close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование процесса контроля режущего инструмента методами виброакустики с целью обеспечения требуемого качества поверхностного слоя деталей машин

код для вставкиСкачать
AJI JI E H O B n M Vrr Pulkl
r E H HAAb
EB
UrI
COBEP TIIEHCTBOBAHI,IE TIPOIIECCA KOHTP
O
PEXyIqETO pIHCTPyMEHTA METOAAMIT
JIfl
TI{KI,I C IIEJIbIO OEE CilEIIEH.VTfl
TPEFYT,MOIO KATIECTBA TIOBEPXHOCTHOIO CJIOfl
BI,IEP OAKYC
AETANEIZ MAIIIIIH
05.02.07
-
TexuoJrorr4r n o6opyAoBaHr{e MexaHllrrecroft n SnsuroTexHzrrecrofi o6pa6orrn
ABTOPEOEPAT
Ar4cceprapr Ha collcKanve yueHofi crerIeHLI
KaHAI,IAara rexHLIqecKLIX HayK
Mocrea - 201 8
Работа выполнена в департаменте машиностроения и приборостроения,
инженерной
академии
федерального
государственного
автономного
образовательного учреждения высшего образования «Российский университет
дружбы народов».
Научный руководитель:
Официальные
оппоненты:
Ведущее предприятие:
доктор технических наук, профессор
Козочкин Михаил Павлович – профессор
кафедры высокоэффективных технологий
обработки ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»
Доктор технических наук, профессор
Ямникова Ольга Александровна – специалист 1
категории сектора оценки рисков управления
программно-целевого планирования АО "НПО
"СПЛАВ";
Кандидат технических наук
Кондратьев Игорь Михайлович – c.н.с.
лаборатории управления технологическими
процессами и системами ИМАШ РАН
ФГБОУ ВО «Московский государственный
технический университет им. Н.Э. Баумана
(национальный исследовательский университет)»
(«МГТУ им. Н.Э.Баумана»)
Защита состоится «__» июня 2018 года в «____» часов на заседании
диссертационного совета Д.212.142.01 при ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» по
адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Московский
государственный технологический университет «СТАНКИН» и на сайте
http://www.stankin.ru/science/dissertatsionnye-sovety/d-212-142-01/.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения
(организации), просим направлять по указанному адресу в диссертационный совет
Д.212.142.01 на имя ученого секретаря совета.
Автореферат разослан
«___» __________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д.212.142.01.
д.т.н., проф.
Ю.Е. Петухов
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современные тенденции развития обрабатывающей
промышленности ясно показывают на примерах промышленно развитых стран, что
ориентация на создание автоматизированных технологических комплексов,
способных функционировать при минимальном вмешательстве персонала, является
неизбежной перспективой конкурентоспособного производства. Подобные
комплексы невозможно представить без систем мониторинга и диагностики,
собирающих информацию о состоянии важнейших узлов и технологических
процессов, формирующих корректирующие и управляющие воздействия.
Существующая вероятность поломки и неизбежный износ режущего инструмента
вызывают постоянную озабоченность специалистов при создании и
совершенствовании автоматизированных комплексов.
Проблема диагностики режущего инструмента усугубляется еще и тем, что
современное производство предъявляет постоянно растущие требования к качеству
изделий. Безотказность и долговечность ответственных изделий, сохранение их
эксплуатационных свойств является актуальной задачей в машиностроении и
металлообработке уже многие годы. Данные показатели зависят от множества
факторов, которые обеспечиваются на разных этапах жизненного цикла изделия,
включая технологические операции, обрабатывающий инструмент и состояние его
режущих кромок. Именно состояние режущих кромок используемого инструмента
определяет характеристики поверхностного слоя изделия, его напряженнодеформированное состояние, которое оказывает прямое воздействие на
эксплуатационные свойства ответственных изделий. Обеспечение в процессе
функционирования автоматизированного комплекса мониторинга состояния
режущего инструмента с целью стабилизации остаточных напряжений и
деформаций в деталях, с повышенными требованиями к качеству поверхностного
слоя, является актуальной задачей, решение которой даст возможность повысить
долговечность и безотказность ответственных изделий.
В разные годы при создании систем диагностики режущего инструмента
применялись разные критерии его отказа, которые закладывались в системы
мониторинга. Это были экономические критерии, опирающиеся на количество
возможных переточек, критерии, связанные с ростом вероятности скола режущей
пластины, критерии, связанные с необходимостью безостановочной обработки
изделия в течение технологического перехода и т. п. В рамках настоящей работы в
качестве критерия отказа режущего инструмента формируется такой, который не
допустит таких изменений режущей кромки, которые вызовут недопустимый рост
остаточных деформаций и напряжений в поверхностном слое изделия. Поиск
соответствующего диагностического признака, обеспечивающего возможность
подобного мониторинга, является важной задачей, решение которой позволит
выпускать в условиях автоматизированного производства ответственные изделия с
требуемыми характеристиками поверхностного слоя.
