Использование метода фазовых диаграмм при оценке динамических процессов при механической обработке

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621.9:531.1

Б.М. Бржозовский, И.Н. Янкин ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ФАЗОВЫХ ДИАГРАММ ПРИ ОЦЕНКЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Рассмотрено использование способа фазовых диаграмм, получаемых по сигналу колебательного процесса из зоны резания, для оценки динамики резания и поиска оптимальных режимов обработки на металлорежущих станках по критерию минимизации детерминированной вибрации

Процесс резания, спектр колебаний, фазовая диаграмма, оптимальный режим обработки

B.M. Brzhozovskiy, I.N. Yankin THE PHASE DIAGRAM METHOD FOR MONITORING DYNAMICS OF MACHINING

The article considers the method of phase diagram designed by means of the swaying process signal in the cutting area. The method is used to estimate the cutting dynamics and find the optimum modes of treatment utilizing metal-cutting machine-tools by means of minimization of determined vibration criterion.

Cutting process, spectrum of vibrations, phase diagram, optimum mode of treatment

Процесс резания на металлорежущих станках протекает в условиях интенсивного упругопластического деформирования обрабатываемого материала, что оказывает значительное возмущающее воздействие на упругую систему станка. Следствием такого возмущения является образование колебаний формообразующих подсистем станка. Колебания протекают непосредственно в зоне формообразования поверхности, поэтому их влияние на формирование как точности формы, так и мик-рогеометрических параметров обрабатываемой поверхности оказывается значимым.

В зависимости от соотношения между параметрами возмущения и динамическими характеристиками станка в колебательном процессе могут преобладать стохастические или детерминированные составляющие. Проявление детерминированных составляющих является сигналом к тому, что динамическая система переходит в неустойчивую область. В таких условиях процесс резания теряет стабильность, что является причиной снижения точности и ухудшения качества обработанных поверхностей. Поэтому соотношение случайных и детерминированных составляющих в колебательном процессе, сопровождающем резание, может являться критерием выявления нежелательных тенденций в процессе обработки и использоваться для корректировки условий резания.

Детерминированная вибрация может проявляться в виде развитии уровня колебаний. Поэтому для ее выявления могут быть использованы два простых способа:

—отслеживание действующего значения или общего уровня колебаний;

—фиксирование уровня колебаний на собственных частотах станка.

Оба способа имеют существенные недостатки.

Недостатком первого способа является то, что общий уровень колебаний может меняться при переходе от одного режима обработки к другому. Однако это изменение не всегда связано с ростом уровня детерминированной вибрации и может являться следствием роста случайной составляющей колебаний, что зачастую благоприятно сказывается на процессе резания, поскольку оказывает положительное влияние на снижение уровня сил трения на режущих элементах инструмента.

Второй способ оказывается более корректным. Измерение и отслеживание уровня сигнала с использованием узкополосных фильтрующих элементов, настроенных на собственные частоты станка, может давать весьма положительный результат. Однако основной недостаток этого способа связан с тем, что собственные частоты и собственные формы колебаний динамической системы станка имеют существенную связь с упругодиссипативными характеристиками процесса резания, которые, в свою очередь, зависят от множества факторов обработки. В частности, на упругодиссипативные характеристики процесса резания оказывают влияние такие факторы, как геометрия инструмента, состояние его режущих свойств, режим обработки, состав смазочно-охлаждающей жидкости и многие другие факторы. Зависимость собственных частот станка от условий обработки существенно снижает достоверность указанного способа.

В этой связи выделение детерминированной вибрации целесообразно осуществлять по способу фазовых диаграмм [1]. В основе данного способа лежат следующие этапы:

- регистрация порции сигнала;

—преобразование порции сигнала в спектр смещения и скорости;

- расчет коэффициента корреляции кривых, описывающих спектры смещения и скорости при изменении уровня фильтрации;

—расчет коэффициента детерминированной составляющей.

В качестве примера рассмотрим реализацию способа фазовых диаграмм для условий точения и растачивания отверстия на одном и том же токарном станке.

На рис. 1 показаны фрагменты алгоритма выделения неслучайной составляющей в порции сигнала колебания на операции точения. В левой части помещены макет сигнала акселерометра, спектры сигналов скорости V и смещения 8, рассчитанные в диапазоне частот 0,1-5 кГц. В правой части рисунка расположена фазовая диаграмма в системе «смещение 8 - скорость V». Коэффициент детерминированной составляющей на операции точения определен на уровне Кд=0,64.

