Технологическое обеспечение заданной стойкости инструмента и параметра шероховатости при обработке конструкционных углеродистых и низколегированных сталей на токарных и фрезерных станках с чпу
На правах рукописи
Сергеев Александр Сергеевич ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАННОЙ СТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА И ПАРАМЕТРА ШЕРОХОВАТОСТИ ПРИ ОБРАБОТКЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ НА ТОКАРНЫХ И ФРЕЗЕРНЫХ СТАНКАХ С ЧПУ 05.02.07 – «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Волгоград – 2013
Работа выполнена на кафедре «Автоматизация производственных процессов» «Волгоградский государственный технический университет» Научный руководитель доктор технических наук, профессор Плотников Александр Леонтьевич.
Официальные оппоненты: Старков Виктор Константинович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», научно-исследовательский центр «Новые технологии и инструменты», директор;
Чигиринский Юлий Львович кандидат технических наук, доцент «Волгоградский государственный технический университет», кафедра «Технология машиностроения», доцент.
Ведущее предприятие Волгоградский научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ОАО «ВНИИТМАШ»), г. Волгоград.
Защита состоится «28» мая 2013 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.06 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В. И. Ленина, д. 28, ауд. 209.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.
Автореферат разослан «25» апреля 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Быков Юрий Михайлович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. Среди всех операций механической обработки лидирующие позиции, особенно в автоматизированных производствах, занимают токарные и фрезерные операции. При этом около 60% всех фрезерных работ составляют операции торцевого фрезерования. Современное машиностроение характеризуется производством ответственных деталей машин, работающих в жестких эксплуатационных условиях, что обуславливает повышение требований к показателям качества поверхностного слоя деталей, закладываемых на этапе конструкторского проектирования.
Существующее математическое обеспечение по расчету параметров шерохова тости и методики назначения режимов резания с точки зрения обеспечения заданной стойкости инструмента и качества изготавливаемой продукции не являются в полной мере эффективными и при построении алгоритмов автоматизированного расчета параметров оптимизации приводят к значительным ошибкам (± 50% и выше), ввиду использования в них усредненных поправочных коэффициентов на физико-механи ческие свойства инструмента и заготовки.
Основной задачей технолога является обеспечение требуемых показателей качества поверхностного слоя деталей машин и заданной стойкости инструмента на этапе проектирования технологического процесса токарной и фрезерной обработки.
Оптимизация режимов обработки во многом, определяется возможностью оператив ной оценки физико-механических свойств случайных сочетаний контактных пар «инструмент – заготовка» ввиду наличия разброса свойств инструмента и заготовки в партиях поставки.
В современном машиностроении задачи обеспечения заданной стойкости режущего инструмента и качества производства деталей являются взаимосвязанными и требуют совокупного решения для повышения эффективности всего автома тизированного машинного производства.
Цель работы. Разработка эффективных способов обеспечения заданной стой кости режущего инструмента и повышения качества обработки заготовок из конст рукционных углеродистых и низколегированных сталей на станках с ЧПУ токарной и фрезерной групп. Для достижения поставленной цели необходимо решение следую щих задач:
1. Исследование физических закономерностей формирования микрогеометрии поверхностного слоя металла при лезвийной обработке и выявление диагности ческого параметра адекватно отражающего механические и теплофизические свой ства контактной пары «инструмент – заготовка»;
2. Разработка адекватного математического обеспечения для автома тизированного расчета параметра шероховатости Ra на получистовых и чистовых операциях точения и торцевого фрезерования на базе диагностического параметра в полной мере отражающего механические и теплофизические свойства контактной пары «инструмент – заготовка»;
3. Разработка методики контроля и оценки предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента на базе диагностического параметра отражающего механические и теплофизические свойства контактной пары «инструмент – заготовка»;
4. Разработка концепции функционирования подсистемы САПР ТП на базе модуля расчета параметра шероховатости обрабатываемой заготовки и модуля определения предельного состояния сборного твердосплавного режущего инструмента на примере торцевого фрезерования.
