых обрабатывается деталь в производстве. Это обусловлено тем, что в процессе серийного изготовления скорость резания и подача были подобраны таким образом, что время обработки обеспечивает равномерную загрузку станка. При указанных выше режимах резания средняя действительная стойкость инструмента составляет 145-150 мин. Обоснованием для замены режущей пластины служил её визуальный осмотр оператором, а также ухудшение качества получаемой поверхности.

В чертеже на обрабатываемую деталь заложена шероховатость обрабатываемой поверхности Яа 3,2. Её замер на ранее обработанных деталях показал, что фактически она составляет 0,28 ...0,31 мкм.

Для выявления постоянной составляющей нагрузки на шпиндель, обусловленной поддержанием заданной частоты вращения был выполнен её замер на холостых ходах. Результаты замера показали, что при частоте вращения 1000 об/мин нагрузка составляет 4 %. В табл. 2 представлены результаты замера нагрузки, на шпиндель полученные при обработке партии деталей.

Таблица2

Результаты измерения нагрузки на шпиндель, полученные при обработке первой партии деталей

Замер нагрузки на шпиндель, %

« сЗ „ 5: № замера

к ч Н <и к к а со и X а К д 5! £ ч о х С к § -5 Шероховатость поверхности, мк

£ 8 а о и о и ^ н £ Еу к 1 2 3 4 5

1 252 300 0,26 12% 11% 12% 12% 12%

2 252 300 0,26 10% 12% 11% 10% 10%

3 252 300 0,26 11% 10% 11% 12% 10%

4 252 300 0,25 12% 10% 10% 10% 10%

5 252 300 0,25 12% 10% 10% 10% 10%

6 252 300 0,27 14% 13% 13% 14% 13%

7 252 300 0,26 14% 13% 13% 14% 13%

8 252 300 0,27 13% 13% 13% 13% 13%

9 252 300 0,27 14% 13% 14% 14% 13%

10 252 300 0,27 14% 14% 14% 14% 14%

После обработки партии деталей состоящей из 10-ти штук был проведен замер радиуса режущей кромки у пластин. Результаты показали, что его среднее значение составляет 1,627 мм. Машинное время обработки одной детали составляет 14 мин. Визуальный осмотр пластин проработавших 140 мин. показал, что на них наблюдается равномерный износ задней поверхности. Замер шероховатости обработанной поверхности показал её значение равное 0,27 мкм. Таким образом, по результатам обработки первой партии деталей было установлено, что ресурс режущего инструмента использован не полностью, а, следовательно, зависимость изменения нагрузки от износа инструмента до конца не определена. С целью её определения пластинами, отработавшими 140 мин., была обработана вторая партия деталей. После обработки каждой детали дополнительно к замеру шероховатости обработанной поверхности производился замер радиуса режущей кромки инструмента. Результаты представлены в табл. 3 и для наглядности приведены в графическом виде на рис. 2.

Таблица 3

Результаты измерения нагрузки на шпиндель полученные при обработке второй партии деталей

№ детали Скорость резания, м/мин. Минутная подача, мм/мин Шероховатость поверхности, мкм Среднее значение радиуса режущей кромки, мм Замер нагрузки на шпиндель, %

№ замера

1 2 3 4 5

11 252 300 0,278 1,630 15% 15% 13% 14% 14%

12 252 300 0,28 1,634 14% 15% 14% 15% 15%

13 252 300 0,281 1,644 17% 17% 18% 17% 17%

14 252 300 0,283 1,66 18% 19% 19% 19% 18%

15 252 300 0,28 1,67 20% 20% 20% 20% 20%

16 252 300 0,29 1,677 22% 23% 22% 23% 25%

17 252 300 0,31 1,68 26% 24% 24% 27% 26%

18 252 300 0,324 1,681 27% 27% 28% 30% 28%

19 252 300 0,323 1,685 28% 29% 29% 29% 26%

20 252 300 0,323 1,732 33% 32% 33% 32% 35%

0,35 0,3

К 0,25

0 я

ё 3

1 £

а £ од

i

/:

/ * —  / • i i

/ /, * У

/ / Г*'

/ / — — .

