Теоретические исследования акустического сигнала в процессе фрезерования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретические исследования акустического сигнала в процессе фрезерования

В данном разделе на основе анализа влияния условий механической обработки, закономерностей изнашивания и разрушения инструмента на основные характристики процесса резания разработаны и приведены методики исследования работоспособности металлорежущего инструмента при ПТТ.

механическая обработка металлорежущий тангенциальное точение

Введение

До настоящего времени механическая обработка материалов давлением и резанием остается одной из важнейших операций формообразования в технологических процессах. Наряду с формированием характеристик металлических изделий, механическими средствами обрабатываются большие объемы самых разных материалов, таких как древесина, полиграфические материалы, пластмассы, стекло, композиционные материалы и др. Эффективность процессов механической обработки является основой для выпуска конкурентоспособной продукции. Повышение производительности, гибкости, надежности и экономичности при обеспечении качества и точности получаемых изделий в настоящее время связано с научно обоснованным выбором оптимальных инструментальных материалов, геометрических параметров инструментов и режима резания, внедрению систем контроля за состоянием инструмента и т.д.

Физические, химические и механические явления, происходящие на микроуровне, приводят к изменению свойств материала и на макроуровне, и это изменение в значительной степени непредсказуемо из-за случайного характера движения атомов и ничтожного, на первый взгляд, разброса первичных свойств изделий, предназначенных для одной и той же цели. Поддержание заданного уровня надежности в данном случае возможно посредством своевременной корректировки технического состояния машины, за счет применения эффективных методов диагностики, в частности, методов вибродиагности. Причем к этой проблеме необходимо подходить шире и применять диагностику не только для контроля состояния машины, как таковой, но и для контроля состояния режущего инструмента, применяемого в процессе её изготовления.



Рисунок. 1. Упрощенная схема процесса стружкообразования

Рекомендации по оптимизации процессов механической обработки основаны на современных представлениях о процессах деформации материалов. При этом многие наблюдаемые физические закономерности при механическом деформировании до сих пор не имеют объяснения с позиции механики деформируемого твердого тела. Несмотря на возрастающее число публикаций с математическим описанием тех или иных процессов механической обработки, единая теория, которая в полном соответствии с уровнем современной науки дала бы возможность с достаточными точностью и надежностью оценить влияние различных факторов на результаты процесса до сих пор не создана. Во многом это связано с тем, что большинство ученых, которые занимаются механической обработкой материалов, не имеют достаточной подготовки в области механики деформируемого твердого тела и теории пластичности .

Учитывая это, предметом рассмотрения в нашей статье является использование схемы линейно-деформируемого полупространства напряжения и деформации для объяснения напряженного состояния поверхностного слоя изделия при изнашивании режущего инструмента.

1. Постановка задачи

Важным фактором эффективности механической обработки является возможность обеспечения стабильного физико-химико-механического состояния поверхностного слоя изделия. Практика показывает, что эта задача достаточна сложна . Так, уровень остаточных напряжений может значительно колебаться в пределах одной обработанной поверхности. В сочетании с флуктуациями физико-химического состояния поверхностного слоя на нано- уровне это приводит к появлению на обработанной поверхности и в приповерхностном слое очагов с повышенной склонностью к трещинообразованию, коррозии, адгезии и истиранию изделия. В результате наличие участков с переменными свойствами создаются предпосылки преждевременного отказа детали при эксплуатации, особенно в условиях знакопеременных нагрузок и температур, высоких давлений и скорости трения.

Физическая сущность формирования поверхностного слоя с неоднородными свойствами обусловлена, с одной стороны, специфическими особенностями развития деформации обрабатываемого материала, а с другой - ее вероятностной природой. Первой особенностью является схема нагружения обрабатываемого материала, которая может быть дополнена объяснением деформации и явлений разрушения и износа режущего инструмента, которые ее сопровождают.

Многими учеными для теоретических исследований и анализа экспериментальных данных при механической обработке материалов резанием принята упрощенная схема стружкообразования с одной плоскостью сдвига (рис. 1). Характерной особенностью контактного взаимодействия режущего инструмента со стружкой и обрабатываемой деталью являются сложные условия трения на передней и задней поверхностях инструмента, вызванные высокими температурными и контактными нагрузками. Силы, действующие на передней поверхности лезвия N и F, вычисляют по формулам :

,(1)

где ; ; PZ и PY - составляющие силы стружкообразования; N, F - нормальная и тангенциальная силы, действующие на задней поверхности.

Силу трения можно найти, используя выражение:

,(2)

где - коэффициент трения по задней поверхности.

