Применение диагностического центра для проведения лабораторных работ и исследования процесса резания с применением ЭВМ

УДК 621.9:621:3

С.А. Мельников, А.Н. Нестеров, P.P. Нургалин, С.А. Щеглов

Пермский государственный технический университет

ПРИМЕНЕНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ЦЕНТРА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ И ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВМ

Доказана целесообразность применения диагностического центра для проведения лабораторных работ и исследования процесса резания с применением ЭВМ, рассмотрено оборудование для измерения.

Технологический прогресс развивается стремительными темпами, объем информации увеличивается в геометрической прогрессии. В связи с этим появилась потребность в создании специализированного оборудования, которое способно создавать, хранить, обрабатывать и выдавать информацию. Появление новых технологий, таких как микропроцессоры и ЭВМ, помогло устранить проблему, связанную с огромным потоком информации. На различных видах производства внедрение новых технологий позволяет соответствовать необходимой быстроте и удобству контроля качества, требуемым свойствам современной продукции. В данной статье рассмотрено применение диагностического центра для проведения лабораторных работ и исследования процесса резания с применением ЭВМ.

До появления ЭВМ не предоставлялась возможность обрабатывать, сравнивать и получать все данные на одном приборе, который бы записывал и хранил полученные результаты, не была разработана инженерная методика, учитывающая геометрию режущего инструмента и обрабатываемой детали в условиях сложного напряженно-деформированного состояния при высоком уровне скоростей деформирования и высоких температурах, которые существенным образом влияют на процесс резания. Большие габариты усилителей и считывающих устройств не позволяли размещать их на производстве и диагностировать технологический процесс непосредственно на производстве. С появлением современных станков с ЧПУ, управляемых современными системами и ЭВМ, представилась возможность косвенной диагностики режимов резания и контроля режущего инструмента непосредственно во время производства. Система ЧПУ, оснащенная системой диагностики, по каналам об-

ратной связи может диагностировать все процессы и явления, происходящие в зоне обработки детали, и производить коррекцию режимов обработки.

С появлением микрокомпьютеров и ноутбуков появилась возможность мобильной диагностики режимов обработки на различных станках и оборудовании производства машиностроения. Модули иББ, имеющие малые габариты, с возможностью обрабатывать до 36 каналов одновременно, облегчили диагностику и контроль многих параметров. Исчезла потребность внедрения в электросхему оборудования - с применением малогабаритных датчиков типа тензорезисторов или их аналогов.

Целью применения диагностического центра является измерение параметров физических явлений в процессе механической обработки для сокращения трудоемкости и материалоемкости выбора режимов резания материалов на этапе технологической подготовки производства, наглядности и демонстрации лабораторных работ по силам и температуре резания с помощью компьютерной диагностики.

Эксперименты проводятся на токарно-винторезном станке при продольном точении образцов. Опыты выполняются по методике классического (однофакторного) эксперимента, т.е. планомерно изменяют один фактор, влияющий на силу и температуру резания, другие факторы оставляют неизменными. В результате выполнения этой части экспериментов получают зависимость силы резания от данного фактора. Затем изменяют другой фактор, остальные, включая и первый, в ходе выполнения экспериментов не меняют. Получают зависимость силы резания от второго фактора и т.д.

Эксперименты выполняются при следующих условиях:

- обрабатываемый материал: сталь 45;

- инструмент - проходной динамометр, оснащенный пластинкой из твердого сплава Т15К6;

- геометрические параметры инструмента: у = 10; а = 8°; а1 = 8°; ф = 45°; ф1 = 45°; X = 0°; гв = 0,5 мм;

- обработка образца производится без охлаждения;

- время сбора данных (включение АЦП) - 15 с.

Эксперименты выполняется в следующем порядке:

1. Проводится резание обрабатываемого материала при последовательно изменяемых по схеме классического эксперимента параметрах режима резания:

а) базовые параметры режима резания: t = 1,5 мм; Б = 0,20 мм/об; п = 200 об/мин;

б) переменные параметры режима резания:

t = 1,0 - 1,5 - 2,0 - 2,5 мм;

Б = 0,14 - 0,16 - 0,24 - 0,3 мм/об; п = 50 - 100 - 200 - 400 об/мин.

На каждом режиме резания после того, как процесс резания установился, производится запись показаний АЦП.

2. Результаты измерений записываются в файл, после всех экспериментов анализируются в отдельном окне программы, а затем при помощи тари-ровочных графиков показания переводятся с кода АЦП в кг • Н и °С.

3. Построение в прямоугольных координатах графиков зависимости касательной составляющей силы резания Рг от глубины резания t.

4. Построение этой зависимости в двойных логарифмических координатах и определение показателя степени ХРг.

5. Аналогичным путем (п.п. 3-4) определяется ¥Рг и ZPz.

6. Определение величины СРг по формуле

СРг = Рг/(1Хр хБТр‘ хГ2р).

