Диагностика процесса резания

Оптимизация условий обработки

Заключение

В технологической системе станок - приспособление - инструмент - заготовка при резании генерируются высокочастотные волны упругой деформации (волны напряжений), параметры и характер появления которых обусловлены динамической локальной перестройкой полей механических напряжений. Основным их источником является зона резания, в которой происходят пластическая деформация и разрушение обрабатываемого материала, разрыв фрикционных связей на контактных поверхностях инструмента. Эти процессы неизбежно связаны с динамической нагрузкой-разгрузкой твердого тела, например резца, имеют различную степень пространственно-временной локализации и порождают волны напряжений, которые распространяются в упругой среде (по элементам технологической системы и несут определенную информацию о тех процессах, в ходе которых они появляются).

Заметим, что если низкочастотные колебания вызываются нестационарностью процесса обработки и зависят от многих внешних факторов, в первую очередь от жесткостных и инерционных характеристик элементов технологической системы, то волны АЭ порождаются доминирующими физическими процессами при обработке резанием (разрушение, трение, пластическое деформирование). Это создает определенные преимущества для построения с помощью анализа зависимости их параметров от условий обработки аппарата технологической диагностики резания.

Прием, преобразование, обработка и регистрация волн напряжений носят название метода акустической эмиссии. Источники АЭ можно условно разделить на внешние и внутренние. К первым относят источники, расположенные на поверхности объекта, например волны напряжений, генерируемые при трении, соударении, обтекании турбулентным потоком жидкости или газа. Процессы лекального динамического перераспределения полей механических напряжений в объеме материала относятся к внутренним источникам АЭ (например, акты пластической деформации, микро- и макроразрушения, фазовые превращения). Рассматривая с этих позиций зону резания, можно сделать вывод о наличии в ней целого ряда источников АЭ, которые будут генерировать волны напряжений разной мощности и спектральной плотности.

Схема измерения параметров АЭ показана на рис. 1. Волны напряжений 1, генерируемые в зоне резания 2, распространяются в упругой среде, например по резцу 3 или заготовке 4, и достигают свободной поверхности, упругие смещения которой фиксируются датчиком 5. Сигнал с датчика поступает в блок обработки 6 и с него -- на регистрирующее устройство 7.

Рис. 1. Схема измерения АЭ при резании.

Обработка сигнала АЭ может быть различна, что связано с информативностью акустического излучения, параметры которого определяются условиями протекания резания, в первую очередь скоростью деформирования обрабатываемого материала -- интенсивностью его разрушения и пластического деформирования, а также трением и изнашиванием контактных поверхностей инструмента.

Помимо спектральной плотности, сигналы АЭ имеют ряд информативных параметров, анализ которых позволяет построить график зависимости между условиями протекания исследуемого процесса обработки и характером излучаемой при этом АЭ.

Приведем некоторые определения, наиболее характерных параметров АЭ, используемых при решении задач технологической диагностики. Активность АЭ -- отношение числа импульсов акустической эмиссии к интервалу времени наблюдения. Амплитуда АЭ -- максимальное значение сигнала АЭ в течение выбранного интервала времени. Амплитудное распределение -- распределение амплитуд АЭ за исследуемый интервал времени.

Необходимо отметить, что степень корреляции между различными параметрами АЭ и исследуемой характеристикой резания может изменяться в весьма широких пределах. Однако эта зависимость от условий резания, если она есть, регистрируется достаточно надежно, так как сами параметры обычно взаимосвязаны. Поэтому при проведении экспериментов желательно регистрировать несколько параметров АЭ, например амплитуду (энергетическая характеристика) и активность (спектральная характеристика).

Как показали эксперименты, при построении зависимостей параметров АЭ от условий резания полезно использовать не только сами параметры АЭ, но и их комбинацию, включающую технологические характеристики резания, например:

где -- мощность акустического излучения;

А -- амплитуда сигнала АЭ;

-- активность сигнала АЭ;

-- мощность резания.