Часто для оценки условий трения пользуются средним коэффициентом трения С, который определяется отношением силы трения F к силе нормального давления N [2]:

,(3)

где 0 - истинный коэффициент трения, определяемый атомно-молекулярным взаимодействием; А - адгезионная составляющая.

С.С. Силиным была предложена следующая формула для расчета среднего коэффициента трения С [8]:

,(4)

где - передний угол резца; - величина, характеризующая степень пластических деформаций металла снимаемого припуска и поверхностного слоя обрабатываемой детали; Ф - угол наклона условной плоскости сдвига.

Экспериментально угол Ф может быть определен по формулам

, или ,(5)

где - коэффициент усадки стружки, численно равный коэффициенту утолщения стружки K=C/ или коэффициенту ее укорочения KL=L/LC (L - длина среза; LC - длина стружки).

Нормальная сила , действуящая на заднюю поверхность режущего лезвия определяется из выражения []:

(6)

Среднее нормальное напряжение qN на задней поверхности можно определить по формуле:

,(7)

где А - площадь контактной площадки по задней поверхности (, где С - длина контакта по задней поверхности); b - ширина срезаемого слоя; hЗ - величина площадки износа на задней поверхности; С - длина контакта при отсутствии износа. По данным А.М. Розенберга и О.А. Розенберга [ величина С может быть принята для твердосплавного инструмента, равной 0,1 мм.

Любой режущий инструмент всегда имеет радиус округления режущей кромки [], величина которого зависит от свойств инструментального материала и технологии подготовки рабочих поверхностей. На рис. 2 показана модель формирования поверхностного слоя при резании инструментом со скругленной режущей кромкой.

Для лезвийного острозаточенного инструмента из алмаза и кубического нитрида бора оптимальным считается =1…3 мкм, из твердых вольфрамокобальтовых сплавов =10…16 мкм, из твердых сплавов группы ТК =20…30 мкм, из быстрорежущих сталей =8…10 мкм [3].

Характер нагружения опредяляет форму и размер предполагаемого очага разрушения (заштрихованная область на рис. 2), т.е. зоны, в которой действующие напряжения близки к величине временного сопротивления обрабатываемого материала. Точка В показана как координата возможного зародыша трещины вязкого разрушения, разделяющей обрабатываемый материал на стружку и поверхностный слой детали. Обычно она находится выше теоретической линии среза АА. Величина h материала, которая поднимается скругленной частью режущей кромки, связана с радиусом округления соотношением h(0,3…0,5).

Материал, который расположен выше линии АА, сминается, создавая дополнительное упрочнение поверхностного слоя, и частично упру восстанавливается после прохождения инструмента. Даже при постоянных параметрах режима резания и инструмента, координата точки В - точки раздела обрабатываемого материала - будет случайной величиной и соответственно будет изменяться толщина слоя h, создавая предпосылки неоднородного упрочнения поверхностного слоя и колебаний высоты микронеровностей на обработанной поверхности. Положение точки раздела материала ограничено размером очага разрушения возле режущей кромки. Чем больше очаг разрушения, тем выше вероятность того, что указанная точка будет все более удаляться от линии АА. Соответственно будет возрастать колебания толщины сминаемого слоя h и характеристик субструктуры упрочнения. Таким образом, чем больше очаг разрушения в зоне резания, тем выше вероятность формирования поверхностного слоя с нестабильными свойствами по длине обработки. В свою очередь, размер очага разрушения связан с интенсивностью и характером распределения на обрабатываемый материал напряжений, действующих со стороны режущего инструмента.

Контактные взаимодействия режущей кромки инструмента с обрабатываемым материалом характеризуется величиной контактного напряжения уК, возникающего в точке их контакта (рис.3).

Осредненное значение контактного напряжения определяется по следующей формуле

(9)

где LБ - длина реза; Р - усилие, развиваемое при резании; R - радиус режущей кромки.

Эпюра напряжений, возникающих на площадке контакта инструмента с обрабатываемым материалом, показана на рис.5. Параметры площадки контакта приведены на рис.4. Контур инструмента описываются следующими зависимостями

(10)

где ,

.

Нормальные напряжения в области контакта определяются по формуле:

(11)

Отношение определяется из трансцендентного уравнения

(12)

Рисунок. 4 Область контакта инструмента с обрабатываемым материалом:

а- размер зоны контакта, е - угол наклона режущей кромки, R -радиус режущей кромки,

в- переход прямолинейной образующей лезвия в криволинейную (округлую), с- точка, где действуют максимальные контактные напряжения, Р-сила резания.

