CC BY
35
© М.П. Козочкин, Л.П. Осипова, И.Н. Миков, 2007
УДК 621.9
М.П. Козочкин, Л.П. Осипова, И.Н. Миков
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА КОНТУРНОГО РЕЗАНИЯ ПУТЕМ ВИБРО-АКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ИЗНОСА И ПОЛОМКИ ИНСТРУМЕНТА
Семинар № 24
В художественном камнеобрабатывающем производстве к изделиям, состоящим из большого количества деталей, имеющих плоский контур сложной формы, относятся мозаики. Их изготовление осуществляется вручную или применяется контурное резание (в том числе фрезерование) на станках с ЧПУ - вырезание фрагментов из пластины или при изготовлении инкрустации подготовка углубления под них в фоне, которым является пластина. [1].
Качество обработки зависит от выбранных режимов резания, состояния инструмента, колебательных процессов, происходящих в системе СПИД. Понятие «качество» в случае контурной обработки основано на геометрической интерпре- а тации и выражается геометрической точностью передачи контура (отклонение от геометрических размеров), волнистостью и шероховатостью.
Фрезерование осуществляется концевым инстру- б
Рис. 1. Концевой инструмент для обработки камня:
а) фреза концевая твердосплавная с цилиндрическим хвостовиком (бывает - конический); б) алмазно-абразивная головка (тип ДШ (ГЦ))
ментом: твердосплавными фрезами
или алмазно-абразивными цилиндрическими головками (рис. 1).
Особенностью фрезерования является прерывистое нагружение лезвий инструмента из-за непостоянства поперечного сечения срезаемого слоя, что приводит к значительным динамическим усилиям, являющихся одной из причин возникновения вибраций в зоне резания.
Вибрации при обработке фрагментов мозаичного комплекса должны учитываться как при выборе режимов резания, так и типа режущего инструмента. Это связано с тем, что кам-необработка существенно отличается от обработки пластичных материалов. Обработка минералов лезвийным ин-
Рис. 2. Схема формирования колебательных движений вершины резца, возникающих с участием координатной связи (а), и формы областей, занимаемых колеблющейся вершиной резца (б) при интенсивных автоколебаниях, форма 1, и при обычном резании, форма 2
струментом практически не сопровождается классическим стружкообра-зованием. Это меняет характер взаимодействия упругой системы станка с процессом резания. При обработке металлов режущий клин инструмента находится в состоянии всестороннего сжатия [2], где возможному смещению инструмента по нормали к обрабатываемой поверхности препятствует упругость снимаемой стружки и адгезионное сцепление с передней поверхностью инструмента. Это способствует устойчивости процесса резания, особенно при сливном стружко-образовании. Однако и здесь приходится сталкиваться с потерей устойчивости движения, когда стабилизирующего действия стружки оказывается недостаточно для поддержания деформированного состояния инструмента в статическом состоянии.
На рис. 2, а показано, что под действием силы резания Р вершина резца должна бы была смещаться по направлению вектора Д, который в общем случае не совпадает с вектором Р. Это следствие проявления ко-
ординатной связи: под действием
приложенной силы вершина инструмента смещается не только в направлении этой силы, но и в ортогональном направлении. Связано это с тем, что вектор Р не совпадает ни с одной из главных осей жесткости (^1 и ^2), имеющих разную податливость [2]. Однако смещению в направлении Д вершины резца препятствует снимаемая стружка. Это приводит к тому, что резец из точки «О» перемещается в точку А, лежащую на поверхности резания, но на вершину начинает действовать дополнительная сила ДРУ, стремящаяся вернуть вершину резца на направление Д. При сливной стружке вершина инструмента может долго находиться в т. А, обеспечивая высокую чистоту поверхности. При обработке материалов, дающих сегментную стружку или стружку скалывания, стабилизирующее воздействие со стороны стружки может прерываться. В результате нарушается равновесие сил в т. А, и вершина резца начинает двигаться. На рис. 2, а это движение показано пунктиром. Отри-
цательным моментом в такой ситуации является то, что составляющая движения по нормали к поверхности портит ее геометрию. При большом размахе такого движения говорят об интенсивных автоколебаниях, о потере устойчивости движения и т. п. Умеренный размах автоколебаний наоборот способствует эффективности процесса резания, снижает затраты энергии и уменьшает расход инструмента. На рис. 2, б показаны формы областей, занимаемых колеблющейся вершиной резца при интенсивных автоколебаниях и при обычном резании.
При обработке минералов становится труднее обеспечивать стабильное положение вершины резца по нормали к обрабатываемой поверхности. Ситуация осложняется еще и тем, что обработка ведется многозубой фрезой. Здесь процессы входа и выхода зуба фрезы в материал заготовки может сопровождаться ударными процессами, создающими относительные колебания инструмента и заготовки. Позитивным моментом может быть одновременное нахождение в зоне резания нескольких зубьев. Тогда выход и вход одного из зубьев будет стабилизироваться другими, на-
ходящимися в работе. Но при обработке контура фрагмента, например, 4-х зубой фрезой в работе находится обычно только один зуб (при небольшой ширине фрезерования). Его выход из зоны резания сопровождается колебаниями упругой системы на собственных частотах. На рис. 3 показана запись сигнала виброускорения при обработке коелгинского мрамора 4-х зубой фрезой.