- *

1,74

1,72

§

§

1,7 s§

§

1,68 о &

эК

1,66 1

а

1,64 о Он

о &

1,62

рц

1,6

1,58

0,05 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

№ детали

-Шероховатость--Нагрузка на шпиндель - - - Радиус режущей кромки

Рис. 2. Зависимость нагрузки на шпиндель, шероховатости обработанной поверхности и радиуса при вершине сменных пластин от числа обработанных

деталей

Контроль износа режущей пластины показал, что при обработке деталей под порядковыми номерами с №11 по №15 наблюдается равномерный износ задней поверхности, но на режущих кромках стали образовываться микротрещины. На 170 минуте работы или при обработке 16-ой детали на пластинах появилось надрезное изнашивание главной режущей кромки. Это было зафиксировано колебаниями нагрузки на приводе шпинделя и резким снижением качества получаемой поверхности. На обработанной поверхности были участки длиной от 5 до 12 мм с высотой микронеровностей до 0,332 мкм. В интервале времени работы от 185 до 200 мин. на режущей пластине

стали образовываться усталостные трещины и выкрашивание режущей кромки. Это послужило причиной ухудшения качества обрабатываемой поверхности и росту нагрузки. При радиусе режущей кромки равном 1,732 мм. произошло разрушение пластины.

Экспериментальные исследования подтвердили теоретические предположения

0 возможности использования колебаний нагрузки на шпинделе для контроля износа режущего инструмента. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что колебания нагрузки от 10% до 12%, при обработке деталей с порядковыми номерами с №1 по №3 вызвано приработкой режущего инструмента. Обработка деталей под порядковыми номерами с №4 по №16 характеризуется равномерным износом режущей кромки инструмента. Рост нагрузки на привод шпинделя вызван увеличением радиуса инструмента и как следствие увеличением силы резания.

Неравномерность износа режущих кромок пластин, прерывистость процесса резания, приводят к увеличению динамических нагрузок в процессе обработки, что выражается в выкрашивание режущей кромки инструмента. Появление указанного типа износа инструмента был зафиксирован системой ЧПУ. Он проявился при обработке деталей под номерами с №17 по №20 в виде колебаний нагрузки на шпинделе и её резкому увеличению.

Замер фактического радиуса режущей кромки инструмента и сопоставление его значения с изменениями нагрузки на шпинделе позволяют определить степень износа инструмента. Так для рассмотренных условий обработки экспериментальным путем было установлено, что увеличение радиуса в интервале 0,02 мм до 0,07 мм соответствует нормальному износу инструмента, а более 0,08 - критическому.

Список литературы

1. Аникеева О.В., Ивахненко А.Г. Влияние геометрических погрешностей вертикально-фрезерного станка на точность обрабатываемого дна шпоночного паза // Качество в производственных и социально-экономических системах. Сборник научных трудов 6-й Международной научно-технической конференции. В 2-х томах. Ответственный редактор Е.В. Павлов. Курск: ЗАО "Университетская книга", 2018. С. 22-26.

2. Аникеева О.В., Ивахненко А.Г., Крюков Д.Н. Влияние параметров геометрической точности станков на отклонения расположения обработанных поверхностей [Электронный ресурс] // Интернет-журнал Науковедение. 2017. Т. 9. № 1. URL: http://naukovedenie.ru/PDF/52TVN117.pdf (дата обращения 10.10.2018).

3. Безъязычный В.Ф., Чумак П.В. Определение погрешности обработки, обусловленной жесткостью ползуна токарно-карусельных станков // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. 2018. №

1 (44). С. 85-90.

4. Ивахненко А.Г., Куц В. В. Предпроектные исследования металлорежущих систем. Курск: Юго-Западный государственный университет, 2013. 188 с.

5. Прогрессивные технологии совместного повышения точности и производительности обработки сквозных отверстий длинных тонкостенных деталей / В. А. Гречишников, В.В. Куц, И.В. Ванин, М.С. Разумов, А.Н. Гречухин // Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении. Сборник научных статей 3-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Ответственный редактор А.А. Горохов. Курск: ЗАО "Университетская книга", 2018. С. 64-67.

6. Исследование особенностей формирования погрешности обработки при планетарном формообразовании отверстий длинных тонкостенных деталей / В.А. Гречишников, В.В. Куц, И.В. Ванин, М.С. Разумов, А.Н. Гречухин // Современные материалы, техника и технологии. 2018. № 1 (16). С. 11-15.

7. Исследование погрешности профиля обработанного вала охватывающей фрезой с радиальной конструктивной подачей / А.В. Исаев, В.В. Куц, М.А. Сидорова, М.С. Разумов, А.Н. Гречухин // Современные материалы, техника и технологии. 2018. № 2 (17). С. 42-48.

8. Хандожко А.В., Агафонов В.В. Влияние режущих инструментов и станков на формирование качества поверхностных слоев деталей машин // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2012. № 9 (15). С. 11-13.