Методы и средства исследования. Теоретические исследования базируются на основе ключевых положений теории резания металлов, материалловедения, диагностики и надежности систем, а также методов планирования экспериментов с применением регрессионного анализа. Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных условиях с использованием современных измерительно вычислительных средств. Обработка результатов производилась на базе аппарата математической статистики с использованием специализированных прикладных программ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Приведены физические закономерности формирования микрогеометрии поверхностного слоя детали при лезвийной обработке сталей с позиций температурной прочности металла и дислокационно-энергетического представления о разрушении металлов при резании;
2. Установлена и экспериментально доказана связь сигнала термоЭДС контактной пары «инструмент – заготовка» с показателем шероховатости Ra поверхностного слоя изготавливаемой детали. В результате предложено использовать информативную способность сигнала естественной термопары (термоЭДС) E «инструмент – заготовка» из зоны резания в математических моделях по расчету параметра шероховатости Ra для оперативной оценки механических и теплофизических свойств контактной пары;
3. На базе методики регрессионного анализа разработаны и предложены математические модели расчета параметра шероховатости Ra на основе сигнала термоЭДС E естественной термопары «инструмент – заготовка», отражающего механические и теплофизические свойства всего диапазона сочетаний инструментального и обрабатываемого материалов;
4. Разработана методика оценки работоспособного состояния твердосплавного инструмента на примере торцевого фрезерования результатом которой являются предложенные способы программного и активного контроля предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Приведены рекомендации по применению математических моделей расчета параметра шероховатости Ra для решения задач управления качеством поверхностного слоя деталей на этапе проектирования технологических процессов токарной и фрезерной обработки;
2. Разработан пакет прикладных программ, который может быть использован на этапе проектирования технологического процесса для автоматизации расчета параметров шероховатости Ra при выполнении получистовых и чистовых операций точения и торцевого фрезерования;
3. Приведены рекомендации по применению способов программного и активного контроля предельного состояния сборного многолезвийного твердосплав ного инструмента (торцевой фрезы);
4. Разработаны алгоритмы функционирования модулей расчета параметра шероховатости Ra при токарной и фрезерной обработке, а также модулей активного и программного контроля предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента, которые могут служить основой для аппаратной и программной реализации работы модулей станочной САПР ТП при лезвийной и многолезвийной обработке заготовок на станках, оборудованных новым поколением систем ЧПУ класса PC-NC.
Апробация результатов исследования: Основные результаты диссерта ционной работы были представлены в научных конференциях: Международная научно-практическая конференция «Современные инновации в науке и технике» (г. Курск, 2011);
IV Международная научно-практическая конференция «Современные направления научных исследований» (г. Екатеринбург, 2011);
Международная научно-практическая конференция «Перспективное развитие науки, техники и технологий» (г. Курск, 2011);
II Всероссийская научно-техническая конференция «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» (г. Уфа, 2012);
Международная молодежная научная конференция «Поколение будущего:
Взгляд молодых ученых – 2012» (г. Курск, 2012);
48 – 50 внутривузовские научные конференции на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета (г. Волгоград, 2011 – 2013);
XI Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (г. Новосибирск, 2013);
II Международная научно-практическая конференция «Инновационные информационные технологии» (г. Прага, г. Москва, 2013).
Научные и практические результаты работы реализованы при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы № 35 – 53 / 155 – 2 – 09 «Разработка математического и программного обеспечения работы модуля расчета режимов резания в САПР ТП механической обработки сталей твердосплавными инструментами с защитными покрытиями» и № 35 – 53 / 445 – 2 – 12 «Разработка математического и программного обеспечения работы модуля расчета параметров шероховатости (качества поверхности) в САПР ТП механической обработки».
Публикации.
По материалам диссертационного исследования опубликовано 20 работ, в том числе 11 работ в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК. Получен 1 патент на изобретение. Поданы 3 заявки на изобретение. Получено 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы (165 наименований), приложений. Работа изложена на 197 страницах содержит 54 рисунка, 31 таблицу.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования, связанная с комплексным решением задач обеспечения заданной стойкости режущего инструмента и требуемого параметра шероховатости Ra деталей на операциях точения и фрезерования.
В первой главе проведен обзор и анализ способов обеспечения требуемых показателей качества деталей и способов обеспечения заданной стойкости инструмента при обработке сталей на токарных и фрезерных станках с ЧПУ.
Изучению проблем обеспечения заданной стойкости инструмента посвящены труды Б. А. Кравченко, Т. Н. Лоладзе, А. Д. Макарова, А. М. Розенберга, В. А. Сино пальникова, Н. В. Талантова, Я. Г. Усачева и многих других ученых. Вопросы управления качеством металлообработки изложены в работах таких ученых как:
В. Ф. Безъязычный, В. Ф. Бобров, В. А. Валетов, О. А. Горленко, Г. И. Грановский, А. И. Исаев, В. И. Котельников, Т. Г. Насад, В. К. Старков, А. М. Сулима, А. Г. Суслов и др., а также в работах многих зарубежных исследователей.
