Исследование особенностей виброакустического сигнала при точении природного камня твердосплавным инструментом Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

----------------------------------------------- © Л.П. Ивлева, 2008

УДК 53

Л.П. Ивлева

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ПРИ ТОЧЕНИИ ПРИРОДНОГО КАМНЯ ТВЕРДОСПЛАВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

Приведены результаты исследования обработки мрамора твердосплавным инструментом. Даны рекомендации по созданию методики виброакустической диагностики обработки природного камня.

Семинар № 21

Для обеспечения качества обработанной поверхности, т.е. определенных значений шероховатости и волнистости, необходимо отслеживать состояние режущего инструмента: его износ и поломку. С этой целью используются различные диагностические методы. В этой статье рассмотрено применение виброакустической (ВА) диагностики для выявления износа инструмента в процессе лезвийной обработки природного камня. Приведены закономерности изменения ВА сигнала, шероховатости и размеров стружки при изнашивании инструмента, обрабатывающего белый ко-елгинский мрамор. Дан ряд рекомендаций по формированию методики ВА диагностики в рамках камнеобработки.

В данной работе рассматривается износ инструмента по задней грани, характеризующийся параметром Ьз. При точении использована новая (острая) и искусственно затупленная на величину Ьз = 2 мм пластина из сверхпрочного сплава Т15Л6. В ходе изучения влияния состояния режущего инструмента на изменение ВА сигнала и качества полученной поверхности исследовались промежуточные значения износа, но данные по ним здесь не рассматриваются как мало информативные и требующие дополнительного уточнения.

Обработка хрупких неоднородных материалов, к которым относится природный камень, имеет принципиальные отличия от металлообработки, по которой накоплен большой объем теоретических знаний.

Процесс разрушения мрамора лезвийным инструментом сводится образованию под воздействием участка передней поверхности резца, расположенной непосредственно у режущей кромки, образуется система трещин, распределяющихся в направлении движения резания (рис. 1). На этом этапе стружкооб-разования происходит непрерывное повышение силы резания, обеспечивающее развитие ведущей равномерноподвижной трещины 1. Оно продолжается до тех пор, пока решающее значение в формировании элемента стружки не начнут приобретать напряжения изгиба, которые вызывают быстрое падение силы резания, вследствие отделения элемента стружки по поверхности 2. На этом заканчивается первый основной этап стружкообразования. На втором этапе происходит зачистка поверхности резания 3; он характеризуется отделением мелких элементов по той же схеме. На ряде участков поверхности резания этот этап отсутствует вследствие развития основной трещины ниже поверхно-

сти резания 3. Таким образом, процесс стружкообразования хрупких материалов определяется явлениями хруп-кого отрыва, обусловленными периодическим процессом развития опережающей трещины; в этом случае работа стружкообразования пропорцио-нальна поверхности разрушения [1].

Стружка, полученная при резании, имеет форму разрозненных чешуек. Их размеры варьируются. Так установлено, что при обработке острой твердосплавной пластиной получена стружка надлома с частицами размером 1-3 мкм, тупой - размером 6-12 мкм, причем количество более крупных фракций в общей массе стружки больше при работе затупленным инструментом.

На рис. 2 для сравнения представлены внешний вид поверхности, полученной при обработке острой и затупленной твердосплавными пластинами. Видно, что наблюдается увеличение количества раковин.

Острый резец позволяет обработать заготовку из мрамора со значением

Рис. 1. Схема стружкообразования хрупких материалов

раметра Ra в диапазоне 4-6 мкм, что соответствует 6 классу

точности (в терминах до 01.01.1975 г - прим. авт.), при обработке затупленным инструментом Ra более 8 мкм и не жет быть измерено на профилографе-профилометре, визуально наблюдается наличие дефектов. Видно, что с увеличением износа инструмента сколы и ковины - их количество и размер, -личиваются, но не существенно. Это связано с тем, что разрушение ного камня происходит не только за счет резания, но при выдавливании шивании) частиц, обладающих большей твердостью по сравнению с основной массой камня [2]. За счет абразивности камня слой с его поверхности срезается не только режущей кромкой, но и ствующими в зоне резания отдельными частицами материала заготовки и мента. С износом площадь контакта румента и заготовки увеличивается, тем самым увеличивается доля абразивного резания, т. к. большее число частиц дится между инструментом и заготовкой.

Все вышеперечисленные особенности резания находят свое отражение в ВА сигнале, регистрируемом при обработке природного камня.

Рис. 2. Обработанная острой и затупленной твердосплавной пластиной поверхность мрамора

Были сделаны записи ВА сигналов при точении мрамора и гранита. Для гранита установлена нецелесообразность использования твердосплавного инструмента, поскольку его стойкость составила всего 6 сек. Затупленный инструмент продолжал резание, но качество поверхности было неприемлемым.

Обработка мрамора дала удовлетворительные результаты. Запись ВА сигнала имела следующий вид (рис. 3). Длина каждой записи 1,5 с. Частота опроса 20 кГц по каждому каналу. Масштаб по осям одинаков и ярко выражено увеличение амплитуды сигнала.

Для резания тупым резцом характерно значительно меньшее влияние оборотного изменения глубины резания. Это связано со значительным ростом трения по задней грани, на фоне которого изменения глубины становятся малозаметны.