3
Цель работы состоит в совершенствовании процесса токарной обработки
ответственных деталей за счет автоматизации контроля состояния режущего
инструмента методами виброакустики для ограничения интенсивности деформаций
поверхностного слоя деталей
Задачи исследования:
– исследовать вопросы механики процесса резания для формирования
основных подходов для математического моделирования процесса точения резцами
с разным состоянием режущей кромки;
– создать математическую конечно-элементную модель процесса резания,
позволяющую выявить влияние геометрии износа режущей кромки резцов и
режимов резания на интенсивность деформаций поверхностного слоя изделия;
– на основании существующих методов экспериментальных исследований
влияния состояния режущей кромки резцов на напряженно-деформированные
состояния поверхностного слоя детали разработать практическую методику
проверки адекватности результатов математического моделирования;
– подготовить экспериментальную базу и провести проверку влияния износа
режущего инструмента на напряженно-деформированное состояние поверхностного
слоя, оценить адекватность расчетной модели;
– исследовать влияние характеристик поверхностного слоя, полученных при
точении инструментом в разных состояниях, на эксплуатационные показатели
детали;
– исследовать информативность различных диагностических параметров,
применимых для контроля износа режущего инструмента в условиях
автоматизированного
производства,
разработать
алгоритм
обработки
диагностических сигналов для косвенной оценки состояния режущей кромки резцов
с точки зрения влияния на интенсивность деформаций поверхностного слоя изделия;
– создать на основе виброакустических сигналов комплексную расчетноэкспериментальную методику оценки износа режущего инструмента, позволяющую
стабилизировать интенсивность деформаций поверхностного слоя деталей.
Объектом исследований является токарный режущий инструмент,
применяемый при точении ответственных деталей с высокими требованиями к
качеству поверхностного слоя изделия.
Предметом исследования являются закономерности влияния износа резцов
на интенсивность деформаций и другие характеристики поверхностного слоя
деталей и связи этих характеристик с параметрами косвенных диагностических
сигналов, возможности формирования по этим параметрам критериев отказа
режущего инструмента в системах мониторинга.
Методы исследования. Математическая модель процесса резания создана на
основе программы Deform 3D. Исследование напряжённо-деформированного
состояния поверхностей деталей проведено методом делительных сеток.
Микроструктура поверхностного слоя деталей была выявлена на микрошлифах с
4
помощью
травления
и
дальнейшего
исследования
на
микроскопе.
Экспериментальные исследования проводились с применением теории
планирования экспериментов. Математическая обработка экспериментальных
данных проведена с использованием программного комплекса MathCad.
Достоверность
результатов
обеспечивалась
многократным
повторением
экспериментов, результаты которых были сопоставимы с графическими
зависимостями, полученными с помощью разработанной математической модели.
Научная новизна работы заключается в:
– установлении связей между геометрическими характеристиками износа
токарного режущего инструмента и изменениями интенсивности деформаций по
глубине поверхностного слоя обработанной детали;
– установлении связей между изменением интенсивности деформаций
поверхностного слоя детали, определяемых ухудшением геометрии износа режущей
кромки, и изменениями спектральных характеристик виброакустического сигнала,
сопровождающего резание;
– установлении связей между изменением спектральных характеристик
виброакустического сигнала, сопровождающего фрикционный контакт резец-деталь
при точении с переменным износом инструмента и величиной натяга в контакте;
– в разработке критерия отказа инструмента с позиций допустимых
деформаций поверхностного слоя, индифферентного к изменению режимов резания,
опирающегося на относительное изменение спектральных характеристик
виброакустического сигнала на периоде стойкости режущей кромки.
Теоретическая значимость. На основе проведенных исследований показана
взаимосвязь между износом режущей кромки токарного инструмента,
интенсивностью деформаций по глубине поверхностного слоя и параметрами
виброакустического сигнала, сопровождающего резание. Определены основные
закономерности изменения спектрального состава виброакустического сигнала по
мере увеличения интенсивности деформаций поверхностного слоя, при наличии
адгезионного трения по задней грани и при возникновении интенсивных
автоколебаний.
Практическая значимость работы заключается в:
- разработке расчетно-экспериментальной методики, позволяющей расчетным
путем оценивать влияние режимов резания и геометрии износа режущего
инструмента на интенсивность деформаций поверхностного слоя деталей по его
глубине, что дает возможность заранее выбирать режимы обработки деталей,
обеспечивающие требования к ограничению интенсивности деформаций
поверхностного слоя;
- методике определения критерия отказа режущего инструмента по
косвенному признаку, использующему параметры виброакустического сигнала,
сопровождающего резание, который может применяться в автоматизированном
оборудовании для оперативного контроля состояния режущего инструмента;
5
- предложенном алгоритме обработки виброакустических сигналов,
генерируемых в зоне резания и в структуре информационно-измерительных систем,
которые должны реализовываться на автоматизированном оборудовании для
мониторинга состояния режущего инструмента с целью стабилизации
характеристик качества поверхностного слоя ответственных деталей.
Степень достоверности. Достоверность результатов, полученных в ходе
исследования, обеспечивается применением общих законов теории резания,
сопротивления
материалов,
материаловедения,
теории
колебаний
и
вибродиагностики. Результаты, полученные расчетными методами, проверялись
экспериментальными
исследованиями.
Экспериментальные
исследования
проводились с помощью современного оборудования и аттестованных приборов.
Математическая обработка экспериментальных данных проведена с использованием
современных программных комплексов, таких как Компас- 3D, MathWorks и др.
