Прогнозирование вероятности разрушений тяжелонагруженных резцов

Прогнозирование вероятности разрушений

тяжелонагруженных резцов

А.Ю. Андронов ; Н.А. Ткаченко

Донбасская государственная машиностроительная академия

В статье представлен анализ влияния различных факторов на вероятность поломки резцов при точении на тяжелых станках. Для прогнозирования вероятности поломки резцов в конкретном случае предложено использовать нейронную сеть.

Статистические данные о работе тяжелонагруженными твердосплавными инструментами показывают, что до 75% случаев отказом инструмента являются его поломки [1]. Для учета этого явления предложено в стойкостные зависимости и другие математические модели для определения рациональных режимов резания вводить величину вероятности разрушения инструмента [3]. В связи с этим возникает задача прогнозирования вероятности разрушения при известных входных параметрах процесса обработки [3, 6].

Цель работы - повышение эффективности эксплуатации тяжелонагруженных инструментов за счет прогнозирования вероятности их разрушения.

Оценка технико-экономического уровня использования режущего инструмента необходима для решения ряда важных практических задач, связанных с сопоставлением различных производств, выбором рационального варианта инструментальной оснащенности конкретного производства, совершенствованием работы инструментальных хозяйств и служб технадзора и многих других задач.

Большинство проходных резцов выходят из строя при достаточно большой ширине режущей пластины.

Если согласно действующим нормативам принять допустимую величину стачивания равной 0,6 _ 0,7 от размера пластины (в данном случае от её ширины), то получим, что полного износа достигает 3% резцов 25х25, 2% резцов 40х40 и 0% резцов 40х60 (табл. 1).

Таблица 1 - Результаты анализа распределения размеров оставшейся части пластин твердого сплава Т5К10 списанных резцов

Наиболее вероятное значение оставшейся ширины пластины b для указанных резцов составляет соответственно 0,55b, 0,95b и b. Аналогичное положение имеет место при анализе упорных резцов.

Все рассмотренные типы и размеры черновых резцов списываются в подавляющем большинстве случаев из-за поломок режущей части. Однако резцы меньших размеров и резцы, работающие в лучших условиях, используются несколько лучше и выдерживают большее число переточек. Наибольшее количество крупных проходных резцов разрушается без переточек или с минимальным их числом.

Это дает основания считать, что число заточек не зависит от схемы и величины стачивания при переточках, а практически определяется только вероятностью поломок резцов.

Исследованиями, выполненными ранее [2, 3, 4], установлено, что на вероятность разрушения влияет виброустойчивость тяжелых токарных станков, которая может косвенно быть охарактеризована величиной D_C - размерным параметром станка - максимальным диаметром обрабатываемого изделия над станиной.

Для определения характера разрушений и влияния различных факторов на процесс обработки использовались данные, полученные ранее научно-отраслевой исследовательской лабораторией и дополненные собственными наблюдениями списанных резцов тяжелых станков в условиях ЗАО "НКМЗ".

Методика сбора и предварительной обработки информации опиралась на следующие положения:

1 Фактические показатели объемов механической обработки в различных группах условий и применяемости резцов с СМП определяются в результате обработки статистической информации, собранной методом моментных наблюдений.

2 Средняя стойкость инструмента в зависимости от группы условий обработки определяется методом длительных наблюдений.

3 Среднее число периодов стойкости инструмента до неустранимого отказа в зависимости от условий обработки определяется методом анализа списанного инструмента.

4 Анализ целесообразности и расчет объемов внедрения резцов с СМП осуществляются на основе данных, полученных методом длительных наблюдений, методом анализа состояния списанного инструмента и методом моментных наблюдений.

Метод моментных наблюдений состоит в определении фактических показателей объемов механической обработки и применяемости резцов с СМП в различных группах условий.

Информация, заносимая в протокол, позволяет отнести каждое наблюдение к той или иной группе условий и включает данные о типе станка, наибольший диаметр обрабатываемой детали над станиной станка D_С (по паспорту), вид операции, вид перехода (продольное наружное точение, подрезка, растачивание больших и малых отверстий, контурное точение, фасонное точение, отрезка, прорезка, нарезание резьбы), марка обрабатываемого материала, твердость обрабатываемого материала, характер обработки, характер припуска и поверхности заготовки, марка инструментального материала, высота державки резца, вид конструкции резца, средняя глубина резания, подача, частота вращения, диаметр обработки на наблюдаемом переходе.

