Повышение надежности фрезерования сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Гурин, Владимир Дмитриевич

• Гурин, Владимир Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гурин, Владимир Дмитриевич

4 ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Обеспечение надежности процесса резания на станках с ЧПУ.

1.2. Цель и задачи диссертационной работы.

2. АНАЛИЗ РАЗРУШЕНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОНЦЕВЫХ БЫСТРОРЕЖУЩИХ ФРЕЗ.

2.1. Исследование наростообразования при прерывистом резании.

2.2. Особенности изнашивания быстрорежущих концевых фрез на различных схемах фрезерования и количественные показатели их надежности.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В РЕЖУЩЕМ ИНСТРУМЕНТЕ.

3.1. Методика исследования температуры при прерывистом резании. 3.2. Результаты исследований температуры в.режущем клине инструмента.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ.

4.1 Методика измерения составляющих FV,FH,FZ.

4.2 Разработка методики расчета мгновенных значений составляющих

Fz и Fy по измеренным составляющим Fv и FH.

5. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ГРАФИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ЗУБ ФРЕЗЫ.

5.1. Построение математических моделей, описывающих влияние факторов процесса фрезерования на составляющие силы резания Fz и Fy.

5.2. Построение математических зависимостей функциональной связи составляющих Fz и Fy с составляющими Fy и FH.

ОБЩИЕ ВЫ ВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение надежности фрезерования сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам»

Современное машиностроительное производство все в большей и большей степени основывается на применении станков с ЧПУ, которые эксплуатируются как автономно, так и в составе ГПС.

Применение таких технологических систем в совокупности с прогрессивным режущим инструментом позволяет повысить эффективность производства за счет уменьшения вспомогательного и машинного времени при обеспечении заданного качества изготавливаемых изделий. Гибкость и быстропереналаживаемость технологической системы способствует модернизации выпускаемой продукции, что определяет выживаемость производителя в условиях острой конкуренции.

Это определяет основные пути развития технологического оборудования. Любую современную технологическую систему можно разделить на две системы: физическую и информативную. В физической системе происходит физический процесс, т.е. процесс преобразования материи и энергии. Управляемая физическая система взаимодействует с информативной управляющей системой, в которой происходит преобразование информации.

Физическая часть технологических систем по механической обработке совершенствуется путем механизации с тенденцией концентрации на одном рабочем месте видов обработки материалов резанием. Металлорежущие станки оснащаются высокооборотными шпинделями, высокоскоростными устройствами линейных перемещений по 5-8 координатам, что позволяет осуществлять простые и сложные траектории движения режущего инструмента. Работа таких высокомеханизированных систем в автоматическом и автоматизированном режиме стала возможной благодаря разработке и внедрению мощных и быстродействующих управляющих информативных систем.

Отечественный опыт и опыт зарубежных стран, эксплуатирующих гибкие производственные системы, показывает, что эта прогрессивная техника дает заметный экономический эффект при непрерывной круглогодичной эксплуатации [1] , т.е. простои из-за нарушения работоспособного состояния должны быть сведены к минимуму. Это возможно при обеспечении высокой надежности работы всех компонентов автоматизированных и автоматических технологических систем.

Данные, представленные в работе [2] , показывают, что при работе станков с ЧПУ оператор в среднем через каждые 6-22 мин вмешивается в работу станка по управляющей программе для устранения возникающих отказов с целью поддержания текущей работоспособности. Устраняемые оператором отказы режущего инструмента составляют от 23% до 63% . Исследования, проведенные службой Takeyama [3] в Японии, говорят о том, что время Простоя оборудования с ЧПУ из-за отказов, определяемых незапланированным износом и поломкой режущего инструмента при различных видах обработки, составляют от 39% до 50% . Простои же, обусловленные отказом оборудования, находятся в пределах всего 4-^6%. Следовательно, наиболее слабым звеном по надежности в автоматизированных технологических системах является режущий инструмент.

Анализ структуры отказов режущей части инструментов [4] показывает, что при обработке конструкционных углеродистых сталей твердым сплавом при точении доля отказов из-за изнашивания рабочих поверхностей составляет 7(Н80 %, скалывания - 10-К30 % , выкрашивания - 1-5-7 % . При фрезеровании доля отказов из-за скалывания и выкрашивания увеличивается до 75 %. У инструмента из быстрорежущих сталей отказы вследствие поломки значительно ниже и находятся в пределах 1+-2 %, что объясняется более высоким пределом прочности на растяжение и изгиб и меньшей твердостью. Однако доля отказов из-за поломки может возрастать при превышении допустимых значений текущего износа рабочих по верхностей. Это особенно касается быстрорежущих концевых фрез, по причине особенностей их конструкции, которые ослабляют прочность зубьев фрезы.

