CC BY
9
УДК 681.5
А.И. Пономарев, А.А. Игнатьев
КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЯ КОЛЕБАТЕЛЬНОСТИ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Аннотация. Рассматриваются вопросы контроля износа резца при токарной обработке по характеристикам виброакустических колебаний и оценки начала критического износа по показателю колебательности.
Ключевые слова: токарная обработка, износ резца, вибрации, показатель колебательности
A.I. Ponomarev, A.A. Ignatiev
MONITORING TOOL CONDITIONS IN TURNING OPERATIONS BASED ON FLUCTUATION ANALYSIS OF DYNAMIC SYSTEMS
Abstract. The issues of cutting tool wear control during turning operations based on vi-broacoustic characteristics, and assessment of critical tool wear at its initial stage by the vibration index are considered.
Keywords: turning, cutter wear, vibrations, vibration index
ВВЕДЕНИЕ
За минувшие три десятка лет в процессах обработки резанием на автоматизированных металлорежущих станках (АМС) произошли большие перемены, связанные с применением новых инструментальных материалов и повышенных режимов обработки. Износ инструмента является одним из доминирующих факторов, влияющих на параметрическую надежность АМС.
Контроль износа резца при токарной обработке необходим, во-первых, для своевременного ввода коррекции, так, чтобы размеры деталей поддерживались в поле допуска, во-вторых, для оперативной замены резца при точении, так как в противном случае резко снижается качество обработанной поверхности. Кроме того, экономические потери из-за износа инструмента возникают в результате неоптимального использования сменных пластин, так как часто в производственных условиях они заменяются задолго до того, как наступает ста-
дия критического износа, то есть не полностью используется ресурс дорогостоящего инструмента. Вопросы контроля инструмента на АМС рассматривались как отечественными, так и зарубежными учеными [1-5].
В производственных условиях используются несколько методов, которые показали достаточную точность и надежность. Тем не менее определенный научный и практический интерес представляет метод контроля инструмента, основанный регистрации виброакустических (ВА) колебаний динамической системы (ДС) станка с последующей их обработкой методами теории автоматического управления и вычислении показателя колебательности динамической системы [6].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ПОКАЗАТЕЛЯ КОЛЕБАТЕЛЬНОСТИ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Вибрационные методы находят свое применение в качестве неразрушающих методов контроля, во-первых, работоспособности АМС, во-вторых, состояния режущего инструмента.
В этих случаях используется анализ ВА колебаний ДС как во временной, так и в частотной областях, что позволяет выявить их изменение, которое может свидетельствовать о наличии какого-либо дефекта или повреждения станка, износа или разрушения инструмента. Мониторинг состояния инструмента помогает оперативно оценивать его износ, а также осуществлять сбор статистических данных для последующей оценки надежности и качества инструмента [7, 8].
В качестве измерительных преобразователей для контроля состояния инструмента опробовано множество датчиков, а именно: механические щупы, датчики мощности, датчики акустической эмиссии, датчики вибрации, датчики крутящего момента, датчики силы и ряд других [1, 4]. Датчики и преобразование их сигналов играют важную роль во всех процессах автоматизированного контроля. Обработка и анализ сигналов важны, так как это определяет повышение надежности АМС, уменьшение времени простоя и повышение качества обработанных деталей.
Эксплуатационные неисправности инструмента подразделяются на две основные группы: первая - постепенный износ под воздействием потери обрабатываемого материала в результате резания и трения, что через определенное время вызывает поломку инструмента; вторая - преждевременный износ режущей кромки в результате образования сколов, которые возникают непредвиденно в результате неправильных значений параметров обработки или дефекта материала режущего инструмента или обоих этих факторов [4, 9]. В случае если срок службы инструмента приближается к своему концу, это может сказаться на качестве обрабатываемой поверхности заготовки. Характеристики поверхности заготовки напрямую зависят от взаимодействия с инструментом, которое определяется геометрией инструмента, материалом инструмента и заготовки, условиями резания и параметрами обработки (скорость резания, подача, глубина резания).
Метод оценки износа инструмента с использованием показателя колебательности динамической системы заключается в следующем.
Пьезоэлектрические преобразователи вибрации (датчики) устанавливаются на основные компоненты токарного станка, наиболее связанные с резанием (резцовый блок). Путем
обработки записей вибраций вычисляется автокорреляционная функция (АКФ) и выполняется ее аппроксимация формулой
К(т) = А • e~m (1 + m • cosQx) • cosю0х, (1)
где A - постоянный коэффициент, a - коэффициент затухания, Q - частота огибающей АКФ, Юо - основная частота колебаний АКФ, m - коэффициент модуляции.
Следующим этапом является определение передаточной функции ДС по формуле, полученной А.Н. Скляревичем [10]. В ней установлена связь изображения по Лапласу АКФ с передаточной функцией системы; тогда с учетом формулы (1) путем алгебраических преобразований выводится выражение для передаточной функции ДС, замкнутой процессом резания:
w , Ч _ A(1 + m)V2[(p + а)2 + ю^ ]
3(Р) [(p + а)2 + (ю0 + Q)2][(p + а)2 + (ю0 - Q)2]'
Из передаточной функции (2) формируется частотная функция W3(jw) путем замены р = jw, а далее из нее вычисляется амплитудно-частотная характеристика A(w). Определив начальное и максимальное значения амплитудно-частотной характеристики, вычисляют показатель колебательности ДС [11]
M =[А(ю)]- ' (3)
"" А(о) ( )
Все расчеты выполняются по специальной программе на компьютере.
Следует отметить, что показатель колебательности определяет запас устойчивости ДС. Значения показателя 1,1...1,5 соответствуют максимальному запасу устойчивости. Повышение уровня вибраций, обусловленное износом резца, приводит к повышению показателя колебательности, что снижает запас устойчивости ДС. Сравнивая значения показателя колебательности ДС для неизношенного резца (эталонное значение) с его значениями, полученными при последовательной обработке деталей, то есть в условиях износа резца, можно оценить степень его износа.
По результатам специальных измерений устанавливается граничное значение показателя колебательности, соответствующее критическому износу инструмента, и принимается решение о недопустимости дальнейшей обработки деталей данным инструментом в связи с резким снижением их качества.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Эксперимент на токарном станке ТП-400 при обработке колец подшипников направлен на определение момента смены режущей пластины инструмента при наступлении начала ее критического износа. Для полного анализа необходимо проведение экспериментов при различных скоростях резания (определяется в основном частотой вращения заготовки), глубинах резания и подачах.
В данном случае параметры режима резания являются постоянными, и анализируется влияние износа режущей пластины. Вибрация в процессе резания регистрируется с помощью измерителя вибрации ВШВ-003М2 [12]. Диапазон измерения ВА колебаний - до 4 кГц. Измерение производится для получения серии данных, отражающих процесс резания, которые
21
сохраняются в формате WAVE-файла на компьютере типа Notebook. Измерения вибрации выполнялись при постоянных значениях режима резания: скорость вращения заготовки 300 об/мин, снимаемый припуск 0,2 мм, подача 0,5 мм/мин.
До эксперимента смена режущих пластин в условиях производства выполнялась через каждые 35 обработанных деталей. Практический интерес представляет определение реальной периодичности замены режущей пластины, оцениваемой, во-первых, по повышению волнистости обработанной поверхности выше допустимой, во-вторых, по снижению запаса устойчивости ДС, так как именно этот показатель характеризует ее качество. Сопоставительные результаты измерений показателя колебательности и волнистости обработанной поверхности приведены в таблице. Допустимое значение волнистости дорожки качения кольца составляет 10 мкм.
Результаты измерений показателя колебательности и качества обработанной поверхности
Номер Показатель Фактическое значение
обработанной детали колебательности волнистости, мкм
1 3,10 7,2
2 3,12 7,2
3 3,08 7,3
5 3,15 7,1
10 3,22 7,4
15 3,27 7,7
20 3,40 7,9
25 3,46 8,3
30 3,57 8,1
35 3,65 8,5
37 3,80 8,8
39 3,88 8,7
41 3,98 9,0
43 4,09 9,4
45 4,53 9,8
46 5,17 9,9
47 5,79 10,4
48 6,85 10,9
Анализ полученных результатов показывает, что выявлена тенденция повышения волнистости дорожки качения и, соответственно, снижение запаса устойчивости ДС, начиная с детали, обработанной 45-й по счету. Это свидетельствует о том, в данном случае режущие способности инструмента используются не в полной мере.
