Особенности применяемых систем вибродиагностики

 

Назначение:

– измерение и анализ частотных характеристик системы станок– приспособление–инструмент–деталь и ее отдельных элементов;

– измерение и анализ сигнала вибро­акустической эмиссии в зоне резания;

– вычисление на основании собранной информации оптимальных виброустойчивых режимов обработки, (скорости шпинделя, глубины резания, подачи).

Диаграмма стабильности (рис. 79) – основа алгоритма
выбора оптимальных режимов резания.

Диаграмма стабильности позволяет выявить зоны в пространстве параметров обработки (скорость шпинделя – глубина резания), работа в которых обеспечит наибольшую производительность, виброустойчивость процесса и, как следствие, требуемое качество обработки. Схемы измерений вибраций и шума при резании различных исследователей для выбора виброустойчивых режимов резания на станках с ЧПУ представлены на рис. 80 и 81.

 

Рис. 80. Схема получения частотных характеристик вибрации инструмента (установлен в шпиндель): 1 – шпиндель; 2 – фреза; 3 – акселерометр; 4 – им­пульсный молоточек; 5 – кабель к АЦП; 6 – ноутбук; 7 – питание

 

 

Рис. 81. Анализ сигнала виброакустической эмиссии (шума) в зоне резания: 1 – микрофон; 2 – виброакустический сигнал; 3 – зона резания; 4 – ноутбук; 5 – микрофонный вход

звуковой платы

 

Очевидно, что эффективность диагностики в основном определяется ин­формативностью используемых диагностических признаков, их зависимостью от условий обработки. Традиционно для диагностики процесса резания приме­нялись его статические температурно-силовые параметры, в большинстве слу­чаев недостаточно инфор­мативные. В последнее время и у нас в стране, и за ру­бежом, все большее внимание специалистов привлекает диагностика механиче­ской обработки на основе анализа высокочастотных динамических явлений различной физической природы: акустической эмиссии (АЭ); электромагнитного излучения (ЭМИ); экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ).

В качестве информативных диагностических признаков эмис­сионные процессы обычно используют амплитудные, частотные
и другие энергетиче­ские параметры, связанные с волновым излу­чением.

В настоящее время метод АЭ получил наибольшее развитие
и примене­ние. По сравнению с ним диагностические возможности других эмиссионных процессов применительно к решению технологических задач раскрыты сущест­венно меньше. Метод АЭ основан на явлении генерации в твердом теле волн упругой деформации частотой 50…100 кГц при локальном динамическом изменении полей механических напряжений, обусловленном развитием дефек­тов, например, зарождением и ростом трещин, фазовыми превращениями
и другими быстропротекающими процессами.

Простота установки датчика на станке и возможность метода АЭ регист­рировать одновременно все энергоемкие физические процессы, происходящие в зоне резания, в том числе износ инструмента, постоянно привлекала исследова­телей как в нашей стране, так и за рубежом. Однако трудности, связанные с за­щитой принимаемого сигнала от случайных помех, с выделением параметров АЭ, генерируемых износом инструмента по задней грани и т.д., до недавнего времени сдерживали развитие метода АЭ.

Интерес к колебаниям при резании в более высоком частотном диапазоне появился в 80-е годы прошлого века в связи с проблемами автоматического контроля процесса резания на станках с ЧПУ, встраиваемых в ГПС.

Вибрационное диагностирование объектов проводится в три этапа: первичное описание вибрационного состояния объекта, выделение признаков и принятие решения.

На этапе поиска информативных признаков ограничивают число измеряемых параметров вибрации, шума и ударов. При этом из множества параметров, характеризующих вибрационный процесс, выделяют только те, которые прямо или косвенно характеризуют состояние объекта. По этим параметрам формируют информативную систему признаков, используемых при диагностировании.

Все известные физические явления, способные создавать первичное возмущение автоколебательного процесса, могут быть подразделены на три группы: явления, вызванные собственно процессом резания; специфическими свойствами упругой системы станок–приспособление–инструмент–деталь и совместным взаимодействием факторов, определяющих процесс резания и упругие свойства
системы.

К физическим явлениям, обусловленным процессом резания, относятся:

1) специфичность протекания пластического деформирования, т.е. запаздывание изменения силы относительно малого перемещения, особенности образования застойной зоны и нароста на резце, неоди­наковое упрочнение металла и т.д.;

2) падение величины силы резания с повышением скорости резания в определенном диапазоне;

3) зависимость силы резания от скорости радиального колебательного движения и ее направление;

4) особенности протекания процесса трения рабочих поверхностей инструмента о заготовку и стружку;

5) специфика процесса резания как одного из видов пластической деформации при малых скоростях резания.

К физическим явлениям, обусловленным специфическими свой­ствами упругой системы станок–приспособление–инструмент–де­таль, относятся:

1) падение величины силы трения в отдельных соприкасающихся парах системы с ростом скорости относительного скольжения;

2) внутреннее трение в материале обрабатываемой заготовки;

3) зазоры и трение в подшипниках;

4) специфические закономерности процесса трения при малых
скоростях относительного скольжения (суппорта, головки и других
узлов).

К физическим явлениям, вызванным совместным взаимодействи­ем факторов, относятся:

1) явление координатной связи упругих деформаций системы
с не­сколькими степенями свободы и процессом резания;

2) взаимодействие автоколебаний, вызываемых зазорами и трением в подшипниках, с процессом резания.

Таким образом, в реальной упругой системе в процессе резания может быть большое число физических механизмов, вызывающих ав­токолебательный процесс. Оценка эффективности каждого из них при обработке резанием должна производиться на основе определения ее удельного веса в общем энергетическом балансе системы.

