Исследование процесса тонкого гравирования и создание системы мониторинга состояния режущего инструмента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Козлов, Андрей Петрович

• Козлов, Андрей Петрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Козлов, Андрей Петрович

Введение

Глава 1. Характерные особенности процесса станочного гравирования 7 и обзор существующих систем диагностики режущего инструмента.

1.1 Особенности процесса резания на гравировальном станке

1.2 Контроль состояния режущего инструмента в настоящее 7 время

1.3 Обзор существующих систем диагностики. И

1.3.1 Методы оценки состояния режущего инструмента, 15 основанные на информации, полученной вне основного времени работы оборудования

1.3.2 Методы активного контроля состояния режущего 16 инструмента

1.3.3 Обзор виброакустических методов диагностики состояния 23 режущего инструмента

1.3.4 Технологические проблемы, требующие новых решений в 33 области диагностики и мониторинга.

1.3.5 Выводы по обзору методов диагностики

1.4 Постановка задачи исследований

Глава 2. Экспериментальные исследования процесса тонкого 44 гравирования в производственных условиях. Определение направлений дальнейшей работы.

2.1 Разработка программного обеспечения для проведения 45 экспериментальных исследований.

2.2 Условия проведения экспериментальных работ на 60 прецизионном строгальном станке мод. МА 6465 СМФ

2.3 Результаты экспериментальных исследований.

2.4 Исследования ВА сигналов в разных точках упругой системы 67 станка и при самых низких скоростях.

2.5 Выводы по результатам предварительных исследований и 69 направления дальнейшей работы.

Глава 3. Математическое моделирование процесса тонкого 74 гравирования и определение природы импульсного характера ВА сигнала.

3.1 Предпосылки к построению модели процесса резания. 74 Физическое и математическое моделирование.

3.2 Построение простейшей математической модели процесса 76 тонкого гравирования и ее аналитическое решение.

3.2.1 Вводная часть. Расчетная схема и вид периодической 76 нагрузки.

3.2.2 Свободные и вынужденные колебания системы с одной 80 степенью свободы. j 3,2.3 Уравнение виброперемещений колебательной системы, i вынуждаемой произвольной нагрузкой Р(т).

3.2.4 Предлагаемая методика решения задачи.

3.2.5 Вывод формулы для виброперемещений y(t) «S

3.2.6 Приближенная оценка наибольшего виброперемещения y(t) 89 в установившемся колебательном процессе.

3.2.7 Выводы по аналитическому решению модели 92 динамической системы.

3.3 Особенности математического моделирования динамических 96 систем с помощью специализированных математических пакетов.

3.4 Моделирование динамической системы в соответствие с i предложенной математической моделью. Усложнение математического описания динамической системы и получение численных решений.

3.4.1 Переход к численным решениям математических моделей ИИ) динамических систем.

3.4.2 Моделирование силы резания при гравировании.

3.4.3 Разработка модели в среде Simulink.

3.4.4 О характере стружкообразования в процессе гравирования.

3.4.5 Образование ступенчатой стружки

3.5 Моделирование упругой системы резец-заготовка.

3.6 Определение собственной частоты режущего инструмента и ПО коэффициента демпфирования в исследуемой динамической системы.

3.7 Результаты моделирования в среде Simulink

3.8 Проверка адекватности исходной модели.

3.9 Исследование причин импульсной природы скачкообразного 122 ВА сигнала при пластических деформациях при ТГ.

3.10 Выводы по результатам математического моделирования и 141 объяснению физической природы импульсного характера диагностических сигналов.

Глава 4. Экспериментальные исследования информативности 143 характеристик силовых и ВА сигналов при ТГ.

4.1 Экспериментальный стенд и условия для проведения 143 экспериментов. Задачи исследований.

4.2 Построение амплитудных распределений импульсов ВА 145 сигналов. Исследование отображения вариаций скорости и глубины резания в параметрах ВА сигналов. п 4.3 Исследование отображения вариаций скорости и глубины резания в силовых параметрах.

1 4.4 Исследование отображения износа РИ в характеристиках

I силового и ВА сигнала.

4.5 Выводы по результатам экспериментов.

Глава 5. Разработка системы диагностики состояния РИ при ТГ.

Алгоритмы работы и требования к элементам системы контроля.

5.1 Возможные варианты размещения первичных 167 преобразователей виброускорения и силовых параметров на станке.

5.1.1 Размещение акселерометров для контроля «быстрых» и 167 «медленных» поломок РИ.

5.1.2 Использование дополнительных приспособлений для 169 повышения чувствительности работы системы диагностики. Особенности съема сигнала с вращающегося инструмента при контроле поломок и износа.

5.1.3 Размещение оборудования для измерения силы резания с 172 целью диагностики состояния РИ.

5.2 Общие требования к неопределенности измерений силовых 177 параметров различными методами.

5.3 Фильтрация получаемых сигналов. Типы фильтров. Рабочий 179 частотный диапазон.

5.4 Алгоритмы контроля поломок и износа РИ.

5.5 Выводы по элементам и алгоритмам работы системы 182 диагностики.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процесса тонкого гравирования и создание системы мониторинга состояния режущего инструмента»

Одна из основных задач современного хмашиностроительного производства связана с существенным повышением надежности станков с ЧГТУ, как эксплуатируемых автономно, так и в составе гибких производственных модулей с участием обслуживающего персонала или в режиме безлюдной технологии. В условиях ограниченного вмешательства оператора надежное функционирование станочного парка невозможно без применения диагностических систем, контролирующих работу основных элементов оборудования.

Одно из направлений при решении этой задачи связано с разработкой и внедрением систем диагностики режущего инструмента, позволяющих обеспечить длительную надежную автономную работу оборудования. Неконтролируемый предельный износ или поломка режущего инструмента в конечном счете приводит к браку изделия и простою оборудования. Преимущества использования активных систем диагностики в настоящее время не подвергаются сомнению.

Современные технологические тенденции в обработке резанием ставят перед исследователями задачи, которые сложно решить несмотря на разнообразие методов диагностики. Появление новых технологий, в которых физическая природа протекающих процессов мало изучена приводит к затруднениям при использовании известных зависимостей отображения состояния исследуемой системы в параметрах диагностического сигнала. Применение труднообрабатываемых материалов, например чугуна с вермикулярным графитом, требует изменений в конструкции инструментов, а также в материалах, используемых для их производства. Твердая обработка и высокоскоростное резания - широко внедряемые в настоящее время на производстве, требуют применения станков, обладающих высокой жесткостью и виброустойчивостью, что в значительной мере определяется процессами, протекающими при резании.

Внедрение новых технологий требует выявления новых или подтверждения старых зависимостей между параметрами, отображающими процесс резания, основываясь на которых возможно реализовать надежный алгоритм диагностирования основных элементов оборудования.

Одной из новых технологий, в настоящее время успешно применяемой на фабрике ГОЗНАК, является получение гравюр металлографских форм при помощи строгания. Еще недавно процесс гравирования относился, к ручному труду, почти к искусству. Теперь он реализуется на специальных станках с ЧПУ. Основной отличительной особенностью этого процесса является сочетание глубины резания, в среднем составляющей 20 мкм, и скорости резания, нижний предел которой составляет порядка 5 мм/мин. Эксплуатация гравировального станка показала сложность и ненадежность контроля состояния режущего инструмента оператором визуально, что приводит к работе сломанным и предельно изношенным резцом, а, следовательно, к браку и значительным временным простоям.

Целью данной работы является повышение автоматизации процесса резания на гравировальном станке и надежности функционирования режущего инструмента. Достижение указанной цели в работе обеспечивается путем решения актуальной научной задачи, состоящей в выявлении физической природы связи параметров диагностического сигнала с износом и поломками режущего инструмента на сверхпрецизионном гравировальном станке. В связи с этим, потребовалось исследование процесса резания на сверхнизких скоростях и режимах резания для получения представления о природе взаимосвязи процессов в зоне пластического деформирования с генерируемыми сигналами.

Результаты исследований подтвердили возможность разработки системы диагностики режущего инструмента, применяемого при строгально-гравировальных работах, а также позволили разработать требования к элементам этой системы диагностики.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Козлов, Андрей Петрович

Общие выводы и основные результаты работы:

1. Проведенный комплекс теоретических, экспериментальных, лабораторных и производственных исследований процесса ТГ позволил определить технические требования к элементам системы мониторинга состояния РИ при ТГ, виды и места установки первичных преобразователей, доработать алгоритм обработки диагностической информации.

2. Исследования процесса ТГ выявили особенности возникающего ВА сигнала, отличающие его от обычного процесса резания: В А сигнал при ТГ представляет собой набор отдельных импульсов, случайных по частоте и амплитуде.