Рисунок. 5 Безразмерные эпюры нормальных напряжений в области контакта

()

Из рис.5 следует, что по мере затупления инструмента (увеличения радиуса режущей кромки) величина напряжения падает и его максимум (точка С) приближается к центру площадки контакта. Характер изменения максимальной величины эпюры (точка C, рис.5) по мере роста радиуса R показан на рис. 6. Соответственно уменьшается и осредненное контактное напряжение.



Рисунок. 6 Изменение максимума эпюры напряжений (точка С, рис. 5) в зависимости от увеличения радиуса R режущей кромки инструмента

Выразим величину износа режущей кромки h через её радиус R (рис.3)

(13)

Подставив (9) в (13), получим выражение, связывающее величину износа с осредненным контактным напряжением

(14)

Из (14) следует, что величина износа режущей кромки h обратно пропорциональна величине осредненного контактного напряжения

(15)

Степень износа ножа можно оценить по следующей формуле

(16)

где h(t) - текущая величина износа;

h0 - первоначальное значение параметра h.

Выводы.(незнаю как можно назвать этот раздел)

На практике оперативно оценить техническое состояние режущего инструмента с помощью формулы (16) практически невозможно, поэтому здесь необходимо пользоваться косвенными методами, широко применяемыми в технической диагностике машин. Например, можно оценивать степень износа инструмента по величине акустического сигнала, который генерируется процессом механической обработки материала.

Амплитуда звукового давления прямо пропорциональна амплитуде деформации поверхности обрабатываемого материала. Эта деформация в свою очередь пропорциональна величине контактного напряжения, создаваемого в обрабатываемом материале режущим инструментом. Величины же контактного напряжения и износа согласно (15) обратно пропорциональны друг другу.

А ~ ук ~ 1/h . (17)

С учетом этого формула (16) преобразуется к следующему виду

(18)

где А(t) - текущая величина амплитуды звукового давления; А0 - первоначальное значение амплитуды звукового давления (давление, генерируемое острым инструментом).

Выражение (18) позволяет контролировать степень износа по результатам регулярного контроля величины акустического сигнала, генерируемого процессом механической обработки материала. Однако знания текущей степени износа инструмента недостаточно, необходимо так же определить наработку инструмента Тзат до его очередной заточки. Данный параметр определяется в процессе аппроксимации результатов контроля акустического сигнала графиком кривой, отражающей механику износа режущей кромки инструмента. Данная кривая зеркальна кривой В.Ф. Лоренца [3, 6] и описывает процесс уменьшения амплитуды акустического сигнала по мере износа инструмента.

Процедура аппроксимации выполняется с помощью компьютера, путем минимизации следующего функционала

, (19)

где б,n - параметры аналитической зависимости.

Определив, параметры Тзат , б и n выражение (18) ) можно представить в следующем виде

(20)

Данные теоретические положения были проверены экспериментально.

2. Экспериментальные исследования акустического излучения при фрезеровании.

2.1 Описание экспериментальной установки

Для изучения работоспособности системы диагностики состояния инструмента и изучения влияния износа инструмента на АИ была разработана экспериментальная установка на базе вертикально фрезерного станка типа 6Р13, со следующими характеристиками.

Размеры рабочей поверхности стола, мм:	1600 х 400
Число Т-образных пазов	3
Наибольшее перемещение стола, мм: Продольное вручную Поперечное вручную Вертикальное вручную	1000 320 420
Расстояния от торца шпинделя до стола при ручном перемещении (наименьшее - наибольшее), мм	50 -500
Расстояние от оси шпинделя до вертикальных направляющих станины, мм	420
Наибольшая масса обрабатываемой детали, кг	300
Конус шпинделя	50
Наибольшее осевое перемещение пиноли шпинделя, мм	30
Наибольший угол поворота шпиндельной головки, град.	+/-45
Мощность, кВт Частота вращения, об/мин	15,0 1460
Всего двигателей, шт.	1
Габаритные размеры станка, мм (длина х ширина х высота)	2600 х 2260 х 2430
Масса станка, кг	4270
Завод изготовитель	г. Горький

Общий вид экспериментальной установки приведен на рис. 2.2. Заготовка обрабатывается инструментом (5), регистрация сигнала АИ осуществлялась с помощью приемника (микрофона), помещенного в требуемую точку пространства обрабатывающей системы.

Приемник АИ присоединяется к звуковой карте компьютера. Сигнал, поступающий из микрофона, преобразуется из аналогового вида в цифровой с помощью аналогово-цифрового преобразователя, установленного на звуковой карте. Полученные данные сохраняются в памяти ЭВМ с помощью программы Wave для дальнейшей обработки специально разработанной программой.

