Отражение динамики лезвийной обработки природного камня в виброакустическом сигнале Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

---------------------------------------- © М.П. Козочкин, И.Н. Миков,

Л.П. Ивлева, 2009

УДК 621.7

М.П. Козочкин, И.Н. Миков, Л.П. Ивлева

ОТРАЖЕНИЕ ДИНАМИКИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНОГО КАМНЯ В ВИБРОАКУСТИЧЕСКОМ СИГНАЛЕ

Семинар № 21

я шо лезвийной обработке металлов

.Ж Ж. накоплено большое количество экспериментальных и теоретических сведений. Этого нельзя сказать про обработку камня, в том числе, концевыми фрезами.

При изготовлении художественных изделий из природного камня также как и в машиностроении требуется для поверхностей сопряжения получении заданной точности, допустимой шероховатости и волнистости. На точность обработанной поверхности оказывают влияние колебательные процессы, происходящие в упругой системе станка, При этом, амплитуда и частота относительных колебаний «инструмент - заготовка» зависят, в том числе, от износа инструмента. Поэтому актуален вопрос о работе в этом направлении, а также выявлении общих закономерностей динамики лезвийной обработки камня.

Одной из важнейших проблем, влияющей на качество обработки поверхности и на стойкость режущего инструмента, являются автоколебания, сопровождающие резание материалов. Наиболее универсальный механизм возникновения автоколебаний при резании и трении основан на координатной связи [1].

Из механизма возникновения автоколебаний при резании следует, что важнейшую роль играют такие факторы, как

прочность адгезионных связей, реакция на инструмент со стороны снимаемой стружки, дискретность отделяемых частиц и кооперативный характер отделения этих частиц.

При обработке камня слабые адгезионные связи и отсутствие выраженной в явном виде стружки ведут к тому, что режущая кромка инструмента может удерживаться на тангенциальном направлении очень недолго. При резании хрупких материалов отделяемые частицы (пыль) могут иметь очень небольшие размеры, которые значительно меньше сечения снимаемого слоя материала. Отделение этих частиц, в отличие от металла, не носит кооперативного характера (до некоторого сечения снимаемого слоя). Таким образом, релаксация напряжений происходит, но с высокой по сравнению с металлами частотой за счет отделения мелких частиц. Как показали эксперименты, возникновение интенсивных автоколебаний при точении на глубину до 1 мм, например, мрамора маловероятно.

Однако в этих свойствах природного камня есть и отрицательная сторона. Стружка, возникающая при обработке металлов, может стабилизировать положение режущей кромки на тангенциальном направлении даже при заметном стремлении координатной связи вызвать радиальное отклонение инструмента. При

обработке хрупких материалов этого не происходит. Существенное отклонение будет неизбежно влиять на форму поверхности после обработки. В случае высоких требований к форме поверхности необходимо, чтобы конструкция упругой системы станка обеспечивала достаточную жесткость в радиальном направлении и максимальное совпадение главных осей жесткости с координатными осями станка. Другой вариант заключается в переходе на режимы резания, создающие небольшую нагрузку на инструмент, что ведет к снижению производительности обработки.

Контролировать колебательные процессы, возникающие при резании камня, можно с помощью методов виброаку-стической диагностики. Отсутствие интенсивных автоколебаний при обработке камня позволяет осуществлять более надежный (по сравнению с резанием металлов) мониторинг состояния режущих инструментов по амплитуде виб-роакустического сигнала в разных частотных диапазонах, фиксируемого на упругой системе станка. Акселерометр может быть установлен на достаточном удалении от зоны резания, в защищенном от повреждений месте [2].

Виброакустичестика позволяет контролировать процесс резания и оценивать износ инструмента, а следовательно дать рекомендации по обеспечению требуемого качества обработанной поверхности. Отметим, что здесь имеется ввиду износ, который непосредственно влияет на точность механической обработки, приводя к погрешностям формы, вызывая сколы и трещины на поверхности, меняя размер обрабатываемых деталей. В технологии машиностроения он назван размерным износом режущего инструмента.

Процессы, происходящие при обработке металлов и природного камня, отличаются за счет разного строения, физико-механических свойств и другого механизма разрушения. Так свойства металла заготовки колеблются незначительно, и резание происходит за счет пластического деформирования. Природный же камень подвержен хрупкому разрушению и к тому же неоднороден. Минералы, его образующие, зачастую имеют различную твердость и могут отличаться по другим физико-механическим свойствам.