Изложенное выше показывает, что критерием в принятии решения по выбору режима обработки и момента замены инструмента может служить показатель колебательности ДС. Собирая данные на различных АМС и анализируя их, можно не только наблюдать процесс износа инструмента, но и определить, в какой момент времени наступает критический износ, по достаточно резкому возрастанию показателя колебательности. 22
Все эти данные при дополнительной обработке дают статистику о реальных характеристиках инструмента, его поведении в процессе обработки и, конечно, показывают преимущества и недостатки инструмента в процессе испытаний. Так можно установить пригодность режущего инструмента для конкретного производства, так как не всегда можно верить всем заявленным обещаниям поставщика инструмента о его характеристиках.
Известно, что различные инструменты, к примеру сменные пластины, в тех или иных условиях проявляют себя по-разному, что определяется динамическим качеством АМС при различных режимах резания, материалом заготовки, характеристиками СОТС и рядом других факторов.
В реальном производстве у работников нет времени и средств, чтобы перепробовать все возможные факторы. Статистика испытаний инструмента, собранная при применении показателя колебательности ДС, помогает определиться с выбором режима обработки не только на основе мнение операторов, но и при соответствующих измерениях по специальным методикам.
ВЫВОДЫ
Использование метода оценки износа режущего инструмента на основе определения показателя колебательности динамической системы АМС позволяет оценить рациональность смены режущих пластин во время выполнения токарной обработки. Смена инструмента происходила излишне рано: реальная потребность в смене инструмента для обеспечения заданных требований к качеству обработанной поверхности нужна на 9.. .10 деталей позже, нежели было рекомендовано в имеющемся технологическом процессе.
Определение износа режущего инструмента необходимо для снижения количества бракованных деталей из-за несвоевременной замены сменных пластин или перезаточки инструмента, а также из-за чрезмерного его расхода в случае ранней замены. Фактически на некоторых предприятиях смена инструмента осуществляется слишком рано, что приводит, во-первых, к перерасходу дорогостоящего инструмента, во-вторых, увеличивает время простоя токарного станка, связанного с его переналадкой. Использование метода оценки износа режущего инструмента на основе определения показателя колебательности динамической системы является достаточно объективным и позволяет учитывать реальные условия обработки на конкретном станке.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мартинов Г.М., Григорьев А.С. Диагностирование режущих инструментов и прогнозирование остаточной стойкости на станках с ЧПУ в процессе обработки // СТИН. 2012. № 2. С. 23-28.
2. De Silva C.W. Vibration Monitoring, Testing, and Instrumentation // CRC Press. Taylor & Francis Group, 2007. 696 p.
3. Малыхин В.В., Яцун Я.И., Новиков С.Г. Виброакустическая диагностика состояния режущего инструмента и микронеровностей обрабатываемой поверхности // Инженерный журнал. 2014. № 4. С. 31-35.
4. Диагностика и надежность автоматизированных систем / Б.М. Бржозовский, А.А, Игнатьев, В.В. Мартынов, А.Г. Схиртладзе. Старый Оскол: ТНТ, 2006. 380 с.
5. Игнатьев А.А., Добряков В.А., Игнатьев С.А. Автоматизированный контроль в системе управления качеством изготовления деталей подшипников // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2020. № 1(84). С. 14-25.
6. Игнатьев А.А., Коновалов В.В., Игнатьев С.А. Идентификация в динамике станков с использованием стохастических методов. Саратов: СГТУ, 2014. 96 с.
7. Костюков В.Н., Науменко А.П. Основы виброакустической диагностики и мониторинга машин. Омск: Изд-во Омского гос. техн. ун-та, 2011. 360 с.
8. Игнатьев С.А., Казинский Н.А., Игнатьев А.А. Выявление катастрофического износа инструмента при мониторинге токарной обработки // Автоматизация и управление в ма-шино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2017. С. 46-49.
9. Диагностика автоматизированного производства / С.Н. Григорьев, В.Д. Гурин, М.П. Козочкин и др. М.: Машиностроение, 2011. 600 с.
10. Скляревич А.Н. Операторные методы в статистической динамике автоматических систем. М.: Наука, 1965. 457 с.
11. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. 768 с.
12. Пономарев А.И., Игнатьев А.А. Контроль износа режущего инструмента при токарной обработке по вибрационным характеристикам // Автоматизация и управление в ма-шино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2020. С. 74-77.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Пономарев Алексей Иванович -
аспирант кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Игнатьев Александр Анатольевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Aleksey I. Ponomarev -
Postgraduate, Department of Control Systems and Technologies in Mechanical Engineering ,Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Alexander A. Ignatiev -
Dr. Sci. Tech., Professor, Department of Control Systems and Technologies in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 24.02.20, принята к опубликованию 17.08.20