Хорошие результаты дает обработка сигналов АЭ по критерию

Физически критерий представляет собой импульс упругих волн, генерируемых в зоне резания в единицу времени на единице пути при обработке. Большинство акустических измерений при резании носит сравнительный характер, поэтому на графиках параметры АЭ или технологические критерии, выраженные формулами (1), (2), представляются обычно в относительных или условных единицах, например в миллиметрах отклонения пера самописца. Однако амплитуду АЭ можно задавать в единицах давления. Иногда параметры АЭ приводят по входу датчика; для этого электрический сигнал, снимаемый с регистрирующей аппаратуры, делят на суммарный коэффициент усиления измерительной аппаратуры.

Применяемая аппаратура и методика измерений

1) отсутствие необходимости в акустическом контакте датчика с исследуемым объектом;

2) возможность исследования АЭ при высоких (выше точки Кюри для пьезопреобразователей) температурах;

3) безинерпионность, отсутствие разброса характеристик, малую площадь исследуемого объекта.

Однако на практике наибольшее распространение получили комплекты и приборы для измерения сигналов АЭ, в качестве чувствительного элемента которых используется пьезокерамика, при выборе которой необходимо учитывать температуру Кюри, механическую прочность и другие эксплуатационные характеристики, изложенные в ГОСТ 1392-68.

Анализ показывает, что для измерения АЭ при обработке резанием наиболее полно функциональным требованиям удовлетворяет искусственная пьезокерамика благодаря высокой прочности, стабильности свойств, малой гигроскопичности, сравнительно высокой температуры Кюри. Так как при резании сигнал АЭ обычно достаточно мощный, то керамический элемент в преобразователе может быть задемпфирован, что приводит к более равномерной амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) датчика; в то время как отсутствие демпфирования позволяет на резонансной частоте добиваться более высокой чувствительности измерительной аппаратуры при относительно широкой полосе пропускания.

Типовая конструкция пьезопреобразователя схематически показана на рис. 2. Пьезоэлемент 1 из керамики ЦТС в виде диска, поляризованного по толщине, опирается по периметру на кольцевую шайбу 2 из фторопласта для изоляции от корпуса 3. К внутренней посеребренной поверхности керамики подпаян низкотемпературным припоем (например, сплавом Вуда) гибкий проводник 5 диаметром 0,07-0,1 мм. Заряды снимаются с токосъемника 4 шайбы 6, выполненной из фольгированного стеклотекстолита СФ-1. Другая поверхность керамики соединяется с корпусом проводниками 7. Для закрепления керамики по контуру, защиты ее от истирания и механических повреждений, согласования акустических сопротивлений и изоляции от объекта испытаний используется эпоксидный компауд К-115. В другом варианте конструкции корпус изготовляют с металлическим дном, к которому эпоксидной смолой прикрепляют пьезокерамику.

Рис. 2. Пьеэопреобраэователь акустической эмиссия.

Для анализа АЭ при резании металлов обычно используются многоцелевые комплекты аппаратуры, которые впоследствии могут быть модернизированы для измерения отдельных информативных параметров АЭ или их комплексов и технологических волновых критериев, позволяющих осуществлять диагностику той или иной характеристики механической обработки.

Структурная схема типового комплекта для измерения АЭ включает в себя следующие основные элементы (рис. 3): приемный преобразователь, усилитель, полосовые фильтры, устройство для регулирования порога ограничения (дискриминатор), устройства для измерения параметров АЭ, наблюдения и регистрации сигналов и их параметров. Для уменьшения искажения и ослабления сигнала АЭ, предварительный усилитель необходимо размещать в непосредственной близости от пьезопреобразователя. Однако при резании с высокими скоростями или при шлифовании, измерение АЭ, как показали эксперименты, может проводиться без использования предварительного усилителя из-за достаточной мощности сигналов. Одновременно с измерением параметров АЭ измеряют технологические параметры резания: скорость, силу, температуру и др.