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки

Технические данные сохраняемого сигнала:

ID : 0

Format : PCM

Codec ID : 1

Codec ID/Hint : Microsoft

Bit rate : 88.2 Kbps

Channel(s) : 1 channel

Sampling rate : 11.025 KHz

Resolution : 8 bits

При проведении экспериментов было установлено, что динамический диапазон амплитуд, воспринимаемых датчиком АИ, зависит как от места его крепления, так и от способа. Это связано с тем, что акустические волны, возникающие, при резании в металле, с увеличением расстояния - затухают.

Стабильные результаты давало крепление датчика на корпусе с помощью специального приспособления. При этом место крепления датчика оснащалось мягкой прокладкой. Использование мягкой прокладкой для крепления датчика не снижало динамических свойств сигнала по сравнению, с жестким его креплением.

Таким образом, датчик реагировал только на акустические колебания, возникающие при фрезеровании деталей, вибрация станка на него не влияла.

Рисунок . Эскиз фрезы.

Для проведения экспериментов использовалась фрезы с четырьмя винтовыми зубьями и углом наклона зуба, равным 30°. Диаметр концевых фрез в большинстве случаев обработки заготовки составлял 25 мм из материала Р6М5 выполненных по ГОСТ 17026-7,1. Параметры фрезы представлены на рисунке . Выбор в качестве материала фрезы быстрорежущей стали, определился необходимостью тупить зубья на экспериментальной заготовке в течение нескольких проходов инструмента. Фрезерование осуществлялось без применения СОЖ. Обработка производилась с различными подачами на зуб фрезы при постоянных частоте вращения фрезы и глубине резания.

Рисунок . Модель заготовки

Заготовки, использованные в опыте, выполнялись из стали. Размер заготовок составлял 25Ч25Ч120 мм (рис ). Механические свойства обрабатываемого материала Ст-45 приведены в табл

Таблица . Механические свойства Ст-45.

Предел текучести ут, Н/мм2 (кгс/мм2)	Временное сопротивление разрыву ув, Н/мм2 (кгс/мм2)	Ударная вязкость KCU, Дж/см2 (кгс·м/см2)	Относительное удлинение д5	Относительное сужение ш
			%
355(36)	600(61)	49(5)	16	40

Снятые с помощью микрофона амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) сигнала процесса фрезерования в среде SpectraLAB, одна из которых приведена на рисунке 3.5, позволили сделать вывод о возможности их использования для анализа состояния режущего инструмента. В реальной системе станок-приспособление-инструмент-деталь при средних режимах резания через небольшой промежуток времени от начала резания, длящийся единицы секунд, устанавливается стационарный автоколебательный режим. Это связано с большой инерционностью системы станок-приспособление-инструмент-деталь, так как автоколебания не могут возникнуть сразу после врезания инструмента в заготовку, а проходит некоторое время до их возникновения.

Рисунок . 3-D изображение спектра колебаний.

2.2 Выделение информативных полос

Известно, что различные элементы технологической системы и сам процесс резания по-разному «шумят» на различных частотах. Поэтому необходимо выделить полосу частот, амплитуда колебаний в которой зависит только от элементов режима резания и величины износа инструмента. Для решения этой задачи был построен план эксперимента, в котором подача и частота изменялась в пределах 0,1-0,01 мм/зуб, 400-800 об/мин соответственно. Это требовалось для нахождения оптимальных условий, при которых фреза изнашивалась за 1-3 прохода по поверхности заготовки. Таковыми режимами стали n =800 об/мин, Pz=0,01 мм/зуб, t = 3 мм и построены спектры сигнала АИ в условиях цехового шума и при установившемся резании для каждого пункта плана эксперимента.

Рисунок . Спектр акустического излучения процесса фрезерования.

Эти спектры были наложены друг на друга, как показано на рисунке 4, и выделены участки, характеризующиеся увеличением амплитуды сигнала при изменении износа инструмента.



Рисунок 4. Определение информационной полосы акустического излучения при фрезеровании.

2.3 Обработка экспериментальных данных

В результате проведенных исследований было установлено, что при фрезеровании заготовки, есть только одна широкая информативная полоса частот - от 100 Гц до 200 Гц, - чувствительная к изменению износа инструмента. Результаты экспериментов приведены на рисунках 11, 12



Рис. 11 Изменение с течением времени уровня шума, генерируемого процессом фрезерования: а) - опыт №1 , б)- опыт №2



Рис. 12 Изменение с течением времени степени износа фрезы:

а) - опыт №1 , б)- опыт №2

ПРОТОКОЛ

контроля состояния режущего инструмента в опыте №1

(при cроке его эксплуатации - 2.96 мин)

-состояние инструмента - недопустимое.