На рис. 3 хорошо видно, что каждый зуб работает отдельно, и что зубья работают с разной нагрузкой. Происходит это либо из-за биения инструмента или из-за ошибок монтажа твердосплавных пластин.
На рис. 4 показаны спектры виброускорения стола при резании и при выходе зуба фрезы из зоны резания.
Из рис. 4 видно, что амплитуда на высоких частотах с прекращением резания резко падает, но колебания на низких частотах сохраняются. Именно колебания на низких частотах дают наибольшее отклонение от задаваемой геометрии.
Особенности лезвийной обработки хрупких материалов, выражающиеся в минимальном стабилизирующем воздействии со стороны снимаемой
кадр4
22/01/0713:28:05
.05 .85 1.64 2.44 3.23 4.03 4.82 5.62 6.41 7.21
б
Рис. 4. Спектры виброускорения стола в момент резания мрамора (а) н сразу после выхода зуба фрезы из зоны резания (б)
стружки, необходимо учитывать не только при выборе режимов резания, но и в возможных конструктивных изменениях упругой системы специализированных станков. Эти конструктивные изменения могут заключаться не просто в повышении жесткости упругой системы, но и в оптимизации
ориентации главных осей жесткости в зоне резания.
В этом случае, под действием сил резания влияние координатных связей на отклонения вершины резца по нормали к поверхности будет минимальным. В качестве одного из возможных методов оценки качества упру-
Спектр 1
14.2 Спектр 2
АЧХ
+180 К
Фаза I -180
V
''ГГ 7
.Ё
'У-
Ког
у
Лл-
V
кГц
Рис. 5. Частотные характеристики динамической системы при импульсном воздействии на упругую систему при резании алюминиевого сплава: а - глубина резания 0,1 мм; б - глубина резания 0,25 мм
гои системы можно предложить по- стик, построенных с помощью спе-
строение ее частотных характеристик циальноИ программы. Во время об-
по внешнему воздействию при резании работки алюминиевого сплава
на разных режимах. На рис. 5 по- (сливная стружка) на вершину резца
казаны примеры таких характери- оказывалось импульсное воздеист-
а
вие с помощью динамометрического молотка.
Смещения резца по нормали к обрабатываемой поверхности оценивались с помощью акселерометра.
На рис. 5, верхний графикпоказы-вает амплитудный спектр возмущающего силового импульса Ниже, график показывает амплитудный спектр сигнала акселерометра на резце. Еще ниже, приводится амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) упругой системы вместе с процессом резания по внешнему воздействию (характеризует податливость упругой системы). Далее приведена фазо-частотная характеристика (показывает на разных частотах разность фаз между возмущающим воздействием и реакцией системы). Нижний график -функция когерентности (ее близость к 1 подчеркивает связанность выходного сигнала и возмущающего воздействия). На рис. 5, а даны частотные характеристики при резании с глубиной 1,1 мм, а на рис. 5, б -для глубины 0,25 мм. Если сравнить характеристики в районе одной из собственных частот инструмента (800 Гц), то видно, что с ростом глубины податливость (АЧХ) для этой частоты выросла в 1,7 раза. Это говорит о значительном влиянии координатной связи, проявляющей себя даже на такой малой глубине резания.
Суммарное усилие фрезерования имеет постоянную и переменную составляющие. Причем, чем больше число режущих кромок, тем меньше доля последней в суммарном усилии и это приводит к уменьшению этой части вибраций. Последнего можно добиться используя алмазно-абразивные головки, которые в настоящее время широко применяются для резания труднообрабатываемых ма-
териалов, в том числе природного камня.
Работа алмазно-абразивного инструмента, базируется на том, что в процессе резания обычно участвует большое число абразивных зерен, каждое, имея малые размеры, образует режущую поверхность. Такой процесс близок к силовому шлифованию. Каждое зерно срезает небольшой слой материала, в результате чего на обрабатываемой поверхности остается царапина ограниченной длины и весьма малой площади поперечного сечения. Обработанная поверхность образуется совокупностью множества микроцарапин.
В процессе резания лезвийной фрезой происходит изнашивание режущего лезвия, инструмент теряет свои первоначальные геометрические размеры и форму и, частично, режущую способность. Так фрезы изнашиваются, в большей степени, по задней поверхности лезвий на цилиндрической части и вспомогательных лезвий на торцовой части зубьев фрез. Наиболее интенсивному износу подвергаются угловые участки сопряжения главных и вспомогательных лезвий [3].
В процессе резания алмазноабразивной головкой износ происходит по большей части за счет выкрашивания абразивных зерен под действием сил резания и трения. Помимо износа на работе такого инструмента сказывается его засаливание. По мере изнашивания режущие поверхности постепенно изменяют форму и размеры. При этом более интенсивно изнашиваются, как уже отмечалось, места угловых переходов и выступов [3].