3. Разработана математическая модель процесса ТГ в виде нелинейной замкнутой динамической системы, в которой учитывается анизотропия и неоднородность кристаллитов, деформируемых в зоне пластических деформаций. Адекватность модели результатам экспериментов подтверждена с помощью критерия согласия А.Н. Колмогорова.

4. Выявлена причина импульсной природы ВА сигнала при ТГ, заключающаяся в том, что и движение дислокации, и распространение микротрещин при пластическом деформировании происходит многоэтапно, где движение чередуется с процессами торможения с накоплением упругой энергии, при релаксации которой ее малая доля переходит в импульс ВА сигнала. Установлено, что случайная природа импульсов связана с анизотропией кристаллов, случайной ориентацией зерен в поликристалле, соизмеримостью размеров отдельных зерен с областью пластических деформаций. Определено, что амплитудное распределение ВА импульсов зависит от фазового состава обрабатываемого материала.

5. Установлено, что наиболее перспективными диагностическими параметрами при ТГ являются характеристики силовых и ВА сигналов, которые зависят от режимов резания, что необходимо учитывать в диагностических алгоритмах.

6. Установлено, что поломки РИ в процессе ТГ делятся на две категории: быстрые и медленные, результатом которых является исчезновение контакта РИ с заготовкой, что может служить общим диагностическим признаком. Определены характеристики силовых и ВА сигналов, которые монотонно растут с увеличением износа РИ и могут быть использованы в системе мониторинга.

7. Установлено, что при использовании в процессе ТГ скоростей резания более 100 мм/мин для контроля ВА сигналов акселерометр можно устанавливать как со стороны стола, так и со стороны заготовки, но при меньших скоростях контроль со стороны РИ становится единственно возможным.

8. Рассмотрены различные способы размещения первичных преобразователей на станке, показано, что для съема силовых и ВА сигналов с вращающегося РИ в отечественной и зарубежной промышленности существуют готовые решения. Предложены собственные (более дешевые) решения, реализация которых возможна силами предприятия. Предложены алгоритмы функционирования различных вариантов систем мониторинга и диагностики и технические требования к первичным преобразователям.

9. Разработаны рекомендации по оснащению станков для ТГ системами мониторинга и техническое задание на устройство для автоматического определения координат поломки резца, переданное на фабрику ГОЗНАК.

I [риложение I j Гравюра Основное время, час Путь, м Скорость резания, мм/мин

4М J ь 60 8,030 2,23

Портрет" чш ' 30 4,014 2,23

Циклоиды {OF* ' тИя 42 2,895 1,15

60 4,136 1,15

J 6,5 2,809 7,20

Розетка" 10 4,355 7,23

Жгм/а .1 10 1,138 1,89

Бордюр Вш| l 3 0,343 1,91

Акцизная за,5 5,019 2,2 марка(X) 20,0 4,613 3,8

РФ 3,5 0,808 3,8

10,0 1,961 3,3

Косичка 2,5 1,214 8,1 J

1,822

Гильеш 14,5 10,0 1,787 Г 2'1 ' 44

Н" 0,57 4,4

Прав. Роз. Ш } 18,0 1,21 1,1

Hi.' ■ 0,26

Текст КС ' 1Щ]| 4,5 1,674 6,2

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Козлов, Андрей Петрович, 2004 год

1. Барзов Л.Л. и др. Автоматизация диагностики условий механической обработки // Механизация и автоматизация производства. 1981. - № 10. - С.16-17.

2. Барзов А.А. и др. Пути повышения эффективности эксплуатации сборного режущего инструмента с многогранными пластинками. — М.: НИИМаш, 1980.-52 с.

3. Бармин Б.П. Вибрации и режимы резания. М.: Машиностроение, 1972.-72 с.

4. Билл Б., Госсвайлер К., Кирххайм А. Измерение сил резания. Точные измерительные системы для оптимизации процессов механообработки. Каталог, 2004. 45 с.

5. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов М.: Машиностроение, 1975.-344с.

6. Борисенко А.В., Терикова Л.Г. Акустическая динамика процесса резания и диагностика износа режущего инструмента. В сб.: Прочность и пластичность материалов в ультразвуковом поле. Часть 1.-Минск, 1973.-С. 143-147.

7. Вайхбродт и др. Определение износа инструмента по уровню звука при токарной обработке // Конструирование и технология машиностроения. — 1969. №3. — С.252-261.

8. Васильев С.В. Использование термоэлектрических явлений при резании для контроля процесса обработки. Рекомендации. М.: ОНТИ, ЭНИМС. - 1975.-32 с.15