Разработка методики диагностирования состояния режущего инструмента в режиме реального времени при сверлении отверстий в хрупких материалах

Гречишников Владимир Андреевич; Тарасов Андрей Викторович; Ганьшин Владимир Константинович; Живодров Олег Германович

THE ADVANTAGES OF USING INTEGRATED COMPUTER-AIDED DESIGN OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT ON THE EXAMPLE OF THE DEVELOPMENT OF TOOLS FOR MACHINING STEPPED

HOLES

Abstract. This article discusses the features and benefits of integrated computer-aided design in the development of a tool for machining stepped holes.

Keywords: axial tool hole multi-stage, holistic approach, designing.

УДК 621.95.01

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ПРИ СВЕРЛЕНИИ ОТВЕРСТИЙ В ХРУПКИХ МАТЕРИАЛАХ Гречишников Владимир Андреевич, д.т.н., профессор (e-mail: ittf@gmail.com) Тарасов Андрей Викторович, доцент (e-mail: ittf@gmail.com) Ганьшин Владимир Константинович, аспирант (e-mail: ittf@gmail.com), г. Москва, Россия Живодров Олег Германович, аспирант, (e-mail: ittf@gmail.com) Московский государственный технологический университет "Станкин ",

г. Москва, Россия

В статье кратко изложены основные положения теории подобия и методов анализа размерностей. Рассмотрено применение П-теоремы для анализа данных, связанных с износом ленточки спирального сверла. Разработаны критерии износа по задней поверхности спирального сверла, разработана методика диагностирования состояния режущего инструмента в режиме реального времени при сверлении отверстий в хрупких материалах.

Ключевые слова: теория подобия, анализ размерностей, П-теорема, износ по задней поверхности, сверление, хрупкие материалы, диагностика

Одной из последних тенденций в области машиностроение является применение различных видов диагностики для сокращения экономических издержек производства. Частным случаем подобной диагностики является определение состояния режущего инструмента, что обладает рядом очевидных достоинств. К примеру, диагностика износа режущей кромки режущего клина в режиме реального времени может позволить косвенно диагностировать качество обработанной поверхности, что позволяет избавиться от значительного количество брака за счет своевременной замены инструмента.

В данной работе рассматривается диагностика состояния спирального сверла при сверлении хрупких материалов, анализируя процесс механической обработки с помощью П-теоремы и методов анализа размерностей [1, 2].

П-теорема (вторая теорема подобия), которая так же известна как «Buckingham п theorem», предполагает, что функциональная зависимость между характеризующими процесс величинами может быть представлена в виде зависимости между составленными из них критериями подобия. Применяя безразмерные комплексы величин, полученные результаты можно распространить на все подобные процессы, уменьшить число величин, которые следует связать функциональной зависимостью.

Теорема утверждает, что если имеется зависимость между N физическими величинами, не меняющая своего вида при изменении масштабов единиц в некотором классе систем единиц, то она эквивалентна зависимости между, вообще говоря, меньшим числом P = N - K безразмерных величин, где K — наибольшее число величин с независимыми размерностями среди исходных N величин. П-теорема позволяет установить общую структуру зависимости, вытекающую только лишь из требования инвариантности физической зависимости при изменении масштабов единиц, даже если конкретный вид зависимости между исходными величинами неизвестен.

Допустим, мы имеем неявную функцию пяти переменных

f(a, b, c, d, e)=0. (1)

Пусть a, b и c - единицы измерения [4].

Под единицами измерения (первичными параметрами) в данном случае следует понимать размерности любых переменных исследуемого объекта, которые включают в себя все размерности переменных исследуемой функции. Первичные параметры выбираются самостоятельно удобным для исследователя способом [5]. Затем можно выразить остальные переменные через выбранные единицы

f (-dt-,—e—) = 0, (2)

a'1 byi cz 1 a'2 by2 cz2

или

f (*1,*2) = 0, (3)

то есть

d e

1 а" Ь"1 с21 2 ах2 Ь"2 с22 (4)

где жх,ж2 - критерии подобия (безразмерные комплексы); Критерий подобия — безразмерная величина, составленная из размерных физических параметров, определяющих рассматриваемое физическое явление. Равенство всех однотипных критериев подобия для двух физических явлений и систем — необходимое и достаточное условие их физического подобия. Критерии подобия представляют собой нетривиальные безразмерные комбинации, которые можно составить из определяющих параметров.

Определение критерия износа спирального сверла при обработке хрупких материалов

Стружка оказывает на переднюю поверхность сверла (рис. 1, 2) незначительное давление, поэтому износ по передней поверхности практически

отсутствует.

Рисунок 1 - Геометрия режущей части цельного спирального сверла (ГОСТ 17274-71) из твердого сплава ВК8 (ГОСТ 3882-74)

\Д \

/ ✓

45

90

Рисунок 2 - Геометрические параметры цельного спирального сверла (ГОСТ 17274-71) из твердого сплава ВК8 (ГОСТ 3882-74)

В связи с абразивным воздействием обрабатываемого материала и разрушением режущего лезвия резание хрупких материалов сопровождается интенсивным изнашиванием ленточки сверла и режущего лезвия по задней поверхности (рис. 3).

Рисунок 3 - Износ сверла:1 - по задней поверхности; 2 - по передней поверхности

В [5] был проведен анализ экспериментальных данных по сверлению серого чугуна с помощью П-теоремы. Авторы сделали вывод, что износ ленточки сверла Ъл является функцией ряда параметров, таких как: V - скорость резания [м/мин]; VS - скорость подачи [м/мин]; 1СВ - длина рабочий части сверла [мм]; БСВ - диаметр сверла [мм]; ^СЧ - твердость обрабатываемого материала [Па]; HVn - твердость поверхностного упрочненного слоя, [Па].

Исследователи осуществили переход от физических величин, влияющих на износ ленточки, к четырем безразмерным комплексам, имеющим физи-

ческий смысл: А = ¥/¥$ (характеризует кинематику процесса), В = !СВ/ЭСВ (характеризует жесткостные характеристики сверла), С = ИЛ/!СВ (показывает относительную величина износа ленточки); и Е = ИУСЧ/ИУп (характеризует физические особенности взаимодействия контактирующих поверхностей).

Тогда зависимость величины износа ленточки сверла от значения безразмерных комплексов выражается через уравнение

кл = СС1СВ (V) X У 2 , (5)

л ССВ V/ кБсв ИУп '

где Сс, х, у, 2 - эмпирические коэффициенты.

Однако износ ленточки зачастую не является информативным параметром и, как правило, более удобно выражать состояние режущего инструмента через износ по задней поверхности, который продолжает изменять свое значение и после того, как износ ленточки является максимальным, поэтому следует разработать уравнение аналогичное уравнению (5) для износа по задней поверхности. Помимо прочего, уравнение (5) не учитывает силовые характеристики, такие как осевое усилие и крутящий момент.

Учитывая сказанное выше, износ по задней поверхности (НЗ, мкм) можно представить как неявную функцию восьми переменных

к3 = /(1,У,Уа, Бсв , ИУОБМАТ, ИУп, Ра, Мр ) (6)

где ИВ - твердость обрабатываемого материала, [Па]; Р0 - осевое усилие, [Н]; Мкр - крутящий момент, [Н*м].

Сформировав в виде произведения основных параметров на произведение оставшихся параметров, взятых поочередно в степень единицы, при нулевых степенях остальных, в виде матрицы А :

А 71 1 0

А = «2 А 72 0 1 0

«з Аз 73 0 0 1,

где строки матрицы - степени размерных параметров, образующие безразмерные комплексы лм; коэффициенты «мАм,7м - степени основных параметров; лы - безразмерного комплекса, Можно получить следующее уравнение

Ь3 = 1СВСз (У)а (ИУобмат )Ь (^Мкр^)с (7)

3 СВ ^у/у ИУп КР0ВСВ '

где Сз, а, Ь, с - эмпирические коэффициенты.

Экспериментальные исследования [3, 4], выполненные на кафедре «ИТиТФ», показали, что зависимость износа по задней поверхности спирального сверла при обработке синтеграна имеет тенденцию линейного характера (рис. 4).

600 800 1000 1200 Аз, мкм

Рисунок 4 - Зависимость крутящего момента от износа при постоянных

скорости резания и осевой подаче: 1 - исходные сверла; 2 - сверла с покрытием (Т1А1)К; 3 - сверла с комплексной обработкой

Диагностировать силовые параметры сверла удобно, используя систему ЧПУ Б1ехКС-70, которая позволяет получать информацию о значениях осевых усилий и крутящем моменте в режиме реального времени с интервалами 10 миллисекунд (рис. 5)._

ШЕИЕЕЕВЕЗ

а Л

л К л / V- V

ч/ V/ V" \

■юм ЭСС0 55ССС1 7(0*

■ .1113.

J

Е

Г Ециа1 всаЬ: ' Пи ii.tr.Mj |_ъ иритм

I ОХ

Диапазон с рс-н ели

15 -17(2(0

Г 2иигт МииьЦгиЬ_ Г ШгарЬ С!с1с-с1 Мое

шии ПИ ЫЯ - сл | Снсцсп|

г Коррсктор№ • Ршнпстр. 9.0 О О

!■■ 7 Kxi.nl>

>н«.. ,

■

I '.УН II

ЦЬшрцДЯИ_[ЬтриТВ?_Ьшцаг« В

авпуск| ^ ^ а ^ «нЬкч /г.Г^таыстрс оп... | ¿г густою» пр... | ~

I _|

Рисунок 5 - Сила, регистрируемая в системе Б1ехКС-70 в режиме реального времени

Для определения износа по задней поверхности предлагается использовать прямой оптический метод (рис. 6, 7).

Рисунок 6 - Фотография износа задней поверхности вдоль главной режущей кромки

Рисунок 7 - Фотография цифрового видео-микроскопа, созданного на кафедре «ИТиТФ»

Таким образом, для диагностирования состояния сверла при обработке хрупких материалов возможно использовать следующий алгоритм:

1. Экспериментально установить значение крутящего момента, при котором испытуемый инструмент достигает состояния критического износа.

2. Разбить полученное значение времени обработки на 8-10 интервалов.

3. Сверлить отверстия, регистрируя крутящий момент и осевое усилие в режиме реального времени, останавливая процесс обработки, при истечении каждого из интервалов (8-10 раз).

4. Фиксировать после каждой остановки значение износа по задней поверхности с помощью цифрового видео-микроскопа (рис. 6).

5. С помощью критериального уравнения (7) определить зависимости износа задней поверхности сверла от других основных параметров, характеризующих процесс обработки.

Список литературы

1. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. — М.: Наука, 1981. — С. 31. — 448 с.

2. Бриджмен П. Анализ размерностей. — Ижевск: РХД, 2001. — С. 45. — 148 с.

3. Кокарев В.И., Федоров С.В., Велис А.К., Йе Мин Со. Исследование процесса сверления синтеграна твердосплавными сверлами с комплексным модифицированием режущей части. — М.: Вестник МГТУ «Станкин» №3 (26), 2013 — С. 45. — 49 с.

4. Кокарев В.И., Ганьшин В.К., Велис А.К., Аксютин П. А. «Исследование процесса обработки синтеграна сверлами с напайными твердосплавными пластинами», Вестник МГТУ «Станкин», М.: 2015 г. http://www.stankin-journal.ru/ru/articles/1169

5. Кряжев Ю.А., Чернов А.В. «Определение критерия износа спирального сверла на основе использования теории размерностей и подобия», с. 30-31.

Grechishnikov Vladimir Andreevich, Dr. of technical Sciences, Professor (email: ittf@gmail.com)Moscow state technological University "Stankin ", Moscow, Russia

Tarasov Andrey Viktorovich, associate Professor (e-mail: ittf@gmail.com)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Moscow state technological University "Stankin", Moscow, Russia

Ganshin Vladimir Konstantinovich, postgraduate student

(e-mail: ittf@gmail.com)Moscow state technological University "Stankin", Moscow, Russia

Zhivodrov Oleg Germanovich postgraduate student(e-mail: ittf@gmail.com)Moscow state technological University "Stankin", Moscow, Russia

DEVELOPMENT OF METHODS OF DIAGNOSIS STATE OF CUTTING TOOL REAL-TIME IN DRILLING BRITTLE MATERIALS

Abstract: In article basic provisions of the theory of similarity and methods of the analysis of dimensions are briefly stated. Application of the P-theorem for the analysis of the data connected with wear of a ribbon of a spiral drill is considered. Criteria of wear on a back surface of a spiral drill are developed, the technique of diagnosing of a condition of the cutting tool is developed in real time when drilling openings in fragile materials.

Keywords: the theory of similarity, the analysis of dimensions, the P-theorem, wear on a back surface, drilling, fragile materials, diagnostics