В качестве расчетного параметра, используемого в разрабатываемых математических зависимостях на этапе проектирования технологического процесса выбрано средннее арифметическое отклонение профиля обработанной поверхности Ra, как наиболее точного параметра, принятого в отечественных и зарубежных стандартах. Параметр шероховатости Ra регламентируется единой системой конструкторской документации (ЕСКД) и широко применяется на этапе констру кторского проектирования для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик изготавливаемого изделия.
В работе рассмотрен широкий спектр научной и справочно-нормативной литературы, в которых описаны математические зависимости для расчета параметров шероховатости обрабатываемых поверхностей и методики их оценки. Установлено, что табличные способы определения параметров шероховатости обладают низкой эффективностью и не могут служить основой для построения алгоритмов управления лезвийной обработкой. Применение известных математических зависимостей, не в полной мере эффективно по причине значительных ошибок и отклонений расчетных показателей параметра шероховатости от действительных.
Отмечено, что управление качеством изготавливаемой продукции на должном уровне возможно лишь на базе адекватного математического обеспечения по расчету качественных показателей детали и только в том случае, если инструмент исправен и находится в работоспособном состоянии. За критерий работоспособности, как правило, принимается величина естественного износа режущего инструмента, а также внезапные отказы, что в совокупности определяет период стойкости T инструмента.
Определенную сложность представляет собой контроль состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента, применяемого на операциях торцевого фрезерования, что обуславливает детальное рассмотрение данного вопроса в диссертационном исследовании. Показано, что функциональная надежность всего комплекта фрезы зависит от неоднородности контактных пар «инструмент – заготовка» по физико-механическим свойствам и взаимного комбинационного сочетания рабочих и вышедших из строя зубьев фрезы. Обосновано, что для решения задач оптимизации режимов резания с точки зрения качества и надежности автоматизированного производства необходима оперативная оценка состояния физико-механических свойств контактной пары «инстурмент – заготовка» до момента начала обработки на основе сигнала, получаемого непосредственно из зоны резания.
Сформулированы цель работы и задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.
Во второй главе описана методика проведения экспериментальных исследова ний. Экспериментальная установка была выполнена на базе токарно-винторезного станка модели 1К62 и вертикального консольно-фрезерного станка модели 6Н11КП.
В ходе выполнения экспериментальных исследований в качестве диагностиче ского параметра, определяющего физико-механические свойства контактной пары, был выбран сигнал термоЭДС, генерируемый естественной термопарой «инструмен тальный материал – обрабатываемая заготовка» в режиме предварительного пробно го прохода (V = 100 м/мин;
S = 0,1 мм/об (Sz = 0,1 мм/зуб);
t = 1 мм). На рис. 1 пред ставлены схемы измерения сигнала термоЭДС при точении и фрезеровании.
а б а – точение;
б – торцевое фрезерование Рисунок 1 – Схемы измерения сигнала термоЭДС В качестве прибора для регистрации сигнала термоЭДС использовался цифро вой осциллограф Velleman модели PCS500 с частотой дискретизации измеряемого сигнала 0,001…50 МГц, совместимый с персональным компьютером через LPT порт.
Профилограммы микронеровностей обработанных поверхностей и значения парамет ров шероховатости (Ra, Rz, Rmax) после токарных и фрезерных операций регистриро вались с помощью профилографа-профилометра «АБРИС – ПМ 7» – преобразователь первичный по ГОСТ 19300 – 86, степень точности 1. В качестве обрабатываемого ма териала при проведении экспериментальных исследований использовались углероди стые (сталь 20, 45) и низколегированные (20Х, 40Х, ШХ15) стали. В качестве основ ного инструментального материала при проведении экспериментальных исследова ний использовались твердосплавные инструменты марок: ТТ7К12, Т5К10, Т15К6, ВК6, ВК8 и ТН20 по ГОСТ 26530 – 85, Кировоградского завода твердых сплавов ОАО «КЗТС». Экспериментальные исследования проводились с применением трех, четырех и пятигранных сменных неперетачиваемых твердосплавных пластин как оте чественных, так и зарубежных (Mitsubishi и Sandvik coromant) фирм производителей с покрытием (нитрид титана TiN и карбонитрид титана TiCN) и без покрытия. Снимки обработанных участков деталей проводились в лаборатории кафедры «Материалове дение и композиционные материалы» ВолгГТУ, на электронном микроскопе Olympus BX61 – материаловедский агрегатный комплекс. Схемы измерения параметров шеро ховатости при обработке на токарном и фрезерном станках приведены на рис. 2.