Для этого подставим в формулу фактические значения Рг, t, Б. Определим три таких значения и найдем среднее арифметическое.

7. Определение показателей степени ZT, ¥т и Хт по формулам

Т = С1У^,

где Т - температура резания, °С;

С1 - коэффициент, зависящий от условий обработки (обрабатываемого материала, глубины резания, подачи, геометрических элементов режущей части резца, смазочно-охлаждающей жидкости);

ZT - показатель степени, характеризующий интенсивность прироста температуры с увеличением скорости резания. В зависимости от свойств обрабатываемого материала и вида обработки ZT = 0,26-0,72;

Т = С2У¥т ,

где С2 - коэффициент, зависящий от условий обработки;

¥т - показатель степени, характеризующий интенсивность прироста температуры с увеличением подачи. При точении сталей ¥т = 0,20-0,45;

Т = С^Хт

где С3 - коэффициент, зависящий от условий обработки;

Хт - показатель степени, характеризующий интенсивность прироста температуры с увеличением глубины резания, ХТ = 0,03-0,10.

8. Анализ результатов, характера полученных закономерностей.

Рассмотрим оборудование, применяемое в данных исследованиях:

1. «Камертон» - многоканальный анализатор (рис. 1). Возможности прибора:

- определение трещин, полостей и иных несплошностей в элементах различных конструкций (устьевой арматуре нефтяных и газовых скважин, металлоконструкции станков-качалок, роторах электрических машин, высоковольтных изоляторах), а также определение качества сварных и фланцевых соединений элементов конструкций;

- вибродиагностика динамического оборудования (насосов, компрессоров, вентиляторов, турбин и др.);

- диагностика методом ваттметрграфирования редукторов, электродвигателей, насосов, компрессоров, вентиляторов, турбин, глубинных штанговых насосов станков-качалок и др.

Рис. 1. Многоканальный прибор для измерения и анализа вибрации «Камертон»

2. Ш 3000 - стационарный инфракрасный пирометр для бесконтактного измерения температуры неметаллических или окрашенных (анодированных) металлических объектов или металлических объектов с покрытием в диапазоне от 0 до 500 °С (рис. 2).

Рис. 2. Инфракрасный бесконтактный пирометр Ш 3000

3. Электретный микрофон с активным усилителем МКУ-1: полоса частот от 150 Гц до 10 кГц, максимальное расстояние передачи сигнала по проводу диаметром 0,5 мм (не менее) 1000 м, габариты 28*7*7 мм3, чувствительность микрофона на частоте 1000 Г ц (не менее) 7 мВ/Па, диапазон громкости звука 65-105 Дб.

4. Датчик мощности БКМ: переменный ток 5-50 А, переменное напряжение 200-250 В, активная мощность 1000-12 500 Вт.

5. Датчик вибрации ВД03А (рис. 3).

Отклонение осевого коэффициента преобразования при использовании номинального пониженного напряжения питания % - 1

Нижняя рабочая частота Гц - 4

Верхняя рабочая частота Гц 8000 -

Неравномерность осевого коэффициента преобразования в рабочем диапазоне частот дБ - 1

Относительный поперечный коэффициент преобразования % - 5

Верхний уровень измеряемого ускорения 8 30 -

Номинальное напряжение питания В 14,25 15,75

Рис. 3. Датчик вибрации ВД03А

6. Лазерный отметчик «ОЛ-4» (рис. 4): потребляемая мощность - 5 мВт; длина волны - 650 нм.

Рис. 4. Отметчик лазерный «ОЛ-4»

7. Токовые клещи-пробники КЭИ-м (рис. 5).

Характеристика КЭИ-м

Диапазон измеряемых токов, А 0-20, 0-50, 0-100, 0-200, 0-400

Основная приведенная погрешность, не более, % 3

АЧХ в пределах 2 %, не хуже, Гц 0-10 000

Выходной сигнал при нулевом измеряемом токе, В 0,02

Ток потребления в режиме холостого хода, мА 10

Источник питания, В +7 +15

Рис. 5. Токовые клещи-пробники КЭИ-м

Далее проводим обработку данных, полученных в экспериментальных исследованиях (табл. 1).

Таблица 1

Зависимость касательной составляющей силы, температуры резания от элементов режима резания

Номер серии опыта і, мм 5о, ММ/об 1 п, мин V, м/мин К Ру, Н ,Н Р Т, °С

1 1 0,2 200 25,93 37 11,5 9 53

1,5 55 16 16 90

2 70 19 24 90

2,5 85 26 28 140

2 1,5 0,14 200 28,82 30 11 6 55

0,16 52 18 15 85

0,24 53 19 15 80

0,3 54 19 15 80

3 1,5 0,2 50 7,2 51 14 8 20

100 14,4 55 18 9 50

200 28,82 54 20 15 105

400 57,65 52 19 11 150

Выполняем построение в прямоугольных координатах графиков зависимости касательной составляющей силы резания Р2, Ру, Рх (рис. 6, а) и температуры и (рис. 6, б) от глубины резания і.

48,32 АО

tgaр - —г— = 0,8

60

а - 39°

tga р -— - 0,27 6 Р 60

а -15°

21

tgaР -— - 0,35

60

а -19°

tga р

34,25

60

- 0,57

а - 29°

Рис. 6. График зависимости: а - касательной составляющей силы резания Р2, Ру, Рх от глубины резания б - касательной составляющей температуры резания

от глубины резания t

X

24

tgaр --------- 0,55

р 47,5

a - 33°

tgaр - - 0,17

Ру 47,5

a -12° tgaрх - 989 - 0,2

47,5

a -14°

т °с

12,92

48

- 0,27

a -15°

Рис. 7. График зависимости: а - касательной составляющей силы резания Р2, Ру, Рх от подачи 5 при точении; б - касательной составляющей температуры резания

от подачи 5 при точении

т°с

/ 68, 77

7

7 \%-

\'

и 1д 2І зі ¡1 50 бо

м/мин

п2 - tga2 - 65 - 0,95

68,11

а - 44°

11

tgaPZ ----------- 0,1

а - 5°

109,2

6

tgaР ---------- -0,05

109,2

а - 3

tga р

7,48

109,2

- 0,06

а - 4°

Рис. 8. График зависимости: а - касательной составляющей температуры резания от скорости резания V; б - касательной составляющей силы резания Р2, Ру, Рх

от скорости резания V

Расчет касательной составляющей силы резания производится по фор-

муле

X У 7

Рг,у,х =< Срігх > общ • і Р7'УЛ • 8Р7-У-х •V Р7-У-х

Р7 - 52 • 20,93 • 1,040,88 • 187,5-0,036 - 52 • 1,9 • 1,03 • 0,82 - 83,4 Н.

Ру -15,9 • 20,65 • 1,040,24 -187,5-0,016 -15,9 -1,5 • 1 • 0,91 - 21,7 Н.

Рх -14,25 • 20,4 -1,040,29 -187,5-0,018 -14,25-1,3-1,01-0,91 -17 Н. Зависимость температуры резания от скорости резания:

Т = С^2Т,

Т = 21,9-37,750’55 = 161,3 °С,

где Т - температура резания, °С;

С1 - коэффициент, зависящий от условий обработки (обрабатываемого материала, глубины резания, подачи, геометрических элементов режущей части резца, смазочно-охлаждающей жидкости;

Хт - показатель степени, характеризующий интенсивность прироста температуры с увеличением скорости резания. В зависимости от свойств обрабатываемого материала и вида обработки Хт = 0,26-0,72.

Зависимость температуры резания от подачи:

Т = С2-5уТ,

Т = 21,9-0,740’62 = 18,1 °С,

где С2 - коэффициент, зависящий от условий обработки;

уТ - показатель степени, характеризующий интенсивность прироста температуры с увеличением подачи. При точении сталей Ут = 0,20-0,45. Зависимость температуры резания от глубины резания:

Т - С3 • ^т Т - 21,9 • 20,22 - 25,4 °С,

где С3 - коэффициент, зависящий от условий обработки;

ХТ - показатель степени, характеризующий интенсивность прироста температуры с увеличением глубины резания, ХТ = 0,03-0,10.

На основании результатов сделаем следующие выводы, касающиеся сил резания:

- при увеличении глубины резания t соответственно увеличивается площадь срезаемого слоя (/= t • 50) и объем деформируемого материала, при увеличении подачи также увеличивается площадь срезаемого слоя, аппроксимированная зависимость представлена на рис. 7, а;

- замедление роста Р2, Ру, Рх при увеличении подачи объясняется тем, что при увеличении подачи соответственно увеличивается толщина среза;

- известно, что с увеличением толщины среза уменьшается деформация в зоне резания, о чем свидетельствует снижение коэффициента укорочения К£ (см. рис. 7, а). Это и приводит к замедлению роста Р2, Ру, Рх.

Выводы, касающиеся температуры резания:

- с ростом скорости резания увеличивается количество выделяющейся теплоты. При этом возрастает и температура резания, так как условия теплоотвода остаются практически неизменными. Однако прирост температуры отстает от увеличения скорости резания (рис. 8, а).

- с увеличением подачи возрастает составляющая силы резания Рг и, следовательно, количество выделяющейся теплоты. Но составляющая силы резания Рг возрастает в меньшей степени, чем увеличивается подача, и поэтому прирост тепла отстает от роста подачи. При этом центр давления стружки на резец отдаляется от режущей кромки и увеличивается площадь соприкосновения стружки с резцом (рис. 7, б), поэтому улучшаются условия теплоотвода;

- экспериментальные данные, полученные на сконструированном стенде компьютерной диагностики с использованием АЦП, подтверждаются как теоретическими, так и расчетными методами определения сил и температуры резания.

Получено 20.05.2010