Основными средствами устранения вибраций или уменьшения их интенсивности, т.е. обеспечения устойчивости процесса резания, яв­ляются:

1) правильный выбор параметров системы станок–приспо­соб­ление–инструмент–деталь – ее динамических характеристик: жесткости, сопротивления и массы;

2) рациональное построение схемы выполнения обработки резанием, обеспечивающее максимальное использование ее динамических свойств;

3) правильный выбор геометрии заточки инструмента и режимов резания, сводящих к минимуму действие возмущающих сил
и обес­печивающих в целом наиболее рациональную схему нагружения системы станок–приспособление–инструмент–деталь;

4) улучшение динамических свойств системы станок–приспо­собление–инструмент–деталь путем применения виброгасителей различных конструкций.

Анализ отечественного и зарубежного опыта показывает, что при использовании средств гашения вибраций прежде всего улучшается качество поверхности, повышается производительность обработки, возрастает стойкость инструмента.

2.4.8. Эмпирические формулы
для расчета составляющих силы резания

Теоретический расчет составляющих сил резания представляет собой весьма сложную задачу. В процессе резания необходимо учесть множество взаимовлияющих факторов – механические свойства обрабатываемого и инструментального материала, процессы упругой и пластической деформации, изменение условий трения и контактных процессов на передней и задней поверхностях инструмента, условия резания, геометрия инструмента и т.д. Поэтому приняты для практики данные многочисленных экспериментальных исследований, которые представлены в справочной литературе. Обобщенные формулы составляющих силы резания с учетом всех факторов име­ют следующий вид:

Р_z = С _Pzt ^xpz · S ^ypz · V ⁿ_рz K _м K _j K _g K_r K_h K _сотс, Н,

Р_у = С _Pуt ^xpу · S ^ypу · V ⁿ_рy K _м K _j K _g K_r K_h K _сотс, Н,

Р_х = С _Pхt ^xPх · S ^ypх · V ⁿ_рхK _м K _j K _g K_r K_h K _сотс, Н,

где С _Рz – постоянная, зависящая от обрабатываемого материала, учитывает стандартные условия резания, например, для стали 45: s _b =
= 75 кгс/мм²; g = 10°; a = 8°; j = 45°; l = 0°; r = 2 мм; h _з = 0,8…1,0 мм;

х, у, n – показатели степени для стандартных условий резания, например, х = 1,0; у = 0,75; n = 0,15;

K – поправочные коэффициенты, учитывающие влияние отклонения от стандартных условий – прочности об­рабатываемого материала, геометрии инструмента, износа инструмента и вида СОТС на составляющие силы резания.

Работа и мощность резания

Для разрушения материала срезаемого слоя и превращения его
в стружку необходимо затратить определенное количество энергии
и произвести работу резания. В общем виде работа резания складывается из работы упругой А _упр и пластической А _пл деформации, работы скалывания и сдвига элементов стружки по плоскости сдвига А _сд, работы трения по передней А _т.п и задней А _т.з поверхностям инструмента. Можно записать для работы резания, что

А = А _пл + А _упр + А _сд + А _т.п + А _т.з.

Работа и мощность, затрачиваемые на резание, зависят от действующих составляющих силы резания и скорости резания.

Мощность, затрачиваемую на резание, называют эффективной мощностью. Она учитывает действие всех трех составляющих силы резания.

Поэтому можно записать:

N_e = N_z + N_y + N_x.

Если выразить силу в килоньютонах, скорость в м/мин, то мощность получим в киловаттах, подставив в формулу значения силы
и скорости резания:

N_е = Р_z × V /1020 × 60 + P_x × S × n /60 × 1000 × 1020 + P_y × V_y /60 × 1020.

В направлении силы Р_у (при отсутствии вибраций) движение
не совер­шается, а поэтому скорость и мощность равны нулю. Осевая составляющая Р_х достаточно мала и мощность от ее воздействия
составляет 1…2 %, поэтому в расчете эффективной мощности P_x
не учитывается. Отсюда получим (кВт):

N_е = Р_z × V /1020 × 60.

Знание требуемой эффективной мощности необходимо для определения возможности резания данной заготовки на данном станке, имеющем заданную мощность привода N _э.д. С учетом коэффициента полезного действия кинематических цепей станка h потребная мощность электродвигателя станка N _э.д может быть определена по
формуле

N _э.д = N_е /h.

2.5. Контрольные вопросы и задания

1. Какие деформации и напряжения возникают в процессе
резания?

2. В чем заключается физическая сущность процесса резания?

3. Какие типы стружек при резании пластичных и хрупких мате­риалов вы знаете?

4. Что такое усадка стружки?

5. Какие методы завивания и дробления сливной стружки вам известны?

6. В чем особенность физики явления наростообразования при резании материалов?

7. Как условия обработки влияют на высоту нароста?

8. В чем заключаются положительные и отрицательные стороны нароста?

9. Какие существуют методы борьбы с наростом?

10. Какая система сил действует на передней и задней поверхностях инструмента?

11. Как составляющие силы резания зависят от условий об­работки?

12. Как геометрические параметры резца влияют на составляющие силы резания?

13. Какие методы определения сил резания вам известны?

14. Почему при обработке резанием возникают вибрации и шум?

15. Напишите эмпирические формулы для расчета составляющих силы резания.

16. В чем отличие работы и мощности резания от работы
и мощности в физике?

 

Глава 3
Теплофизика процесса резания