Особо необходимо отметить способ и место крепления акустического датчика. Так как источником электрического сигнала АЭ являются упругие волны, генерируемые в зоне резания, то при их распространении имеют место все волновые явления, в первую очередь затухание и отражение на границе раздела двух сред, причем, чем больше разность акустических сопротивлений в месте контакта, тем большая часть волновой энергии отражается. Поэтому место установки датчика желательно приближать к зоне резания, а если это невозможно, то снижать акустические потери волнового тракта можно путем выбора материалов с минимальной разностью акустических сопротивлений.

Рис. 3. Схема измерения сигнала АЭ при резании.

1 - пьезопреобразователь; 2 - предварительный усилитель; 3 - блок полосовых фильтров; 4 - дискриминатор; 5 - широкополосный усилитель; 6 -- пиковый детектор; 7 - интенсиметр; 8 - регистрирующее устройство; 9 - формирователь импульсов; 10 - амплитудный анализатор; 11 - цифропечатающее устройство; 12 - запоминающий осциллограф; 13 - анализатор спектра; 14 - блок измерения неакустических технологических параметров резания.

Место контакта с элементом технологической системы также должно обладать минимальным акустическим сопротивлением, причем, как показала практика измерения АЭ при резании, эффективным средством решения этой задачи является применение консистентных и жидких смазочных материалов: солидола, веретенного масла и т. п. Если нет возможности установить датчик на неподвижный элемент технологической системы (резец, зажимное приспособление, заготовка), то необходимо использовать различные подвижные контакты, например ртутные, между жесткозакрепленными (приклеенными) датчиком и трактом усиления и обработки сигнала. Очевидно, что место контакта выбирается исходя из удобства его расположения и из условия обеспечения минимальных шумов при измерениях.

Желательно, чтобы во время исследований или в производственных условиях акустическое сопротивление волноводного тракта от места генерирования волн напряжений (зоны резания) до места установки датчика сохранялось постоянным, так как в противном случае необходима специальная градуировка аппаратуры с помощью источников дозированной акустической энергии.

Коэффициенты усиления сигнала должны устанавливаться в соответствии с его мощностью, причем усиление на предварительном каскаде (предусилитель) не должно превышать 40-50 дБ. Динамический диапазон усиления желательно делать с более широкими границами: до 40--60 дБ.

Блоки полосовых фильтров и дискриминаторов обеспечивают селекцию сигнала АЭ по частоте и амплитуде. При этом часть полезной информации, естественно, не обрабатывается, однако обеспечивается практически полная помехозащищенность измерительного тракта от посторонних шумов, например вибраций технологической системы.

С помощью запоминающего осциллографа можно исследовать форму отдельных импульсов АЭ, а анализатор спектра и амплитуд обеспечивают спектральную и энергетическую оценку акустического излучения. Тип регистрирующего устройства может быть различен, однако, как показали эксперименты, наиболее удобно для этой цели использовать быстродействующие самописцы Н-327 и Н-338. Их применение обеспечивает получение наглядной записи сигнала АЭ на ленте, что облегчает обработку сигналов и дает представление об общих тенденциях их изменений при варьировании исследуемого технологического параметра обработки.

Схема аппаратуры, показанной на рис. 3, может быть собрана из отдельных функциональных элементов, однако для решения ряда исследовательских и производственных задач по диагностике механической обработки желательно использовать стандартные комплекты акустоэмиссионной аппаратуры, включающие в себя все основные блоки приема, обработки и регистрации сигналов АЭ.

При решении конкретных практических задач необходимо разрабатывать узкофункциональные целевые приборы; в этом случае схема упрощается, но включает в себя элемент логической обработки сигнала. Естественно, что во всей акустоэмиссионной аппаратуре используются экранированные кабели и высокочастотные разъемы.

Для решения задач технологической диагностики, с успехом могут применяться многофункциональные приборы для измерения АЭ, используемые в дефектоскопии для неразрушающего контроля деталей. Наиболее распространенными являются анализаторы волн напряжений (АВН-1м, АВН-Зм), которые обеспечивают получение основных информативных параметров АЭ в широком диапазоне изменения технологических режимов обработки, а также позволяют использовать анализаторы спектра и амплитуд. Помимо этих приборов можно использовать прибор АФ-11, а также некоторые зарубежные комплекты аппаратуры.

