Термоэлектрический метод неразрушающего контроля режущего инструмента

Актуальность.

Резание является одним из наиболее широко распространенных методов формоизменения материала заготовок. В условиях современного производства на процесс резания возложена задача функционального обеспечения обработки детали с требуемой точностью формы и размеров с заданной безотказностью работы [1,2].

Одной из главных причин отказов режущих инструментов является износ режущей кромки. Контроль износа наиболее актуален для инструмента, используемого в современном автоматизированном производстве, гибких производственных системах, а также при обработке труднообрабатываемых, дорогостоящих деталей, когда отказ инструмента из-за его износа влечет получение брака.

Износ режущего инструмента является сложным процессом, связанным с процессами трения, переменными нагрузками, вибрацией. На него сильно влияют температура режущей кромки. Известно, что износ режущего инструмента резко возрастает при повышении температуры его режущей кромки. Поэтому при изучении процессов резания большое внимание уделяется разработке методов контроля температуры в зоне резания.

Существенный вклад в изучение процессов, сопровождающих износ инструмента, внесли Н. И. Резников, А. Н. Резников, Г. И. Грановский, Я. Г. Усачев, P.O. Барсегянц, И. Дж. Армарего, Р. Х. Браун и др.

В настоящее время износ инструмента в процессе резания может контролироваться по усилию резания и температуры в зоне резания.

Сложность определения температур в зоне резания обусловлена невозможностью установки измерительных преобразователей непосредственно в этой зоне без нарушения физических свойств контактирующих поверхностных слоев резца и изделия, а при установке указанных преобразователей на некотором расстоянии от зоны резания — необходимостью математического моделирования теплового поля в инструменте, что сопряжено с достаточно большой погрешностью получаемых результатов. В настоящее время для измерения температур непосредственно в зоне резания применяют естественные термопары. Вопросами использования термоэлектрических методов для измерения температуры в зоне резания занимались Я. Г. Усачев, Е. Герберт, К. Готвейн, В. Рейхель, В. Ц. Зориктуев, И. С. Праведников и др. Однако, они получали усредненные значения температур возникающих в зоне резания, в то время как особый интерес представляет раздельное определение температур, генерируемых зонами трения стружки о переднюю поверхность инструмента и обрабатываемой поверхности заготовки о заднюю поверхность. Знание этих температур позволит избежать местных перегревов инструмента и наиболее эффективно использовать систему охлаждения. Применение термоэлектрического метода контроля также позволяет оценивать изменения физических свойств режущей кромки инструмента, в значительной степени определяющего его износ, что, особенно актуально при автоматизации технологических процессов, связанных с резанием материалов.

Объект исследований: методы контроля нагрева режущего инструмента и его износа.

Предмет исследований: методы раздельного контроля нагрева передней и задней поверхности режущего инструмента и степени его износа.

Цель работы: разработка термоэлектрического метода раздельного определения нагрева рабочих поверхностей режущего инструмента при проведении экспериментальных исследований и метода оценки износа инструмента, допускающего его применение в процессе резания.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Обосновать требования к разрабатываемому методу контроля;

2) Провести анализ существующих методов контроля температуры в зоне резания;

3) Разработать термоэлектрический метод раздельного определения. нагрева рабочих участков поверхностей инструмента в процессе резания с целью его применения при экспериментальных исследованиях;

4) Выявить физическую величину, по характеру изменения которой возможна оценка износа инструмента и установить ее связь со степенью износа;

5) Разработать метод контроля износа инструмента в процессе резания.

Методы исследования: в работе используются методы физического и математического моделирования, методы исследования контактирования? поверхностей с микронеровностями, методы математической статистики.

Экспериментальные исследования проводились с: использованиемсовременных средств измерения и на оригинальных установках, выполненных с использованием средств вычислительной техники.

Научная новизна.

— разработан термоэлектрический метод раздельного определения нагрева рабочих участков поверхностей режущего инструмента;

— установлена зависимость распределения температуры нагрева передней и задней поверхностей режущего инструмента от твердости обрабатываемого материала- .

— установлена связь между дисперсией термоэлектрической способности (ТЭС) режущей кромки инструмента и степенью его наработки;

— разработан^ метод оценки износа режущего инструмента^, использование которого возможно в процессе: резания- .