Основные положения, выносимые на защиту:
- конечно-элементная модель, описывающая влияние изменения геометрии
режущей кромки инструмента и режимов резания на развитие интенсивности
деформаций по глубине поверхностного слоя на примере токарной обработки
деталей с высокими требованиями к качеству поверхностного слоя, результаты
расчетов и их анализ;
- экспериментальная методика оценки влияния разрушений режущей кромки
резцов на интенсивность деформаций по глубине поверхностного слоя детали и
результаты ее использования для проверки результатов расчетов;
- результаты исследований влияния токарной обработки инструментом с
разным состоянием режущей кромки на механические характеристики
поверхностного слоя детали и на показатели износостойкости изделия;
- методика построения базы данных виброакустических критериев отказа
режущего инструмента для разных режимов резания с точки зрения влияния на
интенсивность деформаций поверхностного слоя изделия;
- алгоритм обработки виброакустического сигнала сопровождающего точение
в системе мониторинга и формирование критерия отказа режущего инструмента для
обеспечения технических требований к поверхностному слою изделия.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. По теме и
содержанию материалов диссертационная работа соответствует научной
специальности 05.02.07 – «Технология и оборудование механической и физикотехнической обработки» в части п.3, п.4 раздела «Области исследований» её
паспорта.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований
докладывались
на
международных
научно-технических
и
научноисследовательских конференциях: всероссийская конференция «Инженерные
системы» - 2015» (Москва, 2015 г.); XIX научно-техническая конференция
преподавателей, сотрудников и аспирантов факультета «Современные инженерные
6
технологии»» (Москва, 2016 г.); «Современные тенденции в технологиях
металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и
комплектующих изделий» (Уфа, 2016); «Современные направления и перспективы
развития технологий обработки и оборудования в машиностроении» (Севастополь,
2017); доклад на кафедре «Технологий машиностроения, металлорежущих станков
и инструментов» Российского университета дружбы народов; доклад на кафедре
«Стандартизация, сертификация и управление качеством производства
нефтегазового оборудования» РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина;
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из которых 5
работ входят в перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК,
2 работы входят в перечень рецензируемых научных изданий Scopus, 1 статья подана
в печать, получен один патент на изобретение, в рассмотрении находится одна
заявка на изобретение (в соавторстве).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений.
Общий объем диссертации 193 стр., 117 рисунков, 24 таблицы, __ стр.
приложения.
7
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрывается актуальность темы диссертационной работы по
созданию
системы
мониторинга
состояния
режущего
инструмента,
обеспечивающей стабилизацию интенсивности деформаций поверхностного слоя
изделия для повышения качества изготовления ответственных деталей при точении;
выявляется необходимость создания информационно-измерительных систем,
осуществляющих в процессе резания контроль интенсивности деформаций
поверхностного слоя; определена цель и задачи исследований; приведены научная
новизна, практическая ценность, положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены работы по изучению вопроса мониторинга
состояния режущего инструмента в процессе обработки, исследования влияния
параметров резания на характеристики поверхностного слоя и эксплуатационные
показатели деталей отечественных авторов: Б.И. Костецкий, М.О. Якобсон, Н.И.
Зорев, А.М. Сулима, А.А. Маталин, П.И. Ящерицын, А.Г. Суслов, И.В. Кудрявцев,
Д.Д. Папшев, В.М. Смелянский, В.И. Серебряков, В.Ф. Безъязычный и др. и
зарубежных авторов: К. Джонсона, Т. Хисакадо, Е. Салье, К. Велиинберга, Р.
Хольма, Г. Эрлиха, Т. Накамура, Х. Утса, Р. Уотерхауса и др.
Анализ существующих исследований показал, что наиболее приемлемыми к
производственным условиям методами контроля износа инструмента являются
методы, основанные на регистрации виброакустического сигнала и измерении
мощности привода. При рассмотрении вопроса о влиянии параметров резания на
качество поверхностного слоя и эксплуатационные характеристики выявлено
существенное влияние износа инструмента на параметры поверхностного слоя
(напряженно-деформированное состояние, степень деформации, микро- и
субструктурное состояние и химический состав), которые в конечном итоге влияют
на общую прочность детали.
В результате анализа литературных источников были поставлены
перечисленные выше цели и задачи исследований, предусмотренные настоящей
работой.
Во второй главе решается актуальная задача по созданию динамической
модели процесса резания с использованием МКЭ для анализа влияния износа
инструмента, его геометрии и режимов резания на деформацию поверхностного
слоя обрабатываемой детали с целью получения расчетной методики выбора
условий обработки, обеспечивающих технические требования к качеству
поверхностного слоя детали.
Для исследования были выбраны следующие параметры: скорость резания от
50 до 150 м/мин, передний и задний углы резца от 0° до 15°, износ инструмента
моделировался за счет изменения радиуса скругления у вершины резца в пределах
R=0,02…0,12 мм. Участок обрабатываемой стальной заготовки, используемый для
расчетов, имел толщину 0,7 мм, длину 10 мм, глубину резания 0,1 мм. Материал
обрабатываемой заготовки – сталь Ст45, инструмент принят идеально
(1)
8
жестким. При моделировании выбран критерий разрушения Кокрехта-Лантама
(Cockcroft and Latham), определяемый по формуле:
̅ ∗
 = ∫0
̅

̅ ,
где ̅ – эквивалентное напряжение по Мизесу;  ∗ – максимальное главное
напряжение; ̅ – накопленная эквивалентная деформация.
В ходе моделирования было получено распределение интенсивности
остаточных деформаций по глубине поверхностного слоя. На рис. 1 показан пример
распределения скоростей деформации при моделировании процесса резания.
Рис. 1. Поле скоростей деформации при врезании режущего инструмента
Анализ результатов моделирования позволил построить графики влияния
изменения углов резца, скорости резания и радиуса скругления режущей кромки на
распределение интенсивности деформаций по глубине поверхностного слоя (рис. 2).