Большинство исследований, результаты которых приведены, выполнены с помощью анализатора волн напряжений АВН*1м. Прибор имеет выходы для подключения электронного осциллографа, нормализатора импульсов и самописца типа Н-327/5.

С ним могут быть скомплектованы различные исследовательские комплекты, включающие в себя электронно-счетный частотомер 43-33, анализатор импульсов АИ-256.

Подключаемый к прибору внешний полосовой фильтр БФ-1 для установления требуемого диапазона селекции сигнала АЭ по частоте состоит из пассивных фильтров верхних (ФВЧ) и нижних (ФНЧ) частот. Частоты среза ФВЧ следующие: 30, 60, 100, 200, 400, 500, 750, 1500 кГц; частоты среза ФНЧ: 60, 100, 175, 250, 500, 750, 1200 кГц.

Диагностика процесса резания

Возможность диагностирования условий обработки резанием в целом предопределяется информативностью того или иного регистрируемого параметра, т. е. величиной его изменения в зависимости от изменения контролируемого параметра резания:

или, переходя к пределу в формуле (3),

где К -- коэффициент информативности; = (i -- 1) - П_р (i) приращение регистрируемого параметра при изменении контролируемого параметра ; = (i -- 1) - П_к (i).

Применительно к диагностике методом АЭ под понимается некоторая характеристика акустического излучения: амплитуда, активность сигнала, критерии, вычисленные по формулам (1) или (2), а под -- изменение некоторого технологического параметра обработки: времени, скорости обработки, износа инструмента и др.

В формулах (3) и (4) вместо приращений параметров можно использовать их относительное изменение:

Тогда данные зависимости будут безразмерными, что повысит их использование. На рис. 4 в качестве примера приведена запись сигналов АЭ при точении стали 40Х резцом Т15К6 (б = 12, =0,= = 45°) с режимами резания S = 0,5 мм/об; t - 1 мм; v = 0,5--3 м/с и показана методика обработки полученных результатов.

Диапазон измерений Дf = 200-1200 кГц.

Коэффициент диагностирования для соответствующих параметров по скорости: К_А = 40%;К_N =200 %, т. е. более информативным параметром в данном случае является интенсивность АЭ.

Однако в каждом конкретном примере обработки может быть свой наиболее информативный параметр или их комплекс, причем, обычно амплитуда и интенсивность сигнала тесно коррелируют.

При анализе резания по параметру активности АЭ нужно учитывать непрерывный характер АЭ на большинстве операций механической обработки материалов. Поэтому особое внимание следует уделять правильному выбору порога дискриминации сигнала, так как при его небольшом значении активность АЭ может измениться в несколько раз даже при незначительном изменении амплитуды, что объясняется спецификой регистрации данного параметра.

Рис. 4. Запись параметра АЭ при точении.

В практическом отношении порог дискриминации должен обеспечивать регистрацию лишь отдельных флуктуаций сигнала, т. е. быть близким к максимальной амплитуде сигнала.

В рассматриваемом случае возрастание активности АЭ по сравнению с амплитудой сигнала объясняется увеличением частоты следования отдельных флуктуаций сигнала, примерно пропорциональной в данных условиях скорости резания, ответственной за интенсивность процессов сдвигообразования в зоне резания -- одном из наиболее мощных источников АЭ.

Таким образом, надежное диагностирование процесса обработки определяется чувствительностью регистрируемых параметров на изменения условий резания. Так как АЭ порождается основными физическими процессами обработки, то, как показали эксперименты, любое изменение их энергоемкости однозначно вызывает изменение параметров акустического излучения.

К основным факторам обработки, диагностируемым данным методом, относятся: условия образования и схода стружки.

Рис. 5. Структурная схема применения метода АЭ при механической обработке.