- степень поврежденности -Q=0.6005 ,

- надежность инструмента - P=0.3995 ,

- скорость изменения технического состояния - недопустимая !

-наработка инструмента до недопустимой степени износа

(снятия на перезаточку) составляет: 0.1 ... 0.3 мин

ПРОТОКОЛ

контроля состояния режущего инструмента в опыте №2

(при cроке его эксплуатации - 30.38 мин)

-состояние инструмента - недопустимое.

- степень поврежденности -Q=0.6285 ,

- надежность инструмента - P=0.3715 ,

- скорость изменения технического состояния - недопустимая !

-наработка инструмента до недопустимой степени износа

(снятия на перезаточку) составляет: 0.1 ... 0.3 мин

Выводы.(нужно смотреть)

До настоящего времени механическая обработка материалов давлением и резанием остается одной из важнейших операций формообразования в технологических процессах. Наряду с формированием характеристик металлических изделий, механическими средствами обрабатываются большие объемы самых разных материалов, таких как древесина, полиграфические материалы, пластмассы, стекло, композиционные материалы и др. Эффективность процессов механической обработки является основой для выпуска конкурентоспособной продукции. Повышение производительности, гибкости, надежности и экономичности при обеспечении качества и точности получаемых изделий в настоящее время связано с научно обоснованным выбором оптимальных инструментальных материалов, геометрических параметров инструментов и режима резания, внедрению систем контроля за состоянием инструмента и т.д.

Физические, химические и механические явления, происходящие на микроуровне, приводят к изменению свойств материала и на макроуровне, и это изменение в значительной степени непредсказуемо из-за случайного характера движения атомов и ничтожного, на первый взгляд, разброса первичных свойств изделий, предназначенных для одной и той же цели. Поддержание заданного уровня надежности в данном случае возможно посредством своевременной корректировки технического состояния машины, за счет применения эффективных методов диагностики, в частности, методов вибродиагности. Причем к этой проблеме необходимо подходить шире и применять диагностику не только для контроля состояния машины, как таковой, но и для контроля состояния режущего инструмента, применяемого в процессе её изготовления.

Результаты данной работы можно будет использовать не только для практического технологического приложения, но и в учебном процессе для значительного повышения уровня подготовки специалистов в области механической обработки материалов резанием.

Список литературы

1. Воронцов А.Л., Султан-Заде Н.М., Албагачиев А.Ю. Разработка новой теории резания. Введение.// Вестник машиностроения. - 2008., №1, С. 57-67.

2. Бобров Б.Ф. Основы теории резания металлов. -М: «Машиностроение», 1975. -344 с.

3. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. - М.: Машиностроение, 1989. - 296 с.

4. Верещака А.С. Резание материалов: Учебник/ А.С. Верещака, В.С. Кушнер. - М.: Высш. шк., 209. - 535 с.

5. Трент Е.М. Резание металлов: Пер. с англ./пер. Г.И. Айзенштока. - М.: Машиностроение, 1980.- 263 с.

6. Армарего И. Дж., Браун Р. Х. Обработка металлов резанием.-М.: Машиностроение, 1977.- 325 с.

7. Ящерицын П.И., Еременко М.Л., Фельдштейн Е.Э. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах: Учебник для вузов. - Минск: Высшая школа, 1990. - 512 с.

8. . Силин С.С. Метод подобия при резании материалов. - М.: Машиностроение, 1979. - 152 с.

9. . Остафьев В.А. Определение параметров процесса деформирования при резании металлов / Методические указания для студентов. - К.: Высшая школа, 1969. - 96 с.

10. . Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. -М.: Машиностроение, 1981. - 279 с.

11. . Куфарев Г.Л. Стружкообразование и качество обработанной поверхности при несвободном резании. -Фрунзе: Мектеп, 1970. -169c.

12. . Розенберг А.М., Розенберг О.А. Механика пластического деформирования в процессах резания и деформирующего протягивания. -К.: Наук. думка, 1990. -320 с.

13. . Кравченко Б.А. О влиянии параметров обработки на силы, действующие на задней поверхности инструмента // Вестник машиностроения. - 1989. - №6. - С. 41-43.

14. Розенберг А.М., Розенберг О.А. Механика пластического деформирования в процессах резания и деформирующего протягивания. -К.: Наук. думка, 1990. -320 с.

15. ГОСТ 25751-83 Инструменты режущие. Термины и определения общих понятий.

Размещено на Allbest.ru