Рис. 2. Распределение деформации по глубине при изменении углов резца,
скорости резания и радиуса скругления
По итогам исследования были построены графики влияния переднего и
заднего углов резца, его радиуса скругления при вершине и скорости резания на
интенсивность остаточных деформаций. По данным графикам был сделан вывод,
что наибольшее воздействие на напряженно-деформированное состояние
поверхности оказывает износ инструмента, который при моделировании учитывался
в виде переменного радиуса скругления у вершины режущего клина. Влияние
9
скорости резания и главных углов резца на остаточные деформации весьма
незначительно у поверхности и более выражено при отдалении от зоны резания.
Третья глава посвящена разработке методики экспериментального анализа
воздействия лезвийной обработки инструментом с различными формами износа
режущих кромок на состояние поверхностного слоя образцов. Для этого был выбран
метод, основанный на теории пластического течения.
Для реализации методики использовалась конструкция, состоящая из двух
призматических заготовок, скрепляемых между собой двумя цилиндрическими
штифтами. На одной из них была нанесена прямоугольная сетка размером 100х100
мкм (рис. 3).
3
1
2
Рис. 3. Схема собранной модели (1 – штифты; 2 – полумодели; 3 –
координатная сетка)
В качестве способа нанесения сетки на поверхность исследуемых образцов
использовался метод царапания. Обработка исследуемых образцов проводилась на
строгальном станке вдоль координатной сетки, тем самым имитируя точение в
развернутом виде.
Количественная оценка образовавшихся деформаций определялась
аналитически по относительным параметрам искажений формы и местоположения
начальных и текущих размеров идентичных ячеек координатной сетки (рис. 4).
10
Рис. 4. Измерение размеров координатной сетки
Линейные и угловой компоненты тензора деформаций, а также комплексная
характеристика плоского деформированного состояния определялись по формулам:
 =
−′

;  =
−′

′
′


+   ′ ;  = − ′ − ( − )   ;
(2)
 +   − 
 sin 2
 =
+
cos 2 +
;
2
2
2
 +
 −
 sin 2
 =
−
cos 2 +
;
 =
2

2
 −
2
2
√2
3
= −(
) sin 2 +
2
 cos 2
2
(3)
(4)
;
(5)
3
2
√( −  )2 + 2 + 2 + 
(6)
2
где a,b,δ – размеры ячейки до обработки, a',b',δ' – после;  ,  – деформации
по оси X и Y,  – угловая деформация;  – интенсивность деформации
0,016
0,35
А
0,014
0,3
0,012
0,25
0,01
Б
0,2
0,008
0,15
0,006
0,1
0,004
0,05
0,002
0
0
-0,002
1
1 заг.
2
2 заг.
3
3 заг.
4
5
4 заг.
6 -0,05
5 заг.
11
1
2
1 заг.
3
4
2 заг.
5
3 заг.
6
0,05
0
-0,05
0,8
В
Г
0,7
1
2
3
4
5
6
0,6
-0,1
0,5
-0,15
0,4
-0,2
0,3
-0,25
0,2
-0,3
0,1
-0,35
0
-0,4
-0,1
1 заг.
4 заг.
2 заг.
5 заг.
3 заг.
1
2
1 заг.
4 заг.
3
4
2 заг.
5 заг.
5
6
3 заг.
Рис. 5. Среднее значение деформаций  (А),  (Б),  (В),  (Г)
Итоги расчетов представлены на рисунке 5. По данным графикам можно
судить о том, что с увеличением износа резцов значения деформации εx и εy и
глубина их проникновения в поверхность увеличиваются по обеим осям.
Деформации достигают максимального значения при приближении к поверхности
резания, что объясняется деформацией поверхностного слоя непосредственно
режущим инструментом. Стоит отметить, что износ инструмента – это сложное
понятие, и хотя высота фаски износа по задней грани резца является превалирующей
характеристикой износа, она не полностью определяет влияние износа на
поверхностный слой изделия.
По данным, полученным в натурном эксперименте, проведена проверка
адекватности компьютерной модели. Для этого математическим методом, с
помощью функции предсказания, была найдена интенсивность деформации на краю
обработанной поверхности и построен график (рис. 6).
Рис. 6. Изменение интенсивности деформаций по глубине поверхностного
слоя при различной степени износа режущей кромки при экспериментальном (а)
и математическом (б) методах исследования
12
В отличие от расчетных графиков (рис. 6, б), убывающих близко к линейному
закону, экспериментальные графики (рис. 6, а) убывают по закону, напоминающему
экспоненциальный. Также значения деформации, полученные математическим
моделированием, завышены по сравнению с экспериментальными. Эти различия
можно объяснить, как несовершенством математических методов, так и наличием
допущений, которыми пришлось воспользоваться при моделировании. К таким
приближениям можно отнести: задание износа инструмента в виде радиуса
скругления режущей кромки (что не соответствует реальной картине износа),
принятие инструмента идеально жестким и др. Эти допущения формируют более
значительные объемы деформируемого («подминаемого») материала, которые
влияют на вычисляемые значения деформаций в поверхностных слоях детали. Также
предполагается, что в программе расчета сложная зависимость модуля упругости
материала заготовки от температуры в зоне резания учитывается не совсем
корректно. Обращает на себя внимание и тот факт, что резец №5 (h3=0,8мм)
деформирует поверхность значительно сильнее резца №4 (h3=1,1мм). Здесь
сказывается сама форма разрушения кромки.
В четвертой главе рассмотрено влияние износа инструмента на параметры
качества поверхностного слоя и исследовано влияние данных параметров на
эксплуатационные показатели детали.
Для определения общей зависимости шероховатости от износа инструмента
был проведен однофакторный эксперимент. Резцами, оснащенными пластинами с
разной степенью и формой износа, проводилась обработка стальных заготовок на
строгальном и токарном станках. В качестве материала исследуемого образца была
взята Ст. 45, режимы резания: v = 100 м/мин, t = 0,2 мм.