Фрезерование является одним из распространенных видов мехобработ-ки. Доля его особенно велика при обработке корпусных изделий и все больше увеличивается от замены растачивания на планетарное фрезерование. Процесс фрезерования концевыми фрезами является наиболее сложным процессом, так как происходит при переменных факторах в каждый момент времени рабочего хода фрезы. Следует также отметить, что пропуск отказа фрез из быстрорежущих сталей при обработке конструкционных углеродистых сталей может привести к катастрофическому износу, что сопровождается размазыванием рекристаллизованного инструментального материала по поверхности резания с последующим упрочнением при остывании. Твердость поверхностного слоя сопоставима с твердостью быстрорежущей стали. Деталь или бракуется, или проводится съем упрочненного материала заготовки инструментом с более твердой режущей частью, что требует дополнительного времени и режущего инструмента.

Несвоевременное обнаружение отказа режущего инструмента имеет самые различные последствия: от брака в изделии до поломки отдельных деталей и узлов технологического оборудования, что снижает эффективность производства.

Если произошел отказ режущего инструмента, то вне зависимости от причин отказа процесс резания прекращается, т.е. следствием отказа режущего инструмента является отказ процесса резания.

Таким образом, обеспечение высокой надежности процесса фрезерования концевыми быстрорежущими фрезами в условиях автоматизированного и автоматического производства является актуальной проблемой.

Одним из путей решения этой проблемы является создание и внедрение в технологическое оборудование систем контроля процесса резания и диагностирования состояния режущего инструмента.

Отказ режущего инструмента всегда происходит в процессе резания. Прекращение процесса резания ведет к недообработке детали. Деталь должна быть забракована или дообработана путем замены инструмента и подналадки станка, что требует вмешательства оператора.

Под контролем процесса резания, в данном случае, понимается управление резанием при его реализации, т.е. после распознавания отказа информативная система принимает и реализует решение изменить факторы процесса, таким образом, восстанавливая работоспособное состояние инструмента. Исключение вмешательства оператора ведет к увеличению уровня автоматизации. Управление резанием позволяет управлять надежностью процесса.

Разработка и внедрение таких систем является актуальной проблемой. Она практически не решена в современном станкостроении. Существующие системы управления исполнительными механизмами захвачены управлением перемещения по заданным координатам, отслеживая в каждый момент времени точность перемещения. Контроль процесса резания требует разрешение на очередное микроперемещение, т.е. если от системы диагностики поступает «О» (инструмент работоспособный) на обслуживающий перемещения процессор, то микроперемещение осуществляется, если поступает «1» (инструмент неработоспособный), то микроперемещение с заданными характеристиками невозможно. Это требует дополнительного времени на анализ поступающей на процессор информации, а, следовательно, разработки более интеллектуальной быстродействующей системы управления.

Надежность процесса резания определяется и надежностью режущего инструмента. Надежность инструмента обеспечивается на стадиях проектирования, изготовления и назначения факторов его эксплуатации. При конструировании и назначении режимов работы концевых фрез, как и другого инструмента, должны учитываться экстремальные значения параметров резания, а именно температура и напряжение от силы резания.

Диагностирование режущего инструмента в процессе резания осуществляется в результате сравнения действительного значения параметра или параметров процесса резания с предельно допустимым значением, устанавливаемым субъектом управления.

С целью обеспечения более высокой надежности процесса обработки путем диагностирования состояния режущего инструмента по косвенному диагностическому признаку, необходимо назначать предельное значение параметра резания, имеющего наибольшую вероятность безотказной работы режущего инструмента.

Наибольшую вероятность безотказной работы режущего инструмента обеспечивает косвенный диагностический параметр, в наибольшей степени зависящий от критерия отказа или являющийся наиболее чувствительным к его изменению.

Таким образом, разработка принципов диагностирования состояния концевых быстрорежущих фрез при обработке конструкционных углеродистых материалов является актуальной задачей, стоящей перед теорией резания. Решение этой задачи может быть осуществлено посредством установления и описания причинно-следственных связей: параметров и факторов процесса, прямых и косвенных диагностических признаков.

Целью данной диссертационной работы является повышение надежности концевых быстрорежущих фрез при обработке конструкционных углеродистых сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам. Достижение указанной цели в работе обеспечивается путем решения актуальной научной задачи, состоящей в выявлении косвенного диагностического признака наиболее чувствительного к изменению критерия отказа.