Действительные поверхности
фрагментов мозаики отличаются от номинальных (заданных в чертеже-эскизе) наличием неровностей, обра-
Вибродатчики Микрофон Датчик силы
АЦП |=> ЭВМ |=>
Файл данных
Усили-
тель
Рис. 6. Структурная схема комплекса ВА диагностики
зовавшихся при обработке поверхности и обусловленных колебанием инструмента и детали в процессе обработки, дефектами инструмента, особенностями кинематики обрабатывающего станка и др. Эти неровности называют волнистостью (элементарным отклонением поверхности любой формы) и шероховатостью (совокупность неровностей, образующихся при обработке). К шероховатости относят неровности, у которых отношение шага к высоте неровности менее 50, а к волнистости - от 50 до 1000 [4]. В некоторых случаях высота неровностей волнистости и высота шероховатости примерно одинаковы.
Точность при фрезеровании лезвийной фрезой для фрагмента мозаичного контура определяется, кроме геометрии, волнистостью обработанной поверхности, возникающей вследствие сложения окружной и осевой (трахоидальной) траекторий рабочего движения режущих кромок смежных зубьев фрезы. Она зависит от состояния режущей поверхности инструмента (усилие фрезерования, в т.ч. переменное), жесткости (в т.ч. динамической) системы СПИЛ. Точность фрагмента мозаичного контура при обработке алмазно-абразивными головками определяется, кроме геометрии, шероховатостью, на которую влияет зернистость абразива, режимы резания и износ головки.
Волнистость и шероховатость обработанной поверхности при вырезании фрагментов мозаик регламенти-
руется допустимыми размерами швов между ними. Как показывает практика без ухудшения зрительного восприятия, толщина шва для малых панно варьируется в пределах 0,010,5 мм. Обработанная поверхности контура находится внутри сопрягаемых фрагментов и поэтому чистота поверхности (шероховатость), в данном случае не является решающим фактором, определяющим качество контурного резания, в то время, как волнистость сказывается на возможности сопряжения фрагментов с получением заданного зазора между ними.
При использовании оборудования с ЧПУ, повышение уровня точности контура возможно в соответствие с износом инструмента следующими путями: 1. коррекцией траектории инструмента и 2. коррекцией режимов резания. Износ инструмента может быть определён посредством применения метода вибро-акустического (ВА) контроля [2].
В качестве примера (на рис. 6) представлена структура комплекса ВА диагностики, используемого в ОАО ЭНИМС.
Лиагностика износа режущего инструмента (лезвийного и абразивного) с помощью ВА сигнала в процессе вырезания фрагментом мозаичных панно как из хрупких, так и из пластичных материалов основана на следующих фактах:
Износ режущей кромки фрезы существенно меняет характер взаимо-
действия отдельных зубьев при входе и выходе из зоны резания. Это сказывается на колебаниях упругой системы на собственных частотах [2]. На основе этого эффекта могут строиться системы диагностики состояния лезвийного инструмента, в которых решение принимается на основе анализа сигналов, регистрируемых акселерометрами.
Износ шлифовальных кругов может носить разный характер. Круг может терять свою форму без потери режущей способности, но может терять и режущую способность из-за того, что пространство между режущими зернами забивается мелкими частицами обрабатываемого материала (засаливание). Эти моменты различным образом сказываются на харак-
1. Осипова Ё.П., Миков И.Н. Обзор технологических методов автоматизированного изготовления мозаичных каменных панно. - Горный информационно-аналитический бюллетень № 5,
2006. - С.314 -318.
теристиках сигналов, получаемых с акселерометров [2].
Итак, точность передачи геометрии контура, особенно при сопряжении, является показателем качества вырезанного фрагмента, следовательно, и всей мозаики в целом. На него среди прочих факторов оказывает влияние износ инструмента. Изменение геометрии режущей части инструмента приводит к искажению контура и его профиля.
Своевременная его диагностика и внесение коррекции в УП позволяет уменьшить это влияние, получить изделий заданной точности. Применение ВА методов контроля позволяет отслеживать процессы, происходящие в УС станка и зоне резания, оценивать степень износа инструмента.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Козочкин М. П. Виброакустическая диагностика технологических процессов. -М.: ИКФ "Каталог", 2005. - 186 с.
3. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. - М.: 1985.
4. Клепиков В.В., Бодров А.Н. Технология машиностроения. -М.: 2004. ШИЗ
— Коротко об авторах---------------------------------------------------------------
Козочкин Михаил Павлович - доктор технических наук, главный научный сотрудник ОАО «ЭНИМС»,
Осипова Лидия Петровна - аспирантка кафедры «Технология художественной обработки материалов», Московский государственный горный университет,
Миков И.Н. - доктор технических наук, профессор кафедры «Технология художественной обработки материалов», Московский государственный горный университет.