Рис. 7. Зависимость
шероховатости от резцов с
различной степенью фаски
износа по задней грани
В ходе опытов были получены результаты, которые показывают
возрастающую зависимость шероховатости поверхности от износа инструмента.
По проведенным измерениям видно, что высота микронеровностей Rz и среднее
арифметическое отклонение профиля Ra с ростом износа сначала уменьшаются, а
в дальнейшем возрастают. Данные результаты хорошо объясняются с точки зрения
13
теории резания. Снижение шероховатости во втором резце можно объяснить
«приработкой» резца, а дальнейшее ухудшение качества поверхности является
следствием увеличения амплитуды вибраций и ростом толщины слоя материала,
«подминаемого» резцом из-за ухудшения режущей способности кромки пластин.
Для проведения исследования влияния износа инструмента на твердость
поверхности были взяты 5 образцов из Ст. 45. По результатам, полученным с
помощью микротвердомера, были построены графики зависимости твердости от
глубины при обработке резцами с различной степенью износа режущего клина (рис.
8).
Рис. 8. Распределение твердости
по глубине после обработки
резанием резцами с разным
износом режущей кромки
Как видно из графиков, наибольшую твердость HV=340 кгс/мм2 имели
образцы, обработанные резцами 3 и 4, имеющими фаску износа по задней грани
hз=0,68 мм и hз=1,1 мм соответственно, а распределение твердости по глубине в
данных образцах происходило равномерно и плавно снижалось с увеличением
расстояния от поверхности резания. На образцах, обработанных резцами 2 и 4, с
hз=0,6 мм и hз=0,8 мм, максимальное значение твердости равняется HV=200 кгс/мм2
и HV=195 кгс/мм2. Убывание твердости по глубине, в данном случае, имеет
неравномерный характер. Более низкие значения твердости объясняются наличием
более острой режущей кромки на резцах, а неравномерность может быть связана с
неравномерной структурой на поверхности металла после механической обработки.
Исследование микроструктуры подтвердило полученные данные. На образцах,
обработанных 3 и 4 резцами, структура имела нормальный вид с преобладанием
перлита, что придает поверхности большую твердость, а на образцах 2 и 5 структура
более дисперсная и неоднородная с большим количеством феррита. Данная
неоднородность и повлияла на разброс показаний твердости. Снижение твердости
на самом верхнем слое для резца 5 можно объяснить слишком большими
деформациями этого слоя и появлением микротрещин.
Далее для исследования зависимости износостойкости деталей от качества
поверхностного слоя были изготовлены 30 призматических заготовок из Ст. 45,
14
твердостью 25-35 HRС и размером 20х10х10 мм, обработанные резцами с различной
степенью износа. В качестве пары трения выступил ролик из стали У8А (HRC 5862). Время испытания под рабочей нагрузкой – 6 минут; начальная температура –
23˚C; частота вращения ролика – 500 об/мин, ролик находится в масляной ванне;
масло – Lukoil 10w40, 50 мл. Испытания проводились на машине трения МТ-10.
Время испытания каждого образца было выбрано опытным путем таким образом,
чтобы за время проведения эксперимента фаска износа успела снять слой
шероховатости. Необходимость в этом обуславливается необходимостью оценить
влияние, как шероховатости, так и деформации поверхностного слоя на
износостойкость образцов. По полученным данным были построены следующие
графики (рис. 9 А, Б, В, Г).
Рис. 9. Влияние шероховатости и нагрузки, приложенной к образцам на: А –
температуру в зоне трения, Б – изменение массы образцов, В – площадь фаски
износа, Г – глубину фаски. 1, 2, 3, 4, 5 – линии, показывающие участки
поверхности, полученные после обработки резцами с различной степенью износа
Из данных графиков можно сделать выводы, что при увеличении
шероховатости и нагрузки, температура в зоне трения равномерно увеличивается, но
на образцах, обработанных резцами с приработанной режущей кромкой, влияние
15
нагрузки менее заметно. Это можно объяснить наличием деформаций в
поверхностном слое, которые отрицательно влияют на сопротивление изнашиванию
при трении из-за повышения хрупкости поверхностного слоя. Для подтверждения
этого положения необходимо провести исследования на образцах, с наличием
остаточных деформаций в поверхностном слое, полученных в процессе резания, но
с удалением слоя шероховатости. Также масса выработанного материала
увеличивается при снижении качества поверхности и при увеличении нагрузки.
В пятой главе решается задача мониторинга состояния инструмента для
предотвращения ситуаций, когда поверхностный слой изделия формируется
режущей кромкой, состояние которой является недопустимым с точки зрения
остаточных деформаций. В предыдущих разделах было показано, что инструмент с
большей фаской износа может создавать меньшую интенсивность деформаций в
обрабатываемой детали, чем инструмент с меньшей фаской износа. Не подходят для
этих задач и широко распространенные системы контроля радиального износа,
поскольку они не работают во время резания и не определяют реальную форму
износа режущей кромки. Системы контроля составляющих сил резания и
температуры нашли применение в лабораторных условиях и не используются в
промышленности. Реально применить в промышленности в настоящее время можно
только системы диагностики, основой которых являются информационноизмерительные системы силовых и виброакустических (ВА) параметров. Именно с
этими системами на базе стенда, созданного на базе многоинструментального
фрезерного станка DMG 635 eco, в МГТУ «СТАНКИН» были проведены
исследования возможностей этих систем диагностики. На стенде исследовались
измерительное устройство, использующее электромагнитные эффекты в
электроприводе с помощью датчиков тока и напряжения, и ВА сигналы,
регистрируемые акселерометрами, установленными на рабочем столе станка. На
рис. 10 представлена диаграмма значений потребляемой мощности при разной
глубине фрезерования в сравнении с мощностью холостого хода при частоте
вращения 1280 мин-1. Видно, что при глубине менее 1 мм разница между мощностью
холостого хода и мощностью, потребляемой приводом при резании становится столь
незначительной, что коэффициент информативности такого диагностического
признака при глубине резания менее одного мм будет близок к нулю.
