CC BY
374
УДК 621.924
Определение стойкости инструмента и степени его износа по уровню звука, сопровождающего процесс резания
В. А. Залога, В. В. Нагорный
Основным параметром, который характеризует качество режущего инструмента, является его стойкость. В связи с этим для станков с ЧПУ предложен метод оперативной оценки стойкости инструмента, который основывается на возможностях виброакустической диагностики и позволяет прогнозировать стойкость инструмента непосредственно в процессе выполнения процедуры резания.
Основу метода составляет аппроксимационная модель, одним из параметров которой является прогнозируемая стойкость инструмента, позволяющая оценивать степень износа инструмента, что дает дополнительную информацию при принятии решения о его своевременной замене.
Ключевые слова: режущий инструмент, стойкость инструмента, аппроксимационная модель, виброакустическая диагностика.
Повышение быстроходности и надежности машин потребовало повышения точности обработки и улучшения качества обработанной поверхности. В связи с этим расширились исследования размерной стойкости инструмента [1-7].
Существенным фактором, повышающим производительность обработки, является внедрение систем адаптивного управления станками [8]. Адаптивные системы обеспечивают оптимальное сочетание подач и скоростей резания, при котором наблюдается наибольшая размерная стойкость режущего инструмента [9]. Применение адаптивной системы требует внедрения диагностического контроля состояния обрабатывающей системы инструмент — приспособление — заготовка. При этом режущий инструмент, являясь наиболее слабым элементом этой системы, существенно влияет на качество, производительность и экономичность обработки.
Контроль состояния лезвия инструмента непосредственно в процессе мехобработки весьма затруднен, так как требует, как пра-
вило, прерывания обработки, что существенно снижает ее эффективность. Данное обстоятельство вынуждает применять косвенные методы контроля состояния инструмента.
Постановка проблемы
Определяющим параметром, характеризующим качество инструмента, служит стойкость инструмента Т, которая, в свою очередь, неразрывно связана с его износостойкостью I. Износостойкость режущего инструмента — обратная величина интенсивности износа £ (I = 1/£):
£ = Н = ^ 10-3, (1) Ь V
где Н — износ, мм; Ь — путь, который проходит инструмент в процессе мехобработки, мм; Ьн - скорость износа, мм/мин; V — скорость резания, м/мин.
Здесь и далее под износом понимается износ по задней главной поверхности инструмента
h, мкм
тразр Т мин
Рис. 1. Кривая механического изнашивания инструмента:
0—т0 — время, в течение которого происходит приработка; т0—Т — время изнашивания до предельного состояния (участок стационарного износа); Т—Тразр — время работы инструмента до его разрушения (участок катастрофического износа)
Н3. В период устойчивого износа (рис. 1) [без учета времени приработки (участок 0А) и времени катастрофического износа (участок ВС)] выражение (1) можно представить в следующем виде:
Щ - ¿0 _ ¿шах - Щ
J =
(Ti -То) V (T -Ti )v
(2)
где hi, ho, hmax — абсолютный износ соответственно: текущий, наблюдаемый в момент времени Ti; исходный (начальный), фиксируемый после приработки инструмента в течение времени То; максимальный, соответствующий предельно допустимому износу инструмента, определяемому после эксплуатации инструмента в течение времени, равном его стойкости Т.
Во временном интервале To-Т, соответствующем времени бездефектной эксплуатации инструмента, интенсивность износа постоянна (£ = const) и кривая на участке АВ приближается к прямой. Поэтому на этом участке выражение (2) можно переписать следующим образом:
hi - ho
hmax - hi
0
T -Т
(3)
Преобразуем данное равенство относительно текущего износа hi:
hi = ¿0 T + hmax ~ °
T -Т0
T - Т0
(4)
Если пренебречь незначительным исходным износом ¿0 или принять эту величину за точку отсчета, то выражение (4) можно упростить:
Т1 -т0
hi hma
T-T
(5)
о
Для удобства использования выражения (5) в практике резания его следует представить в безразмерном виде:
hi hma
Ti -Т
о
(6)
Т -Т0
Выражение (6) изменяется от 0 до 1 и позволяет при известном текущем значении износа Щ и заданным, как правило, среднестатистическом значении предельно допустимого износа ¿тах определять степень критичности текущего состояния инструмента.