9. Анцев А.В. Управление надежностью режущего инструмента с учетом фактора случайности процесса резания // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2018. № 4-2 (330). С. 90-102.

10. Анцев А.В. Повышение эффективности обработки резанием на станках с числовым программным управлением // Современные инновации в науке и технике. Сборник научных трудов 4-й Международной научно-практической конференции: В 4-х т. Ответственный редактор Горохов А.А. Курск: ЗАО "Университетская книга", 2014. С. 68-71.

11. Анцев А.В., Данг Х.Ч. Прогнозирование периода стойкости режущего инструмента на основе контроля вибрации в процессе фрезерования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 7. C. 3 - 11.

12. Разработка динамометрической системы для измерения силы резания при точении / В.Ф. Безъязычный, А.В. Кордюков, М.В. Тимофеев, Р.Н. Фоменко // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. 2014. Т. 2. № 1 (19). С. 171-176.

13. Мартинов Г. М., Григорьев А. С. Диагностирование режущих инструментов и прогнозирование их остаточной стойкости на станках с ЧПУ в процессе обработки // СТИН. 2012. № 12. С. 23-27.

14. Руководство по эксплуатации систем FANUC Ш-ТВ, FANUC Ш-ТВ, FANUC 1601-ТВ, FANUC 1801-ТВ. 2011. 915 с.

15. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов: учеб пособие. М.: Машиностроение, 1975. 344 с.

16. Рубинштейн С.А., Левант Г.В., Тарасевич Ю.С. Основы учения о резании металлов и режущий инструмент. М.: Машиностроение, 1968. 392 с.

Сальников Владимир Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, a.antsev@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

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

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

PRACTICAL APPLICATION OF DIAGNOSTIC CAPABILITIES OF MODERN MACHINING CENTER

V.S. Salnikov, V.V. Zhmurin, A.V. Antsev

The article describes the control system of wear of the cutting tool during machining. It is shown that to monitor the wear of the cutting tool, it is advisable to use the built-in function to control the load on the drive. A description and functional diagram of a typical self-diagnostic system embedded in modern CNC systems is presented. The results of its use in

real production conditions are given. For the considered machining conditions, it was found that the criterion for the failure of the cutting tool is an increase in the radius at the tip of the tool by more than 0.08 mm, which corresponds to an increase in the load on the spindle by 12% compared with the machining by the new tool.

Key words: tool life, drive load, cutting conditions, cutting force, power, tool reliability.

Salnikov Vladimir Sergevich, doctor of technical science, professor, Russia, Tula, Tula State University,

Zhmurin Vladimir Viktorovich, candidate of technical science, engineer-technologist, Vladimir zhmurinamail.ru, Russia, Tula, public corporation "Sheglovskiy val",

Antsev Alexander Vitalyievich, candidate of technical science, docent, a.antsevayandex.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.7

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ЕДИНИЧНОГО СЛОЯ ПРИ АДДИТИВНОМ ФОРМООБРАЗОВАНИИ ИЗДЕЛИЙ

А.Н. Гречухин, В.В. Куц, М.С. Разумов

Рассмотрены вопросы исследования точности формирования поверхностного слоя аддитивными методами. Проведен анализ трудов по теме исследований. Выявлено, что формообразование поверхностей сложного профиля аддитивными методами характеризуется высокими значениями величины погрешности формообразования (аппроксимации). Предложено для повышения точностных характеристик изделий, получаемых аддитивными методами, осуществлять пространственную ориентацию единичного слоя таким образом, чтобы величина погрешности формообразования была минимальной. Проведены экспериментальные исследования, в результате которых предложены математические зависимости для определения величины параметров единичного наплавляемого слоя.

Ключевые слова: аддитивные технологии, послойный синтез, формообразование, погрешность.

Аддитивные технологии в настоящее время заменили традиционные подходы к проектированию и изготовлению сложнопрофильных деталей различного назначения. Однако геометрические характеристики деталей, получаемых аддитивными методами, не являются идентичными характеристикам деталей, получаемых субтрактивными методами [1]. Дело в том, что формообразование аддитивными методами характеризуется высокими значениями величины статической составляющей погрешности обработки -погрешности формообразования (аппроксимации). Это связано с тем, что формирование поверхностного слоя элементов сложной формы происходит построчно, профиль поверхностного слоя образуется в результате аппроксимации сложнопрофильной поверхности участками поперечного сечения единичного наплавляемого слоя. Снижение погрешности формообразования (аппроксимации) при формообразовании аддитивными методами является актуальной задачей.