а б а – точение, б – торцевое фрезерование Рисунок 2 – Схемы измерения параметров шероховатости при точении и фрезеровании При выполнении стойкостных испытаний величина фаски износа сменных многогранных твердосплавных пластин измерялась на станке с помощью лупы Бринелля ценой деления 0,05 мм и двадцати четырех кратным увеличением.
Экспериментальные исследования проводились как при резании в сухую, так и с применением смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС). В качестве СОТС применялся эмульсол-ЭГТ (2%, 6% и 10%-й раствор эмульсии). Способ подач СОТС в зону резания – свободно падающая струя (расход Q = 200 мл/мин). Для обработки экспериментальных данных использовался аппарат математической статистики с определением количества необходимых испытаний, среднего арифметического значения случайной величины, стандартного отклонения, коэффициента вариации, оценкой грубых ошибок и т.д. Применение описанной методики проведения экспериментальных исследований позволило получить достоверные результаты при однолезвийной и многолезвийной обработке.
В третьей главе теоретически обосновывается использование физических явлений при лезвийной обработке сталей для обеспечения качества обрабатываемой поверхности и надежности процесса резания. Технологические особенности металлургического производства предполагают наличие неизбежного разброса физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материала, что подтверждается наличием в стандартах допусков на показатели механических свойств и содержание химических элементов готовой продукции инструментальных заводов и металлургических комбинатов.
В этой связи использование средних поправочных коэффи циентов на физико-механиче ские свойства обрабатываемого и инструментального материа лов в математических зависимо стях справочно-нормативной ли тературы, приводят к появлению погрешностей расчета. Как по казывает практика разброс режу щих свойств твердосплавных пластин и обрабатываемости сталей может носить случайный характер и подчиняться различ ным законам распределения (см.
рис. 3). Возникают ситуации, Рисунок 3 – Плотности распределения при которых заготовка из партии механических свойств сталей f(B) и режущих поставки, обладающая худшей свойств инструмента f(KИ) обрабатываемостью (Bmax) соче тается с твердым сплавом, обладающим низкими режущими свойствами (минимальный коэффициент износа инструмента KИmin), на рис. 3, это сочетание зон (4 – 5) и наоборот, на рис. 3, это сочетание зон (1 – 8). Но если во втором случае речь идет о недоиспользовании ресурса инструментального материала, то первая ситуация приводит к простою оборудования по причине преждевременного выхода из строя инструментальной оснастки. Показано, что зачастую возникает ситуация когда механические характеристики и химический состав изготавливаемых сталей и сплавов укладываются в установленные ГОСТом допуски, но вместе с тем различные их сочетания «инструмент – заготовка» влияют на контактно-деформационные процессы в зоне резания, определяя надежность и качество обработки. Это в свою очередь приводит к снижению стабильности автоматизированного производства за счет случайной природы сочетания контактных пар «инструмент – заготовка» из партий поставки. Установлено, что использование в качестве диагностического параметра сигнала естественной термопары «инструмент – заготовка» позволяет получать оперативную информацию о фазовом составе, а также о теплофизических свойствах контактной пары в режиме пробного прохода (в том числе, при использовании твердосплавного инструмента с износостойким защитным покрытием). Установлено влияние количества режущих кромок торцевой фрезы z’, приходящихся на ширину фрезерования поверхности при заданном диаметре торцевой фрезы на параметр шероховатости Ra. Данное обстоятельство обуславливает использование в математической модели комплексного параметра z’.
Экспериментально установлена связь сигнала термоЭДС контактной пары «инструмент – заготовка» с параметром шероховатости Ra. Такое влияние обуславливается наличием корреляционной зависимости коэффициента теплопроводности инструмента с сигналом термоЭДС, что позволяет использовать его для оценки не только механических, но и теплофизических свойств контактной пары «инструмент – заготовка». Приведены физические закономерности формирования микрогеометрии поверхностного слоя деталей при лезвийной обработке сталей с позиций температурной прочности металла и дислокационно энергетического представления о разрушении металлов при резании. Показано, что информативная способность сигнала термоЭДС может быть использована для разработки математического и программного обеспечения при решении задач оценки состояния инструмента и управления качеством лезвийной обработки сталей.
Установлено, что использование в математических моделях сигнала термоЭДС пробного прохода контактной пары «инструмент – заготовка» повышает точность расчета параметра шероховатости Ra, т.к. удельная контактная составляющая параметра термоЭДС, входящая в общую формулу полного значения термоЭДС пары, зависит от теплофизических свойств конкретной контактной пары «инструмент – заготовка».
