Повышение надежности фрезерования сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам

Современное машиностроительное производство все в большей и большей степени основывается на применении станков с ЧПУ, которые эксплуатируются как автономно, так и в составе ГПС.

Применение таких технологических систем в совокупности с прогрессивным режущим инструментом позволяет повысить эффективность производства за счет уменьшения вспомогательного и машинного времени при обеспечении заданного качества изготавливаемых изделий. Гибкость и быстропереналаживаемость технологической системы способствует модернизации выпускаемой продукции, что определяет выживаемость производителя в условиях острой конкуренции.

Это определяет основные пути развития технологического оборудования. Любую современную технологическую систему можно разделить на две системы: физическую и информативную. В физической системе происходит физический процесс, т. е. процесс преобразования материи и энергии. Управляемая физическая система взаимодействует с информативной управляющей системой, в которой происходит преобразование информации.

Физическая часть технологических систем по механической обработке совершенствуется путем механизации с тенденцией концентрации на одном рабочем месте видов обработки материалов резанием. Металлорежущие станки оснащаются высокооборотными шпинделями, высокоскоростными устройствами линейных перемещений по 5−8 координатам, что позволяет осуществлять простые и сложные траектории движения режущего инструмента. Работа таких высокомеханизированных систем в автоматическом и автоматизированном режиме стала возможной благодаря разработке и внедрению мощных и быстродействующих управляющих информативных систем.

Отечественный опыт и опыт зарубежных стран, эксплуатирующих гибкие производственные системы, показывает, что эта прогрессивная техника дает заметный экономический эффект при непрерывной круглогодичной эксплуатации [1], т. е. простои из-за нарушения работоспособного состояния должны быть сведены к минимуму. Это возможно при обеспечении высокой надежности работы всех компонентов автоматизированных и автоматических технологических систем.

Данные, представленные в работе [2], показывают, что при работе станков с ЧПУ оператор в среднем через каждые 6−22 мин вмешивается в работу станка по управляющей программе для устранения возникающих отказов с целью поддержания текущей работоспособности. Устраняемые оператором отказы режущего инструмента составляют от 23% до 63%. Исследования, проведенные службой Takeyama [3] в Японии, говорят о том, что время Простоя оборудования с ЧПУ из-за отказов, определяемых незапланированным износом и поломкой режущего инструмента при различных видах обработки, составляют от 39% до 50%. Простои же, обусловленные отказом оборудования, находятся в пределах всего 4-^6%. Следовательно, наиболее слабым звеном по надежности в автоматизированных технологических системах является режущий инструмент.

Анализ структуры отказов режущей части инструментов [4] показывает, что при обработке конструкционных углеродистых сталей твердым сплавом при точении доля отказов из-за изнашивания рабочих поверхностей составляет 7(Н80%, скалывания — 10-К30%, выкрашивания — 1−5-7%. При фрезеровании доля отказов из-за скалывания и выкрашивания увеличивается до 75%. У инструмента из быстрорежущих сталей отказы вследствие поломки значительно ниже и находятся в пределах 1±2%, что объясняется более высоким пределом прочности на растяжение и изгиб и меньшей твердостью. Однако доля отказов из-за поломки может возрастать при превышении допустимых значений текущего износа рабочих по верхностей. Это особенно касается быстрорежущих концевых фрез, по причине особенностей их конструкции, которые ослабляют прочность зубьев фрезы.

Фрезерование является одним из распространенных видов мехобработ-ки. Доля его особенно велика при обработке корпусных изделий и все больше увеличивается от замены растачивания на планетарное фрезерование. Процесс фрезерования концевыми фрезами является наиболее сложным процессом, так как происходит при переменных факторах в каждый момент времени рабочего хода фрезы. Следует также отметить, что пропуск отказа фрез из быстрорежущих сталей при обработке конструкционных углеродистых сталей может привести к катастрофическому износу, что сопровождается размазыванием рекристаллизованного инструментального материала по поверхности резания с последующим упрочнением при остывании. Твердость поверхностного слоя сопоставима с твердостью быстрорежущей стали. Деталь или бракуется, или проводится съем упрочненного материала заготовки инструментом с более твердой режущей частью, что требует дополнительного времени и режущего инструмента.

Несвоевременное обнаружение отказа режущего инструмента имеет самые различные последствия: от брака в изделии до поломки отдельных деталей и узлов технологического оборудования, что снижает эффективность производства.

Если произошел отказ режущего инструмента, то вне зависимости от причин отказа процесс резания прекращается, т. е. следствием отказа режущего инструмента является отказ процесса резания.

Таким образом, обеспечение высокой надежности процесса фрезерования концевыми быстрорежущими фрезами в условиях автоматизированного и автоматического производства является актуальной проблемой.

Одним из путей решения этой проблемы является создание и внедрение в технологическое оборудование систем контроля процесса резания и диагностирования состояния режущего инструмента.

Отказ режущего инструмента всегда происходит в процессе резания. Прекращение процесса резания ведет к недообработке детали. Деталь должна быть забракована или дообработана путем замены инструмента и подналадки станка, что требует вмешательства оператора.

Под контролем процесса резания, в данном случае, понимается управление резанием при его реализации, т. е. после распознавания отказа информативная система принимает и реализует решение изменить факторы процесса, таким образом, восстанавливая работоспособное состояние инструмента. Исключение вмешательства оператора ведет к увеличению уровня автоматизации. Управление резанием позволяет управлять надежностью процесса.

Разработка и внедрение таких систем является актуальной проблемой. Она практически не решена в современном станкостроении. Существующие системы управления исполнительными механизмами захвачены управлением перемещения по заданным координатам, отслеживая в каждый момент времени точность перемещения. Контроль процесса резания требует разрешение на очередное микроперемещение, т. е. если от системы диагностики поступает «О» (инструмент работоспособный) на обслуживающий перемещения процессор, то микроперемещение осуществляется, если поступает «1» (инструмент неработоспособный), то микроперемещение с заданными характеристиками невозможно. Это требует дополнительного времени на анализ поступающей на процессор информации, а, следовательно, разработки более интеллектуальной быстродействующей системы управления.

Надежность процесса резания определяется и надежностью режущего инструмента. Надежность инструмента обеспечивается на стадиях проектирования, изготовления и назначения факторов его эксплуатации. При конструировании и назначении режимов работы концевых фрез, как и другого инструмента, должны учитываться экстремальные значения параметров резания, а именно температура и напряжение от силы резания.

Диагностирование режущего инструмента в процессе резания осуществляется в результате сравнения действительного значения параметра или параметров процесса резания с предельно допустимым значением, устанавливаемым субъектом управления.

С целью обеспечения более высокой надежности процесса обработки путем диагностирования состояния режущего инструмента по косвенному диагностическому признаку, необходимо назначать предельное значение параметра резания, имеющего наибольшую вероятность безотказной работы режущего инструмента.

Наибольшую вероятность безотказной работы режущего инструмента обеспечивает косвенный диагностический параметр, в наибольшей степени зависящий от критерия отказа или являющийся наиболее чувствительным к его изменению.

Таким образом, разработка принципов диагностирования состояния концевых быстрорежущих фрез при обработке конструкционных углеродистых материалов является актуальной задачей, стоящей перед теорией резания. Решение этой задачи может быть осуществлено посредством установления и описания причинно-следственных связей: параметров и факторов процесса, прямых и косвенных диагностических признаков.

Целью данной диссертационной работы является повышение надежности концевых быстрорежущих фрез при обработке конструкционных углеродистых сталей за счет диагностирования состояния инструмента по силовым диагностическим признакам. Достижение указанной цели в работе обеспечивается путем решения актуальной научной задачи, состоящей в выявлении косвенного диагностического признака наиболее чувствительного к изменению критерия отказа.

Для решения поставленной научной задачи необходимо:

— выявить критерий отказа при обработке конструкционных углеродистых сталей концевыми быстрорежущими фрезами на различных схемах обработки;

— выявить косвенные диагностические признаки возможных изменений в состоянии инструмента;

— описать взаимосвязь между факторами процесса, критериями отказа и диагностическими признаками;

— разработать методику для априорного выбора косвенного диагностического признака.

Решение поставленных задач осуществлялось на основе исследования условий эксплуатации концевых быстрорежущих фрез при обработке конструкционных углеродистых сталей на различных схемах фрезерования. Для выявления наиболее чувствительных диагностических признаков исследовались температура в режущем клине и силовые параметры, возникающие в процессе обработке.

При решении перечисленных задач получены следующие научные и практические результаты, которые выносятся на защиту.

Научная новизна работы:

— в значениях термических напряжений в режущем клине инструмента, возникающих во время рабочего и холостого ходов при фрезеровании сталей;

— в математических зависимостях, учитывающих влияние износа инструмента и режимов резания на составляющие силы резания при фрезеровании.

Практическая ценность работы заключается:

— в рекомендациях по выбору диагностических признаков в зависимости от режимов и схем фрезерования, позволяющих повысить надежность фрезерования сталей.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН», на Международных научно-технических конференциях «Качество машин-2001» в Брянске, «ПРОТЭК — 2002» в Москве, а также были удостоены серебряной медали третьего Московского Международного салона инноваций и инвестиций.

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ. Автор выражает благодарность научному руководителю работы зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С. Н. Григорьеву, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.

Результаты исследования наростообразования на: фрезерования позволяют сделать вывод о том, что вектор силы резания приложен к середине активно-, • жущей кромки.

Исследования влияния изнашивания концевых бысг температуру методом «естественной термопары», i носитсльный прирост данного параметра колеблете: может быть использован в качестве диагностическое, ния инструмента.

Разработанный подход к изучению силовых параме нии, позволяет получить зависимости составляюн е-: износа инструмента.

Разработанная программа моделирования силовых г •- чивает выбор наиболее информативного диагносте' зависимости от условий эксплуатации инструмента. В зависимости от сочетания факторов и схем фре достижения предельного значения критерия отказа, fy, fv и fh приобретают относительный прирост обеспечивает возможность их использования в ка ских признаков. чных схемах ультирующий: и главной рееущих фрез на зают, что отделах 40% и — fзнака состояi фрезеровали резания от.

• I ров, обеспе-о признака в пия, а также е параметры чо 180%, что л иагностиче.

Установленная высокая информативность силон: — гностических признаков, позволяет обеспечить надежную работу: ы диагностики состояния инструмента при фрезеровании.