Для решения поставленной научной задачи необходимо:

- выявить критерий отказа при обработке конструкционных углеродистых сталей концевыми быстрорежущими фрезами на различных схемах обработки;

- выявить косвенные диагностические признаки возможных изменений в состоянии инструмента;

- описать взаимосвязь между факторами процесса, критериями отказа и диагностическими признаками;

- разработать методику для априорного выбора косвенного диагностического признака.

Решение поставленных задач осуществлялось на основе исследования условий эксплуатации концевых быстрорежущих фрез при обработке конструкционных углеродистых сталей на различных схемах фрезерования. Для выявления наиболее чувствительных диагностических признаков исследовались температура в режущем клине и силовые параметры, возникающие в процессе обработке.

При решении перечисленных задач получены следующие научные и практические результаты, которые выносятся на защиту.

Научная новизна работы:

- в значениях термических напряжений в режущем клине инструмента, возникающих во время рабочего и холостого ходов при фрезеровании сталей;

- в математических зависимостях, учитывающих влияние износа инструмента и режимов резания на составляющие силы резания при фрезеровании.

Практическая ценность работы заключается:

- в рекомендациях по выбору диагностических признаков в зависимости от режимов и схем фрезерования, позволяющих повысить надежность фрезерования сталей.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН», на Международных научно-технических конференциях «Качество машин-2001» в Брянске, «ПРОТЭК - 2002» в Москве, а также были удостоены серебряной медали третьего Московского Международного салона инноваций и инвестиций.

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ. Автор выражает благодарность научному руководителю работы зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С.Н. Григорьеву, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Гурин, Владимир Дмитриевич

Результаты исследования наростообразования на : фрезерования позволяют сделать вывод о том, что вектор силы резания приложен к середине активно; , • жущей кромки.

Исследования влияния изнашивания концевых бысг температуру методом «естественной термопары», i носитсльный прирост данного параметра колеблете : может быть использован в качестве диагностическое, ния инструмента.

Разработанный подход к изучению силовых параме нии, позволяет получить зависимости составляюн е-: износа инструмента.

Разработанная программа моделирования силовых г •; чивает выбор наиболее информативного диагносте' зависимости от условий эксплуатации инструмента. В зависимости от сочетания факторов и схем фре достижения предельного значения критерия отказа, fy, fv и fh приобретают относительный прирост обеспечивает возможность их использования в ка ских признаков. чных схемах ультирующий : и главной рееущих фрез на зают, что отделах 40% и ; fзнака состояi фрезеровали резания от

• I ров, обеспе-о признака в пия, а также е параметры чо 180%, что л иагностиче

Установленная высокая информативность силон:- гностических признаков, позволяет обеспечить надежную работу :ы диагностики состояния инструмента при фрезеровании.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гурин, Владимир Дмитриевич, 2004 год

1. Васильев В.Н., Васильев С.В. Гибкие производственные системы Японии. Экспресс информация. - М.: НИИ экономики, организации производства и тебхнико-экономической информации в энергетическом машиностроении, 1985, 46 с.

2. Палей С.М. Некоторые особенности эксплуатации токарных станков с ЧПУ на участке АСВ-20. В сб.: Автоматизированные участки из станков с ЧПУ, управляемые ЭВМ. - М.: ЭНИМЕ, 1981, с. 27-31.

3. Кочеровский Е.В., Лихциер Г.М. Диагностики состояния режущего инструмента по силовым характеристикам процесса резания. М., 1988 — 40 с.

4. Палей С.М. Диагностика режущего инструмента на станках с ЧПУ: -Учебное пособие. М.: Международная книга, 1998. 72 с.

5. Синопалъников В.А. Затупление быстрорежущего инструмента и способы повышения его работоспособности. В сб. Обработка конструкционных материалов резанием с применением СОЖ. М.: МД НТП им. Дзержинского, 1978, с 62 - 67.

6. Синопалъников В.А. Повышения надежности быстрорежущего инструмента. Станки и инструмент. 1983, № 7, с 23-24.

7. Кожевников Д.В. Сравнительные стойкостные испытания сверл, изготовленных на ТИЗ методами фрезерования и секторного проката. -Вильнюс, 1964

8. Старков В.К. Технологические методы повышения надежности обработки на станках с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1984, 120 с.

9. ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Термины и определения.

10. Ю.Эстерзон М.А. Обеспечение технологической надежности обработкидеталей в ГПС. М.: ЭНИМС, 1988, 60 с.

11. Автоматический контроль износа инструмента по температуре резания. Технология, оборудование, организация и экономика машиностроительного производства: Экспресс информ. Режущие инструменты. -М.: ВНИИТЭМР, 1985, №2, с. 4-9.

12. Синопалъников В.А., Терешин М.В., Тимирязев В.А. Диагностирование износа инструмента // Станки и инструмент. 1986, №1, с. 27-29.

13. ХЪ.Палей С.М., Решетов Д.Н., Антонов А.В. Контроль состояния режущего инструмента по силе резания. — Станки и инструмент. 1992, № 2, с 31-33.

14. Comment controber lusure des ontils de coupell Maschine moderue, 1984, special. - P. 13-15

15. Кибалъченко А.В. Контроль состояния режущего инструмента. — М.: ВНИИТЭМР 1986, 44 с.1 б.Подураев В.Н., Барзов А.А., Горелов В.А. Технологическая диагностика резания методом акустической эмиссии. — М.: Машиностроение, 1988. -56 с.

16. Козочкин М.П. и др. Диагностика режущего инструмента на станках с ЧПУ по акустическому сигналу: Метод, рекомендации М.: ЭНИМЕ, 1984,44с.

17. Вальков В.М. Контроль в ГАП. JL: Машиностроение, ленинградское отделение 1986. - 232 с.

18. Измерение износа методом радиоактивных изотопов с использованием облученных резцов: Экспресс информ. Режущие инструменты. М.: ВНИИТЭМР, 1983, №20, с. 1-17.

19. Перепелкин B.C., Симкин Д.И. Исследование процессов наростообразо-вания и изнашивания инструмента при точении углеродистых сталей. Горький, 1981.-26 с. Деп. в ВНИИМАШе 3 апр. 1981, № 112.-е. 81.

20. Синопалъников В.А., Григорьев С.Н. Надежность и диагностика технологических систем. Учебник. М.: ИЦ МГТУ Станкин, Янус-К. 2003. -331с.

21. Хает Г.Л. Качество и надежность режущих инструментов. Надежность режущего инструмента. Сб. статей. Киев — Донецк: Виша школа. 1975. Вып. 2. с. 3-11.

22. Шор Я.Б., Кузьмин Ф.И. Таблица для анализа и контроля надежности.-М.: Советское радио, 1968.- 288 с.

23. Зорев Н.Н. Обработка стали твердосплавным инструментом в условиях прерывистого резания с большими сечениями среза. Вестник машиностроения. №2, 1963.

24. Гостев Г.В., Колюнов В.А., Гусев Е.В. Исследование закономерностей рассеивания стойкости торцевых и концевых фрез.// Физико-химические процессы резания материалов: Межвузовский сборник. Чебоксары. 1986. с. 75-77.

25. Справочник металлиста в 5-ти томах / под ред. Маслова А.Н. М.: Машиностроение, 1977.

26. Резников А.Н. Теплофизика резания. М.: Машиностроение, 1969.

27. Лимонов И.П., Хорольский В.М. Определение температурного поля отрезного резца. Вестник машиностроения. №11, 1963.

28. ЪЛ.Резников А.Н., Темников А.В., Лимонов И.П. Моделирование стационарных тепловых полей в клине с учетом зависимости теплопроводности от температуры. Вестник машиностроения. №11, 1963.

29. Резников А.Н., Новоселов Ю.А. Теплофизика цилиндрического фрезерования. М., ВНИИ, 1956.

30. Рыкалин Н.Н, Подзей А.В., Новиков Н.М., Логинов В.Е. Расчет и моделирование температурного поля в изделии при шлифовании и фрезеровании. Вестник машиностроения. №11, 1963.

31. Ъ1.Даен Э.Д. Измерение температуры в зоне резания и пути ее снижений. В сб. Обработка конструкционных материалов резанием с применением СОЖ. М.: МД НТП им. Дзержинского, 1978.

32. Зорев Н.Н. Исследования в области резания материалов в ФРГ. М.: Машгиз, 1960

33. Верещака А.С., Проворное М.В., Кузин В.В., Тимогцук Е.А. Исследование теплового состояния твердосплавного инструмента методом многопозиционных термоиндикаторных веществ, Вестник машиностроения. №1,1986.

34. Кремнев А.С., Синопалъников В.А. Изменение структуры и свойств в режущей части инструментов из быстрорежущих сталей в процессе непрерывного резания. Вестник машиностроения. №5, 1974.

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

36. Вульф A.M. Резание металлов. Изд. 2. Л.: Машиностроение, 1973, 496 с.

37. АЪ.Розенберг A.M. и др. Резание материалов и инструмент. М.: Машиностроение, 1964, 226 с.