В четвертой главе приведена методика разработки математического и программного обеспечения работы модуля для расчета параметров шероховатости в САПР ТП токарной и фрезерной обработки. В основу разработки математических моделей по расчету параметров шероховатости Ra на токарных и фрезерных операциях положен регрессионный анализ. В качестве регрессионных моделей, принимались: полиномиальная, степенная и показательная модель. Составлялся план полнофакторного эксперимента для каждого из четырех видов обработки (получистовая и чистовая токарная и фрезерная операции). Для каждой регрессионной модели находились коэффициенты регрессии bi. Уровень значимости коэффициентов регрессии оценивался по критерию Стьюдента. По результатам проверки все факторы оказались значимыми, что позволило использовать их при дальнейшей разработке математических моделей расчета параметра шероховатости.
Оценка адекватности регрессионных моделей производилась по критерию Фишера (F – критерий) с достоверностью 99,7%. За основу разрабатываемой математической модели во всех опытах была взята степенная функция по критерию минимального значения средней относительной погрешности расчета параметра шероховатости Ra по сравнению с действительным значением. По результатам проверки расчетные значения параметра f превышали табличные значения критерия Фишера с достоверностью 99,7%, что свидетельствовало об адекватности применяемых степенных моделей. Результатом экспериментальных исследований по разработке математического обеспечения модулей САПР ТП являются:
1. Математическая модель расчета параметра шероховатости поверхности Ra при точении вида:
E К1 t К 2 S К Ra = СRa (мкм), (1) V К где CRa – коэффициент, учитывающий вид обработки (при получистовой обработке:
CRa = 5,063, при чистовой обработке: CRa = 54,615);
E – значение термоЭДС контактной пары «инструмент – заготовка», мВ;
t – глубина резания, мм;
S – подача на оборот, мм/об;
V – скорость резания, м/мин;
К1, К2, К3, К4 – показатели степени при соответствующих факторах (получистовая обработка: К1 = 0,5;
К2 = 1,122;
К3 = 0,7;
К4 = 0,26;
чистовая обработка: К1 = 0,52;
К2 = 0,478;
К3 = 0,443;
К4 = 0,66).
Средняя относительная ошибка определения параметра шероховатости Ra при точении по разработанной математической модели при получистовой и чистовой токарной обработке не превышает 10%, а максимальная относительная погрешность составляет порядка 33%.
2. Математическая модель расчета параметра шероховатости поверхности Ra при торцевом фрезеровании, учитывающая влияние количества режущих кромок z’ на дуге фрезерования исходя из геометрических параметров инструмента и заготовки:
К 1 2 B z arccos D Eс К 2 t К 3 S z К Ra = С Ra + 1 (мкм), (2) V К где CRa – коэффициент, учитывающий вид обработки (при получистовой обработке:
CRa = 2,75, при чистовой обработке: CRa = 73,5);
Sz – подача на зуб сборного многолезвийного твердосплавного инструмента, мм/зуб;
z – количество режущих кромок сборного многолезвийного твердосплавного инструмента (торцевой фрезы);
Eс – среднеарифметическое значение термоЭДС всех z пластин, мВ;
B – ширина фрезерования, мм;
D – диаметр торцевой фрезы, мм;
К1, К2, К3, К4, К5 – показатели степени при соответствующих факторах (получистовая обработка: К1 = 1;
К2 = 0,732;
К3 = 0,51;
К4 = 0,5;
К5 = 0,284;
чистовая обработка: К1 = 0,833;
К2 = 0,727;
К3 = 0,264;
К4 = 0,313;
К5 = 0,997).
Средняя относительная ошибка определения параметра шероховатости Ra при получистовом и чистовом торцевом фрезеровании по разработанной математической модели не превышает 14%, а максимальная относительная погрешность составляет порядка 40%. На базе математических моделей (1) и (2) разработано программное обеспечение для автоматизированного расчета параметров шероховатости на получистовых и чистовых операциях точения (свид. № 2012615461 от 18.06.2012 РФ) и торцевого фрезерования (свид. № 2012617650 от 24.08.2012 РФ).
Отмечено, что использование в математических моделях информативной способности сигнала термоЭДС естественной термопары «инструмент – заготовка», позволяет оценивать весь диапазон разброса физико-механических свойств инструмента и заготовки в зоне резания. На базе математического обеспечения (формулы (1) и (2)) построены алгоритмы функционирования работы модулей расчета параметров шероховатости в САПР ТП получистовых и чистовых машинных операций точения и торцевого фрезерования.
В пятой главе приведены методики оценки предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента при выполнении операций торцевого фрезерования. Разработанные методики в полной мере реализуемы для мониторинга процессов однолезвийной обработки при выполнении операций токарной обработки.