Начало дробления стружки обычно сопровождается характерным увеличением сигнала АЭ, что может быть использовано для контроля процесса стружкодробления, в частности при вибрационном точении, сверлении; геометрия заточки и марка инструментального материала, а также влияние износостойкого покрытия; жесткость элементов технологической системы; влияние физико-механических свойств материала на обработку; вид применяемой технологической среды, ее концентрация; качество поверхности и наличие неоднородностей структуры обрабатываемого материала; износ лезвийного и абразивного инструмента; глубина и степень предварительного наклепа обрабатываемой поверхности; режимы обработки.

Таким образом, метод АЭ позволяет диагностировать все важнейшие характеристики обработки и, что особенно ценно, установить их взаимное влияние. Это предопределяет возможность применения сигналов АЭ для управления резанием. На рис. 5 показана структурная схема применения метода АЭ на операциях механической обработки.

Оптимизация условий обработки

Наличие тесной корреляционной связи между параметрами АЭ и условиями резания позволяет предположить, что упругие волны обладают не только однозначной информативностью при исследовании основных процессов механической обработки, но и активно влияют на характер их протекания. Данная гипотеза об эффекте влияния волн напряжений на процессы, их порождающие, была проверена экспериментально. Было установлено, что износ образцов из инструментальной стали зависит от энергоемкости АЭ, генерируемой в зоне фрикционного контакта. Указанное обстоятельство трудно переоценить, так как открывается реальная перспектива оптимизировать режимы механической обработки только путем анализа зависимости от них параметров АЭ. Длительные и материалоемкие стойкостные эксперименты в этом случае становятся необязательными.

Теоретической базой для количественного описания влияния волн напряжений на интенсивность изнашивания инструмента может служить термофлуктуационная концепция длительной прочности материалов, приведенная в работах акад. С.Н. Журкова. Основополагающая зависимость этой теории, связывающая время до разрушения некоторого объема материала с действующими в нем напряжениями при температуре имеет вид:

где t₀ -- постоянная, близкая к периоду тепловых колебаний атомов;

и₀ -- энергия активации, близкая к энергии сублимации материала;

K--постоянная Больцмана;

г - структурный коэффициент.

Зависимость (6) является математическим обобщением фундаментальных физических представлений о термофлуктуационной природе накопления дефектов в материале под действием приложенных нагрузок и температур. Поэтому ее конкретизация применительно к специфическим условиям взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов в зоне резания дает общий кинетический подход к изучению закономерностей изнашивания инструмента и процесса формирования параметров качества обработанной поверхности.

Расчеты, проведенные по формуле (6), показали, что волны напряжений активно влияют на время до микроразрушения (изнашивания) контактных поверхностей, а также на качество поверхностного слоя.

Примером практической реализации вышеизложенных положений является возможность создания экспресс-методики определения оптимальных скоростей резания, причем под физически оптимальной скоростью будем понимать ту скорость обработки, при которой создаются условия, обеспечивающие минимальную интенсивность изнашивания инструмента (максимальный путь резания до критерия затупления). Данная скорость является нижней границей экономически целесообразных режимов обработки, и ее экспресс-оценка особенно важна при резании труднообрабатываемых материалов.

Согласно критерию W минимум интенсивности изнашивания (максимум площади обработанной до затупления инструмента) наблюдается при максимальных скоростях резания, не вызывающих резкого изменения (возрастания) W. Оценку этого изменения можно провеете путем анализа зависимостей W/v и ²W/v² от скорости резания.

Таким образом, для определения оптимальной скорости резания нужно обработать, исследуемый материал на нескольких скоростях, регистрируя одновременно значения амплитуды А и интенсивности . сигнала АЭ. Затем рассчитать соответствующие значения W и построить зависимость W = f(v). Характерные точки на этой кривой (перегибы, минимумы) будут соответствовать оптимальным режимам обработки. На рис. 6 приведены результаты экспериментов при точении сплава ХН77ТЮ с одновременной регистрацией АЭ.