16
Рис. 10. Сравнение мощности,
потребляемой мотор-шпинделем
при торцевом фрезеровании при
разной глубине обработки: 1, 2, 3,
4 мм
Далее в работе акцент был сделан на исследовании возможностей ВА сигналов.
Рассматривались временные и частотные характеристики ВА сигналов, изменения
их статистических характеристик, таких как эффективные значения амплитуды и
эксцесса. Исследования показали, что с ухудшением режущей способности
инструментов в спектре ВА сигнала идет перераспределение энергии в пользу
низких частот. На рис. 11 представлены спектры ВА сигнала при резании острым
инструментом (спектр 1) и предельно изношенным (спектр 2). В спектре 2 хорошо
заметен рост амплитуд на низких частотах и падение на высоких. Изменение
отношения эффективных амплитуд высокочастотного диапазона к низкочастотному
(Kf) показало большую информативность относительно отражения изменения
режущей способности инструмента, выраженной в интенсивности деформаций. В
верхнем углу рис. 11 показано изменение Kf с ростом номера резца. Величина Kf
уменьшилась почти в 4 раза. Если вместо номера резца использовать значение
интенсивности деформаций, например, для поверхности, то получится зависимость,
представленная на рис. 12.
Рис. 11. Спектры ВА сигналов при цилиндрическом точении пластиной №1
(спектр 1) и пластиной №5 (спектр 2), на вставке изменение значений Кf от
номера режущих пластин
17
Рис.
12.
Изменение
коэффициента
Кf
с
ростом
интенсивности деформаций εинт
На рис. 12 видно, что весь процесс разрушения режущей кромки в единицах
интенсивности деформаций делится на три типовых периода: приработка,
нормальный износ, катастрофический износ. Отмечается, что зависимость Kf от εинт
на участке нормального износа меняется практически по линейному закону. Эта
зависимость была положена в основу предлагаемой системы мониторинга качества
поверхностного слоя. В разделе также описаны особенности ВА сигналов при
возникновении в зоне резания интенсивных автоколебаний. Показано, что этот
режим необходимо исключать из технологического процесса, а идентифицировать
его можно на основании особенностей изменения параметров ВА сигнала.
Для объяснения наблюдаемой трансформации спектра ВА сигналов с
изменением режущей способности инструмента была сделана серия экспериментов
на стенде, состоявшем из балки на двух опорах с переменным усилием защемления,
вибрации в балке возбуждались с помощью динамометрического молотка.
Исследования динамических характеристик балки при разном натяге в контакте
подтвердили его влияние на спектральные составляющие возбуждаемого ВА
сигнала, показали, что рост натяга в контакте приводит к снижению динамической
податливости в области высоких частот и росту податливости в области низких
частот, что объясняет поведение ВА сигналов при снижении режущей способности
инструментов, т. е. при росте натяга в контакте с поверхностью резания. Было также
показано, что с ростом натяга в контакте величина коэффициента затухания β
убывает в обоих частотных диапазонах, но для низкочастотного диапазона это
убывание происходит гораздо быстрее.
В заключение раздела исследуется возможность построения базы данных
зависимостей Kf от εинт в более широком диапазоне варьирования режимов резания
с использованием расчетной и экспериментальной методик. На первом шаге
проводится тестовое резание на типовых условиях пластинами с разным состоянием
режущей кромки, и фиксируются значения Kf. По изменению Kf определяют
пластины, соответствующие участкам окончания приработки и началу
катастрофического износа. Для этих пластин определяется εинт, например,
максимальное значение с помощью методики делительных сеток. Затем можно
построить график зависимости Kf от εинт. На этом графике значения εинт для любой
пластины, у которой Kfi удовлетворяет условию Kfп<Kfi<[Kf], значение εiинт
определяется по формуле:
18
  инт =  п инт +  ∙ ([инт ] −  п инт ); где  =
 − [ ]
,
п − [ ]
где εпинт и [εинт], Kf п и [Kf] – интенсивности деформаций и Kf для приработанной
кромки и для кромки перед началом катастрофического износа.
Для создания базы данных относительно [Kf] можно построить достаточно
сложный алгоритм, где используется сочетание расчетной и экспериментальной
методик (гл. 2 и 3).
Рис. 13. Схема алгоритма расчетно-экспериментальной методики создания
базы данных относительно [Kf]
На начальном этапе (блок 1) при типовых условиях определяются Kf для разных
пластин и отбираются с износом hп и [h]. Для этих пластин с помощью МПЭ
экспериментально определяются зависимости Kf от режимов обработки (блок 2). С
помощью расчетной методики (глава 2) определяют зависимость εинт от режимов с
разными R (блок 3). В блоке 4 предполагается анализ полученных зависимостей на
типовых режимах и определение эквивалентных радиусов скругления,
соответствующих окончанию приработки и критическому состоянию. В блоке 5 с
помощью методики делительных сеток определяют εинт для пластин с hп и [h]. В
блоке 6 проводится коррекция расчетных зависимостей из блока 4 по опытным
данным из блока 5. По этим результатам в блоке 7 определяется область условий
резания, где отклонения от [εинт] в пределах допустимого. Для них данные блока 2
верны. Для остальных режимов процедура повторяется нужное число раз.