Разработан способ программного контроля предельного состояния режущих кромок сборных многолезвийных инструментов (см. патент RU 2449860, МПК В В25 / 06, 10.05.2012) и описан алгоритм работы модуля САПР ТП на базе данного способа. Перед началом обработки производится предварительный пробный проход, измеряются и фиксируются сигналы термоЭДС каждой режущей пластины Ei.
Расчитывается допустимая скорость резания Vд по одному из известных способов (см. патент RU 2312750, МПК 7 B 23 Q 17/09, 20.12.2007):
(625 24,7 Eс ) D0, Vд = (м/мин), 0, 0, 2 0, S z, 0 0, t B Eс T Для режущей пластины, обладающей худшими режущими свойствами вычисляют интенсивность ее отказов max по формуле:
(625 24,7 Emax ) D 0, 2 (мин-1), max = V t 0,1 S 0, 4 B 0, 2 E 0, д max z где Emax – максимальное значение термоЭДС режущей кромки из набора фрезы, мВ.
До момента начала обработки оператор-технолог вводит параметр предельной вероятности отказа инструмента Fпр и величину временного интервала, определяющего контрольные моменты времени i для диагностики наступления отказа торцевой фрезы. В первый контрольный момент времени 1 = вычисляется частная функция вероятности отказа Q(1) фрезы по экспоненциальному закону:
Q (1 ) = 1 e max где Q(1) – частная функция вероятности отказов в момент времени 1.
По истечении первого контрольного момента времени 1 функция вероятности отказа фрезы F(1) принимает значение частной функции вероятности отказа Q (1 ) :
F (1 ) = Q(1 ).
Далее в первый контрольный момент времени 1 вычисляют коэффициент рабо тоспособности сборного инструмента Kр по формуле:
F ( 1 ), Kр = F пр где F(1) – значение функции вероятности отказа инструмента в момент времени 1.
По полученному значению коэффициента Kр проводят проверку условия:
K р 1, (3) Если условие (3) не выполняется, то обработка продолжается на установленных технологических режимах до наступления следующего (второго) контрольного момента времени 2. Если условие (3) выполняется, то производится вывод торцевой фрезы из зоны обработки и дальнейшая замена вышедшей из строя пластины. По истечении каждого контрольного момента времени i производится проверка условия (3).
В общем случае для любого контрольного момента времени i T функция вероятности отказа торцевой фрезы F(i) фрезы, при условии, что в момент времени i- отказ торцевой фрезы не произошел, определяется выражением:
F (i ) = Q(i ) [1 Q(1)] [1 Q(2)]... [1 Q(i 1 )].
При этом значение функции вероятности отказа фрезы F(n) в момент времени n рассчитывается по формуле:
n F ( n ) = F ( i ).
i = По данным стойкостных испытаний выявлено, что максимальная относительная погрешность определения стойкости инструмента по предлагаемому способу составляет 9%. Данный способ наиболее эффективен при выявлении постепенных отказов, характерных для получистовых и чистовых операций торцевого фрезерования при работе фрезой с количеством режущих кромок менее восьми, где отказ одной режущей кромки является критичным.
Для диагностики и выявления внезапных отказов, связанных со сколами режущих кромок твердосплавных пластин, приведена методика, позволяющая в режиме реального времени производить мониторинг и идентификацию отказа той или иной режущей кромки. Разработан способ контроля (активного) состояния режущих кромок сборных многолезвийных инструментов и подана заявка на выдачу патена РФ (приоритетная справка № 2011146604, приоритет от 16.11.2011).