Для сравнения процессов, происходящих с затуплением инструмента при резании однородных пластичных (стать 45) и хрупких неоднородных (мрамор) материалов, были сделаны записи сигналов виброускорения при выстое (рис. 1). В книге [3] показано, что оценивать износ инструмента при точении целесообразно на выстое, т.е. при остановке подачи.

На рис. 1, а видно, что при остром резце после остановки подачи виброакусти-ческий сигнал быстро уменьшается. При точении тупым резцом (на рис. 1, б уменьшен масштаб по амплитуде) картина меняется: после остановки подачи сигнал быстро нарастает, процесс выстоя сопровождается тональным шумом, на поверхности детали хорошо видны следы вибраций. Это происходит, потому что с отсутствием стружки исчезает стабилизирующий фактор, препятствующий развитию интенсивных автоколебаний в радиальном направлении.

Картина меняется, когда на тех же режимах и тем же инструментом обрабатывается заготовка из мрамора (см. рис. 1, в, г). На рисунке хорошо видно, что переходные процессы, возникающие после остановки подачи у тупого и острого резцов, мало отличаются между собой. Однако визуально можно заметить на поверхности

Рис. 1. Запись виброакустического сигнала при точении и выстое во время обработки стали 45 (а, б) и мрамора (в, г) (длина записи 1.5 с.): а, в - резец острый; б, г - резец предельно затупленный

заготовки в месте остановки подачи обилие выкрашиваний, выходящих на свободную поверхность. Это происходит потому, что отделение более частиц твердых минералов камня возможно с помощью их выдавливания абразивного истирания, но процесс опасен возникновением трещин и сколов.

Анализируя спектры виброускорения, зарегистрированного на державке для крепления резца при точении мрамора острым и тупым резцом с твердосплавной пластиной (рис. 2 и 3), получаем характерную тенденцию: износ не

только изменил амплитуды на разных частотах, но поменял их соотношение: амплитуды на высоких частотах уменьшились, а на низких частотах выросли. Если для острого резца отношение амплитуды на частоте около 10 Гц к амплитуде на частоте, близкой к 10 кГц, было около 0,12, то для тупого резца это отношение стало 0,94, т.е. увеличилось почти в 8 раз. Изменение этого отношения во многом зависит от динамических характеристик упругой системы применяемого станка. При высокой динамической жесткости станка и

Рис. 2. Спектр виброускорения при точении мрамора острым резцом

Амплитуда ускорения, м с“

Атах=7.9 м с “ 7.2

Рис. 3. Спектр виброускорения при точении мрамора тупым резцом

инструмента это отношение может меняться не столь существенно, однако эксперименты показали, что уменьшение амплитуды высокочастотной составляющей виброакустического сигнала по мере износа режущей кромки при

обработке мрамора проявляется стабильно. Именно рост амплитуд на низких частотах дает увеличение виброперемещений, а следовательно, ухудшает качество получаемой при обработке поверхности (повышая ее шероховатость и

волнистость). Уменьшение амплитуды на высоких частотах объясняется ростом демпфирования, которое в большей степени влияет на высокочастотные колебания.

Методика оценки состояния (износа) режущего инструмента при обработке камня имеет отличия от диагностики при металлообработке, вытекающие из особенностей процесса резания неоднородных хрупких материалов и образования стружки скола. В частности, датчики виброускорения возможно размещать на упругой системе станка в удалении от зоны резания. Спектр виброакустического сиг-

1. Кудинов В.А. Динамика станков. - М: Машиностроение, 1967, 359 с.

2. Козочкин М.П., Осипова Л.П., Миков И.Н. Повышение качества контурного резания путем виброакустической диагностики износа и поломки инструмента. - Горный информаци-

нал при затуплении инструмента асимметрично изменяется: в области низких частот наблюдается его рост, а в области высоких частот падение. Другим источником информации о состоянии режущего инструмента могут быть безразмерные статистические характеристики сигнала, такие как асимметрия (А) и эксцесс (Е). Например, при работе острым резцом виброаку-стический сигнал в октавной полосе 4 кГц имел А=0, 0006, Е=0,2, при работе тупым резцом А=0,026, Е=0,38. В дальнейшем необходимо уточнить стабильность изменения этих безразмерных показателей.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

онно-аналитический бюллетень № 7, 2007. - с. 299-305.

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

ИКФ «Каталог», 2005. - 196 с. ШИЗ

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------

Козочкин М.П. - доктор технических наук, ОАО ЭНИМС,

Миков И.Н. - профессор, доктор технических наук,

Ивлева Л.П. - аспирант, ассистент,

кафедра ТХОМ Московский государственный горный университет.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 21 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Л.И. Кантович.