Анализ статистических данных о влиянии размеров станка на вероятность поломок резцов показал, что вероятность поломок, как правило, уменьшается с увеличением Dс примерно до 2500 мм и увеличивается при дальнейшем росте Dс [4]. Обработка статистических данных позволила выявить влияние наиболее значимых факторов на вероятность разрушения резцов.

Зависимость вероятности разрушения от параметров станка, детали и режимов резания представлена в следующем виде (рис. 1):

где C - постоянная, зависящая от условий обработки; - предел прочности обрабатываемого материала; S - подача; t - глубина резания, D_C - максимальный диаметр обрабатываемой детали на станке (размерный параметр станка); x, z, m_K - показатели степени влияния подачи на число периодов стойкости инструмента.

Рисунок 1 - Зависимость вероятности разрушения инструмента P_(n) от размера станка D_C и прочности обрабатываемого материала

Сравнение числа поломок резцов на станках, находящихся в различном состоянии, показало, что вероятность поломок примерно обратно пропорциональна жесткости станка. Это означает, что на станках, имеющих низкую жесткость, следует уменьшать подачу.

Большая степень влияния подачи на вероятность поломки резцов подтверждает еще раз, что обдирочную обработку выгодно вести с максимальной глубиной резания не только с точки зрения стойкости резцов, но и с точки зрения вероятности их поломок.

Средняя вероятность поломок, которая имела место при наблюдениях, например, для вертикальных пластин, составляет 0,38.

Для получения обобщенных моделей с учетом большего числа факторов, влияющих на процесс резания, предпринята попытка применения искусственной нейронной сети.

В результате анализа влияющих факторов на вероятность разрушения пластин на тяжелых станках с помощью программы Neural Network Wizard 1.5 спрограммирована искусственная нейронная сеть, которая дает возможность прогнозировать вероятность разрушения тяжелонагруженных резцов для станков разных типоразмеров.

Нейронная сеть служит аппроксиматором многомерной функции (рис. 2):

.

Рисунок 2 - Модель для прогнозирования вероятности разрушений

Программа Neural Network Wizard предназначена для проведения исследований с целью выбора оптимальной конфигурации нейронной сети, позволяющей наилучшим образом решить поставленную задачу [8]. Результатом работы системы является файл, который хранит в себе все параметры полученной нейронной сети. Далее на основе этого файла разработана система, предназначенная для решения поставленной задачи. Разработан модуль, позволяющий работать с этим файлом. Библиотека компонентов NeuralBase предназначена для программной реализации нейронных сетей. Программа содержит компоненты, реализующие две нейросетевые парадигмы: рекуррентную нейронную сеть, в нашем случае - это сеть Хопфилда, и многослойную нейронную сеть, обучаемую по алгоритму обратного распространения ошибки.

Summary

In article the analysis of influence of various factors on tool breakage probability during turning on heavy lathes is submitted. For prediction of the probability in specified case it is offered to use a neural network.

Список литературы

1. Хает Г.Л., Левин В.И. Повышение качества инструмента и эффективности обработки деталей на тяжелых станках: Обзор. _ М.: НИИмаш, 1982. _ С.48.

2. Клименко Г.П. Эксплуатация инструмента на тяжелых токарных станках //Станки и инструмент. - 1988. _ № 2. _ С. 20-25.

3. Клименко Г.П. Определение нормативного расхода режущего инструмента для тяжелых токарных станков// Резание и инструмент в технологических системах //Межд. научн.-техн. cборник.- Харьков: ХГПУ. - 1998. _ Вып. 52. _ С. 99-104.

4. Клименко Г.П. Анализ условий обработки деталей на тяжелых станках на основе информационного банка данных /Резание и инструмент в технологических системах: Международный научно-технический сборник. - Харьков: ХГПУ. - 1997. _ Вып.51. _ С. 122-127.

5. Клименко Г.П. Повышение эффективности эксплуатации режущего инструмента на тяжелых станках /Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва. - Киев: НТУУ «КПИ». _ 1998. _ Т. 1. _ С. 417-422.

6. Хает Г.Л. Прочность режущего инструмента.- М: Машиностроение, 1975.- 168с.

7. Орлик С. Секреты Delphi на примерах. - М.: Бином, 1996. - 316 с.

8. http://www.basegroup.ru/art/nnw-descr.htm