Более простой подход заключается в обучении системы диагностики при
резании на разных режимах. При резании пластинами в состоянии приработки и в
предельном состоянии для разных сочетаний режимов резания можно получить
зависимость Kf и [Kf] от режимов. Если отношение Kf/[Kf] для резцов в состоянии
приработки и в предельном состоянии на схожих режимах приблизительно
постоянны, то в дальнейшем можно просто следить за отклонениями
диагностического параметра Kf от начального состояния до предельного. Для этого
на начальном этапе экспериментально устанавливаются значения Kf для разных
участков с разными режимами обработки детали. Затем отслеживается текущие
значения диагностического параметра по отношению к сохраненным значениям на
разных участках. В идеальном случае это отношение должно быть близким к
постоянному значению, что позволяет легко применять данный подход.
Параметр Kf более всего меняется с изменением скорости резания. На рис. 14
показан пример такого изменения Kf при обработке сплава ХН77ТЮР.
19
Рис. 14. Пример изменения Kf с ростом скорости резания: 1 – h=0 мм; 2 – h=0,3 мм;
3 – изменение отношения параметров Kf. На вставке спектры ВА сигнала для
острого (1) и изношенного (2) резцов
Графики 1 и 2 показаны для новой пластины и пластины с износом по задней
грани 0,3 мм соответственно. Видно, что параметр Kf в 5 раз меняется с ростом
скорости резания от 15 до 50 м/мин. График 3 показывает изменение от скорости
резания отношения Kf для резцов в начальном состоянии и предельном. Это
отношение во всем диапазоне исследуемых скоростей меняется в пределах 20%. В
диапазоне 30-40 м/мин отклонение будет менее 7%. В этом случае система
диагностики должна следить за моментом, когда Kf станет в 2 раза меньше
начального значения.
20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
В работе дано новое решение актуальной научной задачи по созданию
комплексной расчетно-экспериментальной методики оценки износа режущего
инструмента, позволяющей на основе вибро-акустических сигналов управлять
интенсивностью деформации в поверхностном слое.
1.
С помощью математического моделирования были получены
аналитические и графические зависимости, показывающие, что износ инструмента
в виде скругления режущей кромки негативно влияет на качество поверхностного
слоя и увеличивает остаточные деформации у поверхности более чем в 2 раза.
2.
Установлено, что влияние углов резца на деформацию у поверхности
резания является не значительным, а разница между максимальным и минимальным
значениями остаточных деформаций, полученных при обработке резцом с нулевыми
углами и резцом имеющим углы γ=5°; α=5°, не превышает 30%, однако на слоях
более удаленных от поверхности резания (на глубине 0,3 мм), влияние углов
увеличивается, и данная разница составляет 300%.
3.
Наименьшее влияние на остаточные деформации поверхностного слоя
при резании оказывает скорость резания. Разница между максимальным и
минимальным значением деформации у поверхности при скоростях резания от 30 до
200 м/мин не превышает 15%, а при отдалении от поверхности обработки (на
глубине 0,3 мм), до 60%
4.
Экспериментальные исследования интенсивности деформаций с
помощью методики делительных сеток позволили установить, что расчетные
методики позволяют получить качественно похожую картину изменения
интенсивности деформаций поверхностного слоя по глубине расположения от
поверхности детали, но дают завышенные значения (в среднем в 1,5 – 2 раза)
интенсивности деформаций в зависимости от их глубины из-за упрощения
моделирования формы износа режущей кромки и искажения влияния температуры
на характеристики обрабатываемого материала. В работе предложена методика,
позволяющая корректировать расчетные данные с помощью ограниченного
количества экспериментов.
5.
Экспериментально, с помощью методики делительных сеток,
установлено, что измерение фаски износа режущей кромки по задней грани не дает
однозначной оценки интенсивности деформаций поверхностного слоя. Так,
например, деформации поверхности заготовки, обработанной резцом с износом по
задней грани hз=0.8 мм, выше, чем при обработке резцом с hз=1,1 мм в 3 раза. Это
обусловлено тем, что деформации поверхности в основном определяются
характером разрушений режущей кромки в пределах фаски износа, который имеет в
ряде случаев значительную случайную составляющую.
6.
Исследования влияния износа инструмента на качество поверхностного
слоя детали показали, что наилучшие показатели шероховатости, микроструктуры и
твердости обработанной поверхности достигаются при точении резцом с
21
приработанной режущей кромкой, в случае обработки изношенными резцами эти
показатели ухудшались по мере увеличения износа резца.
7.
Исследования износостойкости, полученной точением поверхности
детали, показали, что при снижении качества (шероховатости, твердости и
напряженно-деформированного состояния) поверхности площадка износа и
температура в зоне фрикционного контакта сопрягаемых поверхностей монотонно
увеличиваются. Так, при одинаковой нагрузке на образцах, обработанных резцами с
максимальным и минимальным износом, разница температуры в зоне трения
составляет ≈20%, а разница площади фаски износа и ее глубины ≈60%.
8.