Однако данный метод оценки состояния инструмента можно применять только в лабораторных условиях, так как он требует знания текущего абсолютного значения износа ¿¿. Для определения этой величины приходится прерывать процесс резания, чтобы провести необходимые измерения. Поэтому в практике резания стремятся применять косвенные методы оценки состояния инструмента. В настоящей статье изложены основные результаты опробования одного из подобных методов — метода виброакустической диагностики, где в качестве косвенной информации рассматривается звук, сопровождающий процесс резания.
Цель, предмет и методика исследован ий
Целью исследований являлось изучение корреляции между изменением уровня звука, сопровождающего процесс резания, и износом режущего инструмента.
Предметом исследований был процесс продольного точения, осуществляемый на токарно-винторезном станке 16К20Т1.
Методика исследований заключалась в определении на основе экспериментально полученных данных регрессионной зависимости между износом инструмента и уровнем звука, сопровождающим процесс резания.
h
max
h
0
Аппроксимационная модель
Износ инструмента — это процесс, развивающийся во времени и достигающий в итоге недопустимой величины. Установим связь между временными трендами износа инструмента и звука, сопровождающего процесс мехобработки.
Вначале получим аналитическое выражение, описывающее тренд уровня звука. Полагаем, что тренд представляет прямую, изменяющуюся с течением времени (рис. 2).
Выберем на этой кривой три характерные точки: начальную с координатами Езв о, То; текущую Езв ¿, х^, конечную, соответствующую выходу инструмента из строя (отправке его на перезаточку), — Езв. пр, Т. Опишем тренд на базовом участке (участке аппроксимации х^ - То) и прогнозном участке (участке экстраполяции х^ - Т) степенными функциями:
Езвъ = Езв0 I(х, -х0)Р;
Езв пр = ЕзВ, + упр(Т -х,)П.
(7)
зв.пр зв I
(8)
В соответствии с постулатом физики, сформулированным К. Шенноном, что «основные закономерности, наблюдавшиеся в прошлом, будут сохранены в будущем» [10], на котором основываются методы экстраполяцион-ного прогнозирования, параметры аппроксимирующей и экстраполяционной функций должны совпадать. В понятиях математики это означает, что должны быть постоянными градиенты (уъ = упр) и показатели степени (в = п). Основываясь на этом, заменим уравнения (7) и (8) одним, для чего оставим
Е, МПа
Е
Участок экстраполяции
Участок аппроксимации
Е„
Экспериментальные данные
0
Т х, мин
Рис. 2. Тренд уровня звука, сопровождающего процесс резания
в уравнениях справа только время и поделим получившееся первое равенство на второе:
Езв I - Е
зв 0
Е - Е ■
-^зв. пр -^зв I
0
Т -х,
в
(9)
Далее преобразуем выражение (9) к следующему виду:
(
Е ■ = Е
0 + (Езв. пр Езв I
в
0
Т -х,
(10)
Выражение (10) имеет три неизвестных параметра: Езв. пр, в и Т. Найти эти параметры можно в процессе минимизации функции невязки фактически зарегистрированных уровней звука и их расчетных значений, получаемых по данной формуле. Для облегчения процедуры минимизации используем следующую подстановку: аЕзв0 = Езвпр - Езв,. Тогда с учетом этой замены получим выражение (11) для аппроксимационной функции (аппрокси-мационной модели), графиком которой, во-первых, аппроксимируются реальные данные об уровнях звука на участке аппроксимации и, во-вторых, проводится процедура прогнозной экстраполяции до момента достижения звуком своего предельного значения Езв. пр и соответственно исчерпания инструментом своего ресурса (стойкости Т):
(
в
Езв = Езв 0 + аЕзв0
ЧТ-х4
(11)
Функция невязки будет иметь следующий вид:
и (Езв, Т, а, в) =
-¡2
(
Езв Ъ -
(
Езв0 + а Езв0
0
(12)
где т — количество измерений уровня звука, проведенных за все время контроля состояния инструмента; Езв ъ — фактический уровень звука, регистрируемый в произвольный (текущий) момент времени; Езв 0 — фактический уровень звука, регистрируемый в начале резания; а, в, Т — параметры аппрокси-мационной модели.
Параметр Т представляет собой машинное время, затрачиваемое только на процесс резания, затраты времени на технологические операции при этом не учитываются.
Е
^зе ъ
х
х
0
Экспериментальная апробация аппроксимационной модели
Проверка возможности использования ап-проксимационной модели (11) для прогноза по уровню звука степени износа инструмента была проведена для продольного точения на токарном станке 16К20Т. Точение проводилось на следующих режимах: V = 94 м/мин (скорость резания), п = 500 об/мин (частота вращения шпинделя), 8 = 0,05 мм/об (продольная подача), £ = 0,5 мм (глубина резания).
Рис. 3. Фиксирование уровня звука для определения степени износа инструмента на токарном станке
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09
т, мин
Рис. 4. Осциллограмма временной реализации звука
Р, дБ 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5
60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480
Частота f, Гц
Рис. 5. Спектр звука, зафиксированного в эксперименте
2
120 110 100 90 80 70 § 60 й 50
I
Ь! 40
30
20
_ - •
- 74 1 \
..... ........... —-у—-\ \
\ 1
..... \......... \
........... \ \
\ \
.........\ Ч..... \
..... .......... ч......... \ ......X ..........
........... ;
;
6
7 8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Длительность резания т, мин
Рис. 6. Изменение с течением времени прогноза стойкости инструмента
42
40
38
36
34
МПа 32
30
а 28
» 26
з
ь н 24
е
<3 £ 22
20
18
16
14
12
экспериментальные данные
и -
□ - £ к
Р" □
Гра гфи кфинкиии
/Г \ / / :
; Г/
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Длительность резания т, мин
Рис. 7. Аппроксимация экспериментальных данных об изменении за время резания уровня звука графиком аппроксимационной функции (11)
Материалы: резца — Т15К6, детали — сталь 40Х.
Звук фиксировался с помощью микрофона, установленного на суппорте вблизи зоны точения (рис. 3).
Сигнал с микрофона подавался на компьютер, где с помощью специально разработанной для этого программы на алгоритмическом языке С++ определялись:
• спектр звука Р, дБ;
• уровень звука Езв, МПа;
• минимум функции невязки в целях выявления стойкости инструмента Т, мин.
Минимум функции невязки определялся методом случайного поиска [11] в физически реализуемых диапазонах изменения опытных параметров а, в и Т. Период упреждения по времени при прогнозе стойкости Т равнялся
метаСБМ^ТКА
1
0,9 0,8
I < 0,7
о о
0,6
'3 з й л
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
Прогноз момента замены инструмента
Степень износа, достигнут в эксперименте ая ....../.
/ / ■ г
/
1 /
/ / ../.......
■
........... / \ /
—■
0
2
4
6
24 26
8 10 12 14 16 18 20 22 Длительность резания т, мин Рис. 8. График изменения во времени безразмерного износа инструмента
типовому среднестатистическому значению стойкости режущего инструмента, а именно 120 мин.
Экспериментальные данные об уровне звука, на основе которых искался минимум невязки, регистрировались каждые 2 мин. Причем прогноз стойкости Т проводился после получения третьего замера, т. е. с 6-й мин от начала резания. Это объясняется тем, что аппроксимационная модель (11) содержит три неизвестных параметра, для нахождения которых необходимо использовать не менее трех экспериментальных данных.
Результаты экспериментально-расчетных исследований приведены на рис. 4-11 и в таблице. На рис. 4 представлена осциллограмма части временной реализации звукового сигнала. Полная запись соответствовала длительности машинного времени, реализованного в эксперименте, и составляла в сумме 18 мин.
На рис. 5 изображен спектр зарегистрированного звука, который показывает, что резание сопровождалось звуком, максимум энергии которого приходился на частоту 240 Гц.
На рис. 6 представлены прогнозные значения стойкости режущего инструмента.
Из рис. 6 и таблицы следует, что до 12-й минуты стойкость инструмента соответствовала верхней границе упреждения, т. е 120 мин, далее, по мере исчерпания несущей способности
инструмента, его стойкость начала уменьшаться и в конце эксперимента (на 18-й минуте) соответствовала 22,4 мин.
На рис. 7 приведен результат аппроксимации экспериментальных данных об изменении с течением времени уровня звука графиком аппроксимационной модели (11). Коэффициент корреляции Я между аппроксимирующей кривой и экспериментальными данными составил 0,987.
На основе прогнозных значений стойкости резца, приведенных в таблице, по формуле (6) рассчитан относительный износ Н . Результаты расчета представлены в графическом виде на рис. 8.
В эксперименте резание было прервано на 18-й минуте. К этому моменту относительный износ инструмента Н (рис. 8) достиг 0,8, т. е. запас по степени износа до его замены
Рис. 9. Износ инструмента
0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 1 < 0,65
0 0,6 § 0,55 >3 0,5 й 0,45
1 0,4
§ 0,35 $ 0,3 $ 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 Уровень звука Езв, МПа
Рис. 10. Изменение безразмерного износа инструмента Н в зависимости от уровня звука Езв и линия их регрессионной зависимости
К
о
о н
з
а
'3
3
н р
0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
.......... □
;
..........1...........\-А ...................... / /
л ^ Г\ X
........../
// 1...........
Н--0 205 + 1 428Е ¡4. / :
;
Т/г р ...........;...........
'/ I...........
........'/'■...........:........... / ...........!...........
! /
1 71 а
'¿С-4 о
■ ..........?..........
0,1 0,15 0,2
0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Безразмерный уровень звука Езв
0,55 0,6 0,65
Рис. 11. Изменение безразмерного износа инструмента Н в зависимости от безразмерного уровня звука Езв и линия их регрессионной зависимости
1 - 0,8 = 0,2. По длительности резания это соответствует 4,4 мин машинного времени (рис. 8). Абсолютный износ Нз на момент прекращения резания 0,25 мм (рис. 9). Это значит, что на момент исчерпания стойкости инструмента износ должен составить 0,25/0,8 = 0,31 мм. При данном износе и стойкости 22,4 мин интенсивность изнашивания
J, рассчитанная по формуле (1), 1,5 • 10-7, что является типовым показателем для режущего инструмента, относящегося к 7-му классу износостойкости [12].
На рис. 10 и 11 приведены графики, характеризующие связь между безразмерным износом Н и соответственно размерным уровнем звука Езв (рис. 10) и безразмерным уровнем
120
№ 2 (74)/2013
Прогноз стойкости инструмента Т
Таблица
Длительность резания т, мин Прогноз стойкости Т, мин
6 120
8 120
10 120
12 120
14 49,2
16 25,7
18 22,4
звука Езв (рис. 11). Там же приведены линии и уравнения регрессии износа и звука. Безразмерный уровень звука
Езв -
Езв г Езв0
Е — Е зв. пр зв0
'зв. пр
Используя известную подстановку Ез - Езв г - аЕзв о, получим следующую расчетную формулу для определения безразмерного уровня звука:
Езв - —
1 +
оЕ.
зв 0
Езв г - Езв0
Степень корреляции безразмерного износа и уровня звука характеризуется коэффициентом корреляции Я - 0,804, а степень корреляции между безразмерными износом и уровнем звука несколько выше — Я - 0,814, что свидетельствует о высокой степени корреляции степени износа и уровня звука. При этом форма представления уровня звука роли не играет.
Таким образом, проведенные исследования показали принципиальную возможность использования звука, сопровождающего резание, для оценки стойкости инструмента и степени его износа. Это позволяет перейти к индивидуальному прогнозу стойкости режущего инструмента и отказаться от порочной практики использования с этой целью среднестатистических данных о стойкости режущего инструмента.
Рассмотренный метод оценки стойкости инструмента удобно применять на станках с ЧПУ. Однако при разработке программируемого микропроцессорного устройства, снабженного индикацией степени износа инструмента и его неизрасходованной (остаточной) стойкости, этот метод можно применять на любом станочном оборудовании.
Выводы
Режущий инструмент, являясь наиболее слабым элементом современных автоматизированных обрабатывающих систем, оказывает существенное влияние на качество, производительность и экономичность мехобработки.
Качество инструмента характеризуется его износостойкостью.
Для обеспечения непрерывности резания в практике механообработки применяют косвенные методы прогноза стойкости инструмента, в частности метод виброакустической диагностики.
Для станков с ЧПУ предложен метод оперативной оценки стойкости инструмента, основанный на возможностях виброакустической диагностики и позволяющий прогнозировать стойкость инструмента непосредственно в процессе резания.
Основу метода составляет аппроксимаци-онная модель, одним из параметров которой является прогнозируемая стойкость инструмента. Этот параметр находится в результате аппроксимации данных об изменении с течением времени уровня звука, сопровождающего резание.
Прогнозное значение стойкости инструмента позволяет, в свою очередь, оценить степень износа инструмента, что дает дополнительную информацию при принятии решения о своевременной замене инструмента.
Предлагаемый метод наиболее просто внедрить на станках с ЧПУ, а при разработке и изготовлении соответствующего программируемого микропроцессорного устройства этот метод можно применять и на станочном оборудовании без ЧПУ.
Литература
1. Григорьев А. С., Мартинова Л. И., Соколов С. В.
Диагностика и прогноз износа режущего инструмента в процессе обработки на станках с ЧПУ // Автоматизация в промышленности. 2010. № 5. С. 15-19.
2. Сидоров А. С. Мониторинг и прогнозирование износа режущего инструмента в мехатронных станочных системах: дис. ... канд. техн. наук. Уфа, 2007. 201 с.
3. Синопальников В. А., Тимирязев В. А., Тере-
шин М. В. Диагностирование износа инструментов // Станки и инструмент. 1986. № 1. С. 21-30.
4. Синопальников В. А. Контроль и прогнозирование состояния инструмента при чистовой обработке // Комплект: ИТО. 2007. № 9. С. 60-63.
5. Деревянченко А. Г., Павленко В. Д. Распознавание состояний режущих инструментов интегрированных производств // Искусственный интеллект. 2006. № 4. С. 735-742.
6. Прогнозирование стойкости инструмента при чистовой обработке/ С. А. Киселев, А. С. Григорьев, А. В. Геранюшкин, Р. Л. Пушков // Вестн. МГТУ «Станкин». 2008. № 4 (4). С. 23-32.
7. Максаров В. В., Ольт Ю. Теория и практика моделирования и управления в области прогнозирования динамических свойств технологических систем // Металлообработка. 2012. № 2. С. 5-12.
8. Ильин А. И. Адаптивная система управления интенсивностью износа режущего инструмента для точения труднообрабатываемых материалов на станках с ЧПУ: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Уфа, 1992. 24 с.
9. Балакшин Б. С. Адаптивное управление станками. М.: Машиностроение, 1973. 688 с.
10. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М.: Иностранная литература, 1963. 830 с.
11. Теория и применение случайного поиска / Л. А. Растригин, А. Т. Бахарев, А. К. Зуев [и др.]. Рига: Зинатне, 1969. 475 с.
12. Р 50-95-88. Рекомендации. Обеспечение износостойкости изделий. М.: Изд-во стандартов, 1989. 21 с.
Издательство «Политехника» предлагает
Серебреницкий П. П. Краткий справочник технолога-машиностроителя. — СПб.: Политехника, 2007. — 951 с. : ил. ISBN 978-5-7325-0569-6 Цена: 1450 руб.
В справочнике содержатся сведения о технологическом процессе, его элементах и схемах его построения, рассмотрены правила оформления технологической документации; приведены краткие сведения о приспособлениях, о режущем, вспомогательном и измерительном инструменте, применяемых машиностроительных материалах, а также о современном автоматизированном оборудовании, в том числе и электроэрозионном. Приводится информация для расчетов режимов резания на основные виды технологических операций, в том числе информация для определения режимов первого выбора.
Структура справочника определена исходя из задач технологической подготовки производства (ТПП), построенного по схеме компьютерно-интегрированного, предполагающего использование электронных ЭБ-моделей изделий на всех этапах решения задач ТПП. Приведенный в справочнике обзор систем компьютерного проектирования и моделирования (CAD/CAM-систем) позволит оценить их возможности для автоматизированного решения технологических задач и дать начальную информацию для их выбора.
Справочник предназначен в помощь технологам машиностроительных производств. Он будет также полезен студентам высших и средних технических учебных заведений, учащимся производственно-технических училищ, рабочим производственных предприятий.
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: [email protected], на сайт: www.polytechnics.ru.