Практическая ценность.

— установлено, что распределение температур между передней и задней поверхностями режущего инструмента зависит от твердости обрабатываемого материала, что должно учитываться при выборе системы охлаждения;

— установлена возможность оценки износа инструмента в процессе его эксплуатации по значениям дисперсии термоЭДС. ,.

Положения, выносимые на защиту:

1 Метод раздельного определения нагрева передней и задней поверхности режущего инструмента;

2 Зависимость распределения температур между передней и задней поверхностями режущего инструмента от свойств обрабатываемого материала на примере его твердости;

3 Зависимость дисперсии ТЭС рабочих участков инструмента от его износа;

4 Функциональная связь дисперсии термоЭДС, генерируемой в рабочих зонах инструмента, с его износом, позволяющая оценить износ инструмента в процессе резания.

Рекомендации по применению полученных результатов переданы в ОАО «Промприбор» (г. Ливны), на котором разрабатываются мероприятия по использованию разработанного метода в производстве.

Результаты диссертационного исследования используются при проведении научно-исследовательских работ в области контроля износа режущего инструмента, проводимых сотрудниками и аспирантами кафедры «Приборостроения, метрология и сертификация», а также при выполнении дипломных и курсовых работ.

Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на 5 Международных и 1 региональной конференциях:

1) VII Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном и строительном комплексах» «Технология — 2006», Россия, Орел — Side, Turkey, октябрь, 2006 г.;

2) VIII Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе» «Технология — 2007», Россия, Орел — Helsinki, Finland, май, 2007 г.;

3) Научно-техническая конференция с участием иностранных специалистов «Трибология — машиностроению», посвященная 70-летию Института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, Москва, 2008 г.;

4) Международная юбилейная научно-техническая конференция «Инструментальные системы машиностроительных производств», Тула, 2008 г.

5) Научно-практическая конференция «Научный потенциал Орловщи-ны в модернизации промышленного комплекса малых городов России», Технологический институт, Ливенский филиал «ОрелГТУ», Ливны, 2010 г.;

6) Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении», ИМАШ РАН им Благонравова, Московский государственный университет приборостроения и информатики (МГУПИ) ФГУП ММПП «Салют», Москва, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК, а также подана заявка на термоэлектрический способ определения нагрева рабочих поверхностей режущего инструмента.

Список опубликованных научных трудов по теме диссертации.

1 Бакурова, Ю. А. Тепловое поле резца и измерение температуры резца в зоне резания [Текст] / Ю. А. Бакурова // Известия ОрелГТУ. Сер. Машиностроение. Приборостроение. — Орёл: ОрелГТУ, 2005. -№ 3. — с. 34−36.

2 Корндорф, С. Ф. Исследования зоны трения стружки о переднюю поверхность [Текст] / С. Ф. Корндорф, Ю. А. Бакурова // Известия ОрелГТУ. Сер. Машиностроение. Приборостроение. — Орёл: ОрёлГТУ, 2006. — № 3. — с. 19−21.

3 Бакурова, Ю. А. Исследование нагрева инструмента по передней и задней поверхностям [Текст] / Ю. А. Бакурова // Известия ОрелГТУ. — Сер.

Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии". — Орел: ОрелГТУ, 2007. — № 2. с. 4−8.

4 Бакурова, Ю. А. Термоэлектрический метод определения температуры в зоне резания с учетом вариаций термоэлектрической чувствительности [Текст] / Ю. А. Бакурова // Известия ОрелГТУ. — Сер. «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». — Орел: ОрелГТУ, 2008. -№ 2−2/270. с. 34−38.

5 Бакурова, Ю. А. Термоэлектрический метод определения температуры в зоне трения [Текст] / Ю. А. Бакурова // Научно-техническая конференция «Трибология — машиностроению 2008». Сборник материалов конференции, электронные версии докладов, Москва, 2008 г.

6 Бакурова, Ю.А. Термоэлектрический-метод, контроля температуры в зоне резания [Текст] / Ю. А. Бакурова^// 1нженер. Студентський науково-техшчний журнал. — Донецьк: ДонНТУ, 2008. — № 9. с. 117−119.

7 Бакурова, Ю. А. Распределение температур по поверхностям резца и его режущей кромке [Текст]' / Ю. А. Бакурова // Вестник ТулГУ. Сер. Инструментальные И' метрологические системы. Материалы Международной1 юбилейной научно-технической конференции «Инструментальные системы машиностроительных производств», посвященной 105-летию со дня рождения С. С. Петрухина, 29−31 октября 2008 г. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. -с.144−147.

8 Бакурова, Ю. А. Исследование термоЭДС при обработке отверстий развертками с различной степенью износа [Текст] / Ю. А. Бакурова // Сборник трудов Региональной научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов «Научный потенциал Орловщины в модернизации промышленного комплекса малых городов России», 26 февраля 2010 г. — Ливны: Изд-во ОрелГТУ, 2010.-с. 9−13.

9 Бакурова, Ю. А. Термоэлектрический метод раздельного определения средних температур в зонах трения передней и задней поверхностей резца в процессе резания [Текст] / Ю. А. Бакурова // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии — Орёл: ОрёлГТУ, 2010. -№ 1. — с. 125.

10 Бакурова, Ю. А. Связь дисперсии термоЭДС с линейным износом разверток [Текст] / Ю. А. Бакурова, И. Н. Викторова // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии — Орёл: ОрёлГТУ, 2010. — № 2. -С. 85−88.

11 Термоэлектрический способ определения нагрева рабочих поверхностей режущего инструмента [Текст]: заявка 2 010 113 414 от 06.04.2010 Российская Федерация / С. Ф. Корндорф, Т. И. Ногачева, Ю. А. Бакуровазаявитель и патентообладатель Орл. гос. техн. ун-т.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников включающего 96 наименований, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 153 страницах машинописного текста. Работа содержит 86 рисунков (в том числе 33 в приложении) и 131 таблицу (в том числе 72 в приложении).

Выводы по главе 4:

1. В процессе врезания развертки режущая кромка начального участка развертки значительно изнашивается и потому дисперсия ТЭС с увеличением наработки резко возрастает.

2. Начальный участок калибрующей части развертки в начальный период изнашивается сильнее, чем более удаленные участки. Износ удаленных участков вызывает незначительное изменение дисперсии ТЭС, что объясняется малым"износом.

3. Дисперсия ТЭС резко возрастает в начальный период износа разверток и, значительно медленнее* изменяется по мере увеличения наработки изношенной развертки. Это объясняется тем, что на поверхности режущей кромки. развертки> формируется устойчивый* изношенный j с л ой.

4. Использование значений дисперсии ТЭС при контроле наработки разверток в производственных условиях не удобно, так как требует прерывания рабочего процесса и измерения ТЭС в различных точках режущих кромок развертки.

5. В производственных условиях удобнее проводить измерение термоЭДС естественной термопары, образованной разверткой с обрабатываемым изделием, по значениям которой можно определить:

— конец периода врезания и начало калибровки;

— размерный износ калибрующей части развертки по величине переменной составляющей термоЭДС (дисперсии).

6. Так же как и при измерении ТЭС, по мере наработки и износа развертки, чувствительность метода уменьшается.

Заключение

.

Разработан метод раздельного контроля термоЭДС, генерируемых в зонах трения на передней и задней поверхностях режущего инструмента, позволяющий раздельно определять среднюю температуру нагрева рабочих участков передней и задней поверхностей резца.

Экспериментально выявлено, что при вязких материалах сильнее нагревается зона трения передней поверхности резца со стружкой, чем зона трения задней поверхности по обрабатываемой деталипри твердых материалах — нагрев задней поверхности выше, чем передней.

Установлен рост как среднего значения термоЭДС, так и дисперсии ее мгновенных значений в зависимости от степени износа.

Установлено увеличение дисперсии значений ТЭС от степени износа инструмента, обусловленное накоплениеммикроповреждений и неоднород-ностей поверхностного слоя в рабочей зоне инструмента.

Проведенные эксперименты при использовании в качестве режущего инструмента разверток показали возможность контроля их линейного износа по дисперсии термоЭДС, генерируемой естественной термопарой развертка-изделие.