В результате экспериментальных исследований было показано, что для
мониторинга износа режущего инструмента в процессе резания в условиях
автоматизированного
производства с
позиций
стабилизации
качества
поверхностного слоя обрабатываемых деталей наиболее приемлемыми являются
контроль активной мощности приводов и параметров вибраций при резании. При
чистовой обработке на станках типа «обрабатывающих центров» наиболее
информативным методом контроля является контроль параметров вибраций, в
качестве которых могут использоваться эффективные амплитуды в разных
частотных диапазонах и изменения спектральных характеристик. В этом случае
контроль вибраций в несколько раз информативнее контроля мощности приводов.
9.
С помощью экспериментальных исследований показано, что изменение
интенсивности деформаций поверхностного слоя детали ведет к монотонному
изменению параметров сигналов вибраций. Так, осредненное отношение
эффективных значений высокочастотных вибраций к низкочастотным, монотонно
убывает от 1,5 до 0,3 по мере роста интенсивности деформаций, вызванной износом
режущей кромки. В работе дается объяснение этому явлению. Помимо изменения
твердости в контакте под действием температуры экспериментально показано, что
рост давления в контакте сопряженных деталей, передающих виброакустическую
энергию, тоже способствует искажению спектральных характеристик сигнала в
пользу низкочастотных составляющих.
10. Разработана методика настройки системы мониторинга состояния
режущего инструмента при точении, стабилизирующая интенсивность деформаций
поверхностного слоя детали и опирающаяся на контроль параметров
виброакустических сигналов при резании. Методика позволяет устанавливать
предельное значение диагностического параметра, инвариантного к изменению
режимов резания в широком диапазоне.
22
Основные результаты диссертации опубликованы:
в научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК:
1.
Козочкин
М.П.,
Алленов
Д.Г.
Сравнительный
анализ
экспериментальной и расчетной методик оценки деформаций поверхностного слоя
деталей при резании // Известия КБГУ. – КБП.: 2015. - №5. – с. 54 – 59.
2.
Козочкин М.П., Алленов Д.Г. Исследование влияния износа режущей
кромки инструмента на деформации поверхностного слоя детали // Вестник
«Станкин». – М.: 2015. – №4. – с. 15 – 19.
3.
Алленов Д.Г. Исследование влияния износа режущей кромки
инструмента на чистоту поверхности // Технология машиностроения. – М.: 2016. –
№ 4 - 16. – с. 12 – 16.
4.
Алленов Д.Г. Влияние разрушений режущей кромки инструмента на
износостойкость обрабатываемой поверхности // Вестник «Станкин». – М.: 2016. –
№2. – с. 45 – 49.
5.
Козочкин М.П., Гурин В.Д., Кочеткова А.И., Алленов Д.Г. Мониторинг
состояния шлифовальных операций путем измерения параметров сигналов
вибраций // Вестник «Станкин». – М.: 2016. – №4. – с. 30 – 35.
в научно-технических журналах, индексируемых в базах данных Web of Science
и Scopus:
6.
Kozochkin M. P., Volosova M. A., Allenov D. G. Effect of Wear of Tool
Cutting Edge on Detail Surface Layer Deformation and Parameters of Vibro-Acoustic
Signals // Materials Science Forum. – 2016. – Vol. 876. – pp. 50-58.
7.
M. P. Kozochkin, D. G. Allenov, I.S. Andryushchenko, Monitoring of the
stress-strain state of the surface layer of a part in the cutting process using vibroacoustic
diagnostics // MATEC Web Conference. – 2017. – Volume 129
в патентах:
8.
Пат. 2606367 РФ, МПК B23B 1/00. Способ токарной обработки /
Козочкин М.П., Порватов А.М., Алленов Д.Г. заявитель и патентообладатель
ФГБОУ ВО МГТУ «СТАНКИН». – RU 2606367 C1; заявл. 29.09.2015; опубл.
10.01.2017; Бюл. №1.
9.
Пат. Способ определения предельного износа сменного режущего
инструмента / Козочкин М.П., Порватов А.М., Алленов Д.Г. заявитель и
патентообладатель ФГБОУ ВО МГТУ «СТАНКИН».
в других научных изданиях
10. Козочкин М.П., Алленов Д.Г. Возможности виброоакустического
мониторинга деформаций поверхностного слоя деталей при лезвийной обработке //
Ежемесячный специализированный журнал «Станочный парк». – 2015. – №11. – с.
37 – 42.
11. Алленов
Д.Г.
Разработка
методики
расчета
деформаций
поверхностного слоя при точении // VIII Международная научно-практическая
конференция «Инженерные системы». – М.: 2015. – с. 546 – 551.
23
12. Козочкин М.П., Алленов Д.Г. Исследование деформации
поверхностного слоя методом делительных сеток // Ежегодный межвузовский
сборник научных трудов СТТМ-6 «Современные тенденции в технологиях
металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и
комплектующих изделий». – Уфа: 2016. – с. 145 – 149.
13.
Алленов Д.Г. Возможности виброоакустического мониторинга
деформаций поверхностного слоя деталей при лезвийной обработке // Научнопрактическая конференция преподавателей, сотрудников и аспирантов инженерного
факультета «Инженерные системы». – М.: 2016. – с.
14.
Козочкин М.П., Маслов А.Р., Порватов А.Н., Алленов Д.Г.
Информационно-измерительные и управляющие системы на базе контроля
акустоэмиссионных и электромагнитных эффектов при лезвийной обработке
конструкционных материалов // Ежемесячный специализированный журнал
«Станочный парк». – 2016. – №4. – с. 34 – 38.
15.
Алленов Д.Г., Козочкин М.П., Селезнев А.Е. Виброакустический
контроль качества процесса точения заготовок из закалённой стали // Ежемесячный
специализированный журнал «Станочный парк». – 2016. – №11. – с. 32 – 37.
24
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа