Исследование процесса тонкого гравирования и создание системы мониторинга состояния режущего инструмента

Одна из основных задач современного хмашиностроительного производства связана с существенным повышением надежности станков с ЧГТУ, как эксплуатируемых автономно, так и в составе гибких производственных модулей с участием обслуживающего персонала или в режиме безлюдной технологии. В условиях ограниченного вмешательства оператора надежное функционирование станочного парка невозможно без применения диагностических систем, контролирующих работу основных элементов оборудования.

Одно из направлений при решении этой задачи связано с разработкой и внедрением систем диагностики режущего инструмента, позволяющих обеспечить длительную надежную автономную работу оборудования. Неконтролируемый предельный износ или поломка режущего инструмента в конечном счете приводит к браку изделия и простою оборудования. Преимущества использования активных систем диагностики в настоящее время не подвергаются сомнению.

Современные технологические тенденции в обработке резанием ставят перед исследователями задачи, которые сложно решить несмотря на разнообразие методов диагностики. Появление новых технологий, в которых физическая природа протекающих процессов мало изучена приводит к затруднениям при использовании известных зависимостей отображения состояния исследуемой системы в параметрах диагностического сигнала. Применение труднообрабатываемых материалов, например чугуна с вермикулярным графитом, требует изменений в конструкции инструментов, а также в материалах, используемых для их производства. Твердая обработка и высокоскоростное резания — широко внедряемые в настоящее время на производстве, требуют применения станков, обладающих высокой жесткостью и виброустойчивостью, что в значительной мере определяется процессами, протекающими при резании.

Внедрение новых технологий требует выявления новых или подтверждения старых зависимостей между параметрами, отображающими процесс резания, основываясь на которых возможно реализовать надежный алгоритм диагностирования основных элементов оборудования.

Одной из новых технологий, в настоящее время успешно применяемой на фабрике ГОЗНАК, является получение гравюр металлографских форм при помощи строгания. Еще недавно процесс гравирования относился, к ручному труду, почти к искусству. Теперь он реализуется на специальных станках с ЧПУ. Основной отличительной особенностью этого процесса является сочетание глубины резания, в среднем составляющей 20 мкм, и скорости резания, нижний предел которой составляет порядка 5 мм/мин. Эксплуатация гравировального станка показала сложность и ненадежность контроля состояния режущего инструмента оператором визуально, что приводит к работе сломанным и предельно изношенным резцом, а, следовательно, к браку и значительным временным простоям.

Целью данной работы является повышение автоматизации процесса резания на гравировальном станке и надежности функционирования режущего инструмента. Достижение указанной цели в работе обеспечивается путем решения актуальной научной задачи, состоящей в выявлении физической природы связи параметров диагностического сигнала с износом и поломками режущего инструмента на сверхпрецизионном гравировальном станке. В связи с этим, потребовалось исследование процесса резания на сверхнизких скоростях и режимах резания для получения представления о природе взаимосвязи процессов в зоне пластического деформирования с генерируемыми сигналами.

Результаты исследований подтвердили возможность разработки системы диагностики режущего инструмента, применяемого при строгально-гравировальных работах, а также позволили разработать требования к элементам этой системы диагностики.

Общие выводы и основные результаты работы:

1. Проведенный комплекс теоретических, экспериментальных, лабораторных и производственных исследований процесса ТГ позволил определить технические требования к элементам системы мониторинга состояния РИ при ТГ, виды и места установки первичных преобразователей, доработать алгоритм обработки диагностической информации.

2. Исследования процесса ТГ выявили особенности возникающего ВА сигнала, отличающие его от обычного процесса резания: В, А сигнал при ТГ представляет собой набор отдельных импульсов, случайных по частоте и амплитуде.

3. Разработана математическая модель процесса ТГ в виде нелинейной замкнутой динамической системы, в которой учитывается анизотропия и неоднородность кристаллитов, деформируемых в зоне пластических деформаций. Адекватность модели результатам экспериментов подтверждена с помощью критерия согласия А. Н. Колмогорова.

4. Выявлена причина импульсной природы ВА сигнала при ТГ, заключающаяся в том, что и движение дислокации, и распространение микротрещин при пластическом деформировании происходит многоэтапно, где движение чередуется с процессами торможения с накоплением упругой энергии, при релаксации которой ее малая доля переходит в импульс ВА сигнала. Установлено, что случайная природа импульсов связана с анизотропией кристаллов, случайной ориентацией зерен в поликристалле, соизмеримостью размеров отдельных зерен с областью пластических деформаций. Определено, что амплитудное распределение ВА импульсов зависит от фазового состава обрабатываемого материала.

5. Установлено, что наиболее перспективными диагностическими параметрами при ТГ являются характеристики силовых и ВА сигналов, которые зависят от режимов резания, что необходимо учитывать в диагностических алгоритмах.

6. Установлено, что поломки РИ в процессе ТГ делятся на две категории: быстрые и медленные, результатом которых является исчезновение контакта РИ с заготовкой, что может служить общим диагностическим признаком. Определены характеристики силовых и ВА сигналов, которые монотонно растут с увеличением износа РИ и могут быть использованы в системе мониторинга.

7. Установлено, что при использовании в процессе ТГ скоростей резания более 100 мм/мин для контроля ВА сигналов акселерометр можно устанавливать как со стороны стола, так и со стороны заготовки, но при меньших скоростях контроль со стороны РИ становится единственно возможным.

8. Рассмотрены различные способы размещения первичных преобразователей на станке, показано, что для съема силовых и ВА сигналов с вращающегося РИ в отечественной и зарубежной промышленности существуют готовые решения. Предложены собственные (более дешевые) решения, реализация которых возможна силами предприятия. Предложены алгоритмы функционирования различных вариантов систем мониторинга и диагностики и технические требования к первичным преобразователям.

9. Разработаны рекомендации по оснащению станков для ТГ системами мониторинга и техническое задание на устройство для автоматического определения координат поломки резца, переданное на фабрику ГОЗНАК.

I [риложение I j Гравюра Основное время, час Путь, м Скорость резания, мм/мин.

4 М J ь 60 8,030 2,23.

Портрет" чш ' 30 4,014 2,23.

Циклоиды {OF* ' тИя 42 2,895 1,15.

60 4,136 1,15.

J 6,5 2,809 7,20.

Розетка" 10 4,355 7,23.

Жгм/а .1 10 1,138 1,89.

Бордюр Вш| l 3 0,343 1,91.

Акцизная за, 5 5,019 2,2 марка (X) 20,0 4,613 3,8.

РФ 3,5 0,808 3,8.

10,0 1,961 3,3.

Косичка 2,5 1,214 8,1 J.

1,822.

Гильеш 14,5 10,0 1,787 Г 2'1 ' 44.

Н" 0,57 4,4.

Прав. Роз. Ш } 18,0 1,21 1,1.

Hi.' ¦ 0,26.

Текст КС ' 1Щ]| 4,5 1,674 6,2.