В основу способа положен тот факт, что до тех пор, пока режущие кромки торцевой фрезы имеют физический контакт с обрабатываемой заготовкой, каждой режущей кромкой генерируется сигнал термоЭДС Ei. В случае если в комплекте твердосплавных пластин происходит резкое снижение сигнала термоЭДС (Ei 1 мВ) или отсутствие сигнала термоЭДС Ei, то это означает, что произошел критический износ режущей кромки (отказ). При этом, для оценки предельного состояния торцевой фрезы целесообразно использовать коэффициент изношенности Kи, определяемый как отношение количества режущих кромок m (со значением термоЭДС Ei меньшим или равном предельному Епр), к общему количеству режущих кромок z в наборе торцевой фрезы. Данный способ особенно эффективен при черновой и получистовой обработке на тяжелых режимах (где наиболее вероятно появление внезапного отказа) торцевой фрезой оснащенной количеством режущих кромок более восьми (z 8). В качестве численной величины предельного значения термоЭДС, принято значение из диапазона Е 1 мВ, что соответствует отсутствию физического контакта между заготовкой. В режиме обучения системе ЧПУ сообщается следующая информация: общее количество режущих кромок торцевой фрезы z;
предельное значение термоЭДС Епр в момент cкола режущей кромки;
предельное значение коэффициента изношенности Kи.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. В диссертационной работе решена научно-техническая задача по обеспечению заданной стойкости режущего инструмента и параметра шероховатости Ra на операциях точения и торцевого фрезерования;
2. Показано, что эффективное управление качеством обработанной по верхности при точении и торцевом фрезеровании на станках с ЧПУ возможно обеспечить на базе математических моделей, в полной мере учитывающих допускаемый разброс свойств со стороны обрабатываемых сталей и режущего твердосплавного инструмента, с оценкой его предельного состояния;
3. Для решения задачи было предложено использовать информативную способность сигнала термоЭДС естественной термопары «инструмент – заготовка», измеренного на предварительном пробном проходе для оперативной оценки сочетания механических и теплофизических свойств каждой контактной пары;
4. Исследовано влияние количества режущих кромок торцевой фрезы, одновременно находящихся на длине дуги фрезерования, на высоту микронеровностей;
5. Применение аппарата регрессионного анализа позволило получить адекватные математические модели, для расчета параметра шероховатости Ra при точении и торцевом фрезеровании, обеспечивающие совпадение расчетного и измеренного значения в пределах 12-15%;
6. На базе полученных математических моделей разработаны алгоритмы автоматизированного расчета параметра шероховатости Ra для операций точения и торцевого фрезерования;
7. Разработан способ программного контроля, с возможностью обеспечения заданной стойкости торцевой фрезы с допуском ±10%, и способ активного контроля для оценки предельного состояния сборного многолезвийного твердосплавного инструмента;
8. Предложен вариант работы подсистемы мониторинга процесса меха нической обработки на фрезерном станке с ЧПУ, включающей модуль расчета параметра шероховатости Ra и модули программного и активного контроля предельного состояния сборной твердосплавной фрезы.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи, в периодических изданиях рекомендованных ВАК:
1. Автоматический контроль состояния сборного многолезвийного инстру мента / А.Л. Плотников, А.С. Сергеев, Е.Г. Крылов, М.Г. Кристаль, В.П. Заярный // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2011. – № 3. – С. 25-28.
2. Автоматический контроль предельного состояния торцовых фрез / А.Л. Плотников, Б.В. Лесной, Е.Г. Крылов, А.С. Сергеев // Справочник. Инженерный журнал. – 2011. – № 7. – С. 42-46.
3. Проблемы и задачи обеспечения качества обработки на автоматизированном станочном оборудовании / Д.В. Крайнев, А.Р. Ингеманссон, А.Н. Романенко, А.С. Сергеев, Н.Г. Зайцева // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2011. – Т.7. – № 13. – С.16-20.
4. Сергеев, А.С. Мониторинг предельного состояния сборного многолезвийного инструмента на фрезерных станках с ЧПУ / А.С. Сергеев, А.Л. Плотников, Е.Г. Крылов // Справочник. Инженерный журнал. – 2012. – № 6. – С. 37-41.
5. Плотников, А.Л. Расчет и обеспечение режимов резания в САПР ТП на станках с ЧПУ при точении углеродистых сталей по требуемому параметру шероховатости поверхности / А.Л. Плотников, А.С. Сергеев, Н.Г. Зайцева // Металлообработка. – 2012. – № 3. – С. 42-45.
6. Сергеев, А.С. Математическая модель формирования шероховатости поверх ности при точении сталей на основе оперативного сигнала термоЭДС / А.С. Сергеев, Н.Г. Зайцева, А.Л. Плотников // Обработка металлов. – 2012. – № 7. – С. 20-23.
7. Зайцева, Н.Г. Проблемы управления качеством обработки и моделирование процесса формирования шероховатости поверхности при точении / Н.Г. Зайцева, А.Р. Ингеманссон, Д.В. Крайнев, А.С. Сергеев // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2012. – Т.8. – № 13. – С. 15-18.
8. Сергеев, А.С. Управление качеством металлообработки деталей торцовыми фрезами на автоматизированном станочном оборудовании / А.С. Сергеев, А.Л. Плотников, Н.Г. Зайцева // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2012. – Т.8. – № 13. – С. 54-56.
9. Сергеев, А.С. Работоспособность сборных торцовых фрез при обработке на станках с ЧПУ / А.С. Сергеев, Б.В. Лесной, А.Л. Плотников // Технология машиностроения. – 2012. – № 11. – С.25-28.
10. Сергеев, А.С. Управление качеством механообработки сборным многолез вийным твердосплавным инструментом на фрезерных станках с ЧПУ / А.С. Сергеев, А.Л. Плотников // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. – 2012. – Т.16. – № 4 (49). – С. 138-143.
11. Сергеев, А.С. Уточненная математическая модель расчета параметра шероховатости поверхности при точении углеродистых сталей на станках с ЧПУ / А.С. Сергеев, А.Л. Плотников, Н.Г. Зайцева // Металлообработка. – 2012. – № 5-6. – C. 64-68.
Патенты РФ и свидетельства о регистрации программ для ЭВМ:
12. Пат. 2449860 РФ, МПК В23 В25 / 06. Способ программного контроля предельного состояния режущих кромок сборных многолезвийных инструментов / Б.В.Лесной, Е.Г. Крылов, А.Л. Плотников, А.С. Сергеев;
ГОУ ВПО ВолгГТУ. – 2012.
13. Свид. о. гос. регистрации № 2012615461 от 18.06.2012 РФ. Расчет величины среднего арифметического отклонения профиля обработанной поверхности при получистовом и чистовом точении: программа для ЭВМ / А.Л. Плотников, А.С. Сергеев, Е.М. Фролов, Н.Г. Зайцева;
ВолгГТУ. – 2012.
14. Свид. о. гос. регистрации № 2012617650 от 24.08.2012 РФ. Расчет величины среднего арифметического отклонения профиля обработанной поверхности при получистовом и чистовом торцовом фрезеровании конструкционных углеродистых и низколегированных сталей: программа для ЭВМ / А.Л. Плотников, А.С. Сергеев, Н.Г. Зайцева;
ВолгГТУ. – 2012.
Научные работы, опубликованные в других изданиях:
15. Сергеев, А.С. Проблемы управления качеством механообработки на станках с ЧПУ / А.С. Сергеев, А.Л. Плотников // Современные инновации в науке и технике:
матер, междунар. науч.-практ. конф. (14 апр. 2011 г.) / Юго-Западный гос. ун-т, Фак-т инноваций и управления. – Курск, 2011. – С. 107-110.
16. Сергеев, А.С. Влияние состояния сборного многолезвийного твердосплав ного инструмента на микрогеометрию поверхностей при обработке на фрезерных станках с ЧПУ / А.С. Сергеев // Современные направления научных исследований :
сб. науч. тр. IV междунар. заоч. науч.-практ. конф. (15 июня 2011 г.) / Периодическое науч. издание "Мир гуманитарных наук". – Екатеринбург, 2011. – С. 56-57.
17. Сергеев, А.С. Обеспечение качества металлообработки сборным много лезвийным твердосплавным инструментом на фрезерных станках с ЧПУ / А.С. Сергеев, А.Л. Плотников, Ф.Г. Добрынин // Перспективное развитие науки, техники и технологий: матер, междунар. науч.-практ. конф. (7 окт. 2011 г.) / Юго Западный гос. ун-т, Фак-т инноваций и управления. – Курск, 2011. – С. 212-215.
18. Сергеев, А.С. Обеспечение заданных показателей качества поверхностей при обработке сборным многолезвийным инструментом на фрезерных станках с ЧПУ / А.С. Сергеев // Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий: матер, всероссийской науч.- техн. конф. (28 фев. - 01 мар. 2012 г.) / Уфимский государствен ный авиационный технический университет. – Уфа, 2012. – C. 50-54.
19. Сергеев, А.С. Разработка математических моделей расчета параметров шероховатости при обработке деталей на токарных и фрезерных станках с ЧПУ / А.С. Сергеев // Поколение будущего: Взгляд молодых ученых – 2012: материалы молодежной научной конф. (14 - 20 ноября 2012 г.) / Юго-Западный гос. ун-т (ЮЗГУ). – Курск, 2012. – С. 160-163.
20. Сергеев, А.С. Математическое обеспечение работы модуля автоматизиро ванного расчета параметра шероховатости в САПР ТП лезвийной обработки / А.С. Сергеев, Н.Г. Зайцева // Проблемы повышения эффективности металлообработ ки в промышленности на современном этапе: матер, XI всероссийской науч.-практ.
конф. (27 мар. 2013 г.) / Новосибирский государственный технический университет. – Новосибирск, 2013. – С. 59-63.
Подписано в печать _._. 2013г. Заказ №. Тираж 100 экз. Печ. л. 1, Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.
Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета.
400005, г. Волгоград, ул. Советская,