Были выявлены закономерности ведения амплитуды и частоты ВА сигнала с износом. В частности асимметрия изменения амплитуд на низких и ких частотах. С увеличением го износа (величины площадки износа по задней грани Ьз, наиболее влияющего на качество обработанной поверхности) низкочастотные компоненты спектра

Рис. 3. Пример записи сигналов виброускорения в линейном диапазоне (а) при резании острым резцом (верхний график - ось Х; нижний - ось 7); (б) при точении тупыш резцом.

росли, а высокочастотные падали (рис. 4).

Демпфирование тотных составляющих

ясняется увеличением

ния и тем, что все большая часть кромки углубляется в поверхность заготовки и отделяет тицы материала с помощью давления на его поверхность и создания в нем ротрещин. Это ведет к повышению демпфирования в упругой системе, торое особенно заметно на тотных формах колебаний.

Виброакустический сигнал мерился с помощью комплекса, включающего в себя два акселерометра, усилитель, АЦП и персональный компьютер со специализированным пакетом прикладных программ. Рассмотрен вариант, при котором датчики были зак-реплены по осям ОХ (горизонтальная ось, совпадающая с осью заготовки) и 02 (вертикальная ось, направленная вверх). Из спектра собственных частот УС станка (измеренных при ударах по вершине резца) выявлено, что наиболее себя проявляют частоты в окрестностях 1, 3, 5 и более кГц по оси ОХ и 2,5; 3 кГц по оси 02.

Увеличение низкочастотных составляющих спектра виброускорения косвенно влияет на увеличение виброперемещений точек упругой системы (УС) станка. Так построив, траектории движения вершины резца (рис. 5) в октаве со средним геометрическим числом (СГЧ) 1, 2 и 4 кГц делаем вывод об отсутствии автоколебаний, т.к. траектории получаются хаотичные.

Кадр6_М р_остр_90

иваI пиши

22/08/07 12:57:55 964

а) OX: Sp max = 77,5 дк

Кадр6_М р_остр_90

22/08/07 12:59:09 9GE

б) OZ: Sp max = 105 дк

КадрБ___М р_туп__90

г) OZ: Sp max = 48,3 дк

Рис. 4. Спектры виброускорения при точении мрамора острым (а, б) и тупым (в, г) резцом.

4 кГц (д, е)

Из записей спектров ВА сигналов найдены среднеквадратичные значения (СКЗ) амплитуд в октавных полосах (таблица). Они позволяют в упрощенном виде судить о изменении в УС.

Рис. 6 графически иллюстрирует

данные таблицы. Для наглядного отображения роста низкочастотных составляющих спектр с износом и падения высокочастотных, приведен график зависимости отношения амплитуд виброу-

скорения для острого и тупого резца в октавных полосах (рис. 7).

Обработав экспериментальные данные, получаем основание для создания методики ВА диагностики обработки природного камня. Сначала необходимо выявить собственные частоты УС станка. Далее провести записи ВА сигналов при резании - износ инструмента проявляется в асимметрии изменения амплитуд на низких и высоких частотах. Сле-

СКЗ амплитуды виброускорения в октавных полосах частот при точении мрамора с глубиной 1 мм

Острый резец, м/с2 Тупой резец, м/с2

1 кГц 2 кГц 4 кГц 8 кГц 1 кГц 2 кГц 4 кГц 8 кГц

Ось Х 174,6 120,6 120 113,4 316,8 192 66 51

Ось Ъ 17,4 204 257,4 128,4 40,8 268,8 232,2 63

0,55 0,63 1,82 2,22 Ао/Ат (!) по Х

0,43 0,76 1,11 2,04 Ао/Ат (1) по Ъ

сч 300 ■ ■

<з ^

250 | 200 * І 150

2 100 "

та

М

О

50 0

Т------1------1------1

1кГц 2 кГц 4кГц 8кГц

СЧГ октавной полосы, кГц

-Ось Х острый

-Ось Ъ острый

-Ось Х тупой

-Ось Ъ тупой

«с

о

<

Ао/Ат (ОХ) -Ао/Ат (ОУ)

кГц кГц кГц кГц

СГЧ ктавной полосы, кГц

довательно, можно оценивать попадание

их значений в определенный диапазон для конкретных частотных интер-валов. Степень износа инструмента может быть определена по величине

1. Подураев В.И. 'Резание труднообрабатываемых материалов'. - М.: Высшая школа, 1974, 209 с.

2. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород. - М.: 2002, 607с.

Рис. 6. Зависимость СКЗ амплитуды виброускорения в октавных полосах частот

Рис. 7. Соотношение амплитуд для острого и предельно затупленного резца в октавных полосах

соотношения амплитуды сигнала на низких и высоких частотах, выходящей за допустимое для конкретного материала инструмента и заготовки значение. Этот принцип используется в системах ЧПУ для мониторинга состояния инструмента и внесения коррекции в УП [3]. Из данных табл. 1 получаем

личение соотношения Ан/Ав в 4 раза с 1,54 до 6,21 по ОХ и 0,14 до 0,65 по оси ОЪ.

В дальнейшем планируется изучение влияния износа на виброакустический сигнал при варьировании режимных параметров

ботки (подачи, числа оборотов шпинделя, глубины резания, а также применения различных инструментов и способов обработки).

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Козочкин М. П. Виброакустическая диагностика технологических процессов. - М.:

ИКФ «Каталог», 2005. - 196 с. ШИН

— Коротко об авторе ------------------------------------------------------------------

Ивлева Л.П. - аспирантка кафедры ТХОМ, Московский государственный горный университет.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 21 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.И. Морозов.