Сигнал пьезодатчика Коэффициент фильтра 0.36

Коэффициент корреляции спектров скорости и смещения 0.97

Фазовая диаграмма

Рис. 1. Фазовая диаграмма порции сигнала при точении

Аналогичный алгоритм применен для порции сигнала на операции растачивания, информация о котором представлена на рис. 2.

Сигнал пьезодатчика

Спек т р СИ гнал 1„. ь С К 0 ост || И V

Спек Т р СИ гнал а с м е щ е н ія 5

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Рис. 2. Фазовая диаграмма порции сигнала при растачивании

При растачивании коэффициент детерминированной составляющей достигает уровня Кд=0,97. Как видно, при обработке на одном и том же станке разными инструментами наблюдается существенное изме-

107

нение структуры колебательного процесса. Такое различие при точении и растачивании объясняется существенным изменением характеристик динамической системы резания. При точении неслучайные формы колебаний проявляются в диапазоне частот 2,25-2,6 кГц, а при растачивании система резания имеет высокую склонность к образованию детерминированной вибрации на частоте 1,1 кГц, о чем свидетельствуют высокая плотность и степень повторяемости траекторий фазовой диаграммы.

Рассмотрим еще один пример использования способа фазовых диаграмм на операции точения для поиска оптимального режима обработки. С этой целью выполнен эксперимент путем обтачивания детали при варьировании частоты вращения шпинделя от 125 до 800 мин-1, варьировании продольной подачи от 0,07 до 0,14 мм/об при глубинах резания 1 и 2 мм. Число вариантов обработки n=6V-4S-2T=48. При резании осуществлялась регистрация сигнала колебаний с пьезоэлектрических датчиков, установленных на суппорте станка, с последующей оцифровкой и обработкой сигнала по специальным алгоритмам.

На рис. 3 приведены результаты обработки сигналов колебаний. Доля детерминированной составляющей представлена коэффициентом Кд, который рассчитывался по двадцати реализациям колебаний с периодическим движением начала отсчета по файлу колебаний и последующей статистической обработкой. Как видно, соотношение стохастических и детерминированных составляющих в колебательном процессе находится под влиянием частоты вращения шпинделя. Причем, если при глубине резания t=1 мм (рис. 3а) наблюдается значительный разброс форм кривых 1-4, отражающих влияние частоты вращения шпинделя на Кд при изменении продольной подачи от 0,07 до 0,14 мм/об, то при глубине резания t=2 мм между подобными кривыми отмечается высокая корреляция (рис. 3б). Экстремальное значение частоты вращения шпинделя составляет 400 мин-1, при которой в колебательном процессе возрастает доля детерминированных составляющих и на которой нерационально вести обработку. С другой стороны, если необходимо минимизировать детерминированную вибрацию, то частоты вращения 630 и 200 мин-1 являются наиболее предпочтительными.

Рис. 3. Влияние режима обработки на структуру колебательного процесса при глубине резания 1=1 мм (а) и 1=2мм (б):

1 - 8Пр=0,07 мм/об; 2 - 8Пр=0,084 мм/об; 3 - Эпр=0,11 мм/об; 4 - 8Пр=0,14 мм/об;

5 - усредненная кривая по четырем подачам

Таким образом, качество процесса резания можно оценивать по характеристикам возбуждаемых им колебаний. Одной их наиболее информативных характеристик является соотношение случайных и неслучайных составляющих. Метод фазовых диаграмм можно использовать для поиска оптимальных режимов обработки по критерию минимизации детерминированной вибрации, в системах диагностирования технологического оборудования в качестве источника информации о состоянии рабочих процессов и в других технических системах, где требуется высокая информативность о протекающих в них динамических процессах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бржозовский Б.М. Извлечение полезной информации из сигнала колебательного процесса при механической обработке / Б.М. Бржозовский, И.Н. Янкин, Д.А. Хайров // Ученые записки КНАГТУ. Науки о природе и технике. 2012. № 1-1(9). С. 65-70.

Бржозовский Борис Максович -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Янкин Игорь Николаевич -

доктор технических наук, профессор кафедры «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино-и приборостроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Boris M. Brzhozovskiy-

Dr.Sc., Professor

Department of Construction and Computer Design of Fabrication Systems for Machine and Instrument Engineering

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Igor N. Yankin-

Dr. Sc., Professor

Department of Construction and Computer Design of Fabrication Systems for Machine and Instrument Engineering

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

в редакцию 15.03.13, принята к опубликованию 20.05.13

Статья поступила