На рис. 6 видно, что экспресс-оптимизация дает результат, аналогичный результату оптимизации скоростей резания, полученному по классической методике, причем затраты времени и материальных ресурсов для его получения несоизмеримо меньше, так как нет необходимости в проведении стойкостных испытаний.

Однако при широком практическом использовании предлагаемой методики требуется учитывать следующее обстоятельство: если у обрабатываемого материала в области предположительно оптимальной скорости имеет место достаточно интенсивное изменение температуры резания, то применение критерия W в обработке зависимости параметров АЭ от скорости резания дает несколько завышенный результат оптимизации. Причем разность между ним и истинным значением оптимальной скорости будет тем больше, чем больше величина д/дv в исследуемом диапазоне режимов.

Данное обстоятельство является следствием допущения const при выводе критерия W и может быть учтено введением соответствующей температурной поправки, однако в этом случае усложняется методика проведения экспериментов и возрастает сложность их последующей математической обработки. Кроме того, как показали эксперименты, для решения большинства практических задач температурная поправка для устранения рассогласования между результатами оптимизации может не вводиться.

Рис. 6. Связь сигналов АЭ с режимами обработки при точении сплава ХН77ТЮ резцом ВК8: 1 - Тv = f₁ (v); 2 - W = f₂ (v), 3 - дw/дv = f₃(v) ; 4 - д²w/дv² = f₄ (v)

Так как обычно кривая W = f₂(v) достаточно пологая и соответствует крутизне зависимости Тv = f₁ (v), что физически объяснимо, то в результате экспресс-оптимизации указывается не одно конкретное значение скорости, а достаточно узкий диапазон скоростей.

В этом диапазоне с целью конкретизации можно провести стойкостной эксперимент и определить экономически целесообразную скорость резания и абсолютное значение стойкости инструмента.

Однако, как показала практика, в производственных условиях желательно при назначении режимов иметь именно диапазон рациональных скоростей обработки, что связано с рядом ограничений технического и организационного порядка.

Прямая экспериментальная проверка этого положения проводилась как для всех групп труднообрабатываемых материалов, так и для обычных конструкционных сталей. Было установлено влияние условий регистрации сигнала АЭ и технологических факторов обработки на результат экспресс-оптимизации скорости резания.

Табл. 1 Влияния фактов при точении резцом ВК8 ( = = 45°) жаропрочного сплава ХН77ТЮ и титанового сплава ВТЗ-1 на параметры АЭ.

Одним из важнейших практических приложений метода АЭ к диагностике условий обработки являются активный контроль и прогнозирование состояния режущих кромок инструмента без прерывания рабочего цикла изготовления деталей.

Реальный разброс технологических факторов, влияющих на стойкость инструмента в производственных условиях, не позволяет надежно прогнозировать износ режущих кромок и приводит к необходимости их активного контроля.

Принудительная смена инструмента на автоматизированном металлорежущем оборудовании после обработки заданного числа деталей независимо от его фактического износа экономически нецелесообразна, а также не дает полной гарантии безаварийной работы инструмента из-за сколов, поломок, выкрашиваний и т. д.

Наличие корреляционной связи между параметрами АЭ и состоянием рабочих поверхностей инструмента (например, износом), основано на следующем. Сигнал АЭ при резании складывается из постоянной и переменной составляющих.

Постоянная составляющая несет информацию о совокупности процессов разрушения, пластической деформации и трения, сопровождающих образование элемента срезаемого слоя; переменная составляющая учитывает влияние нестационарных эффектов, в первую очередь изнашивания, т. е. увеличения площади контактных поверхностей.

Таким образом, создаются физические предпосылки для идентификации износа инструмента путем выделения, из общего уровня сигнала АЭ переменной во времени составляющей при сохранении всех других условий обработки постоянными.

Кроме того, так как изнашивание инструмента является необратимым процессом с термодинамических позиций, то зависимость сигнала АЭ от износа должна быть однозначной и монотонно изменяющейся.

Информативность зависимости параметров АЭ от состояния режущих кромок инструмента зависит от многих факторов, связанных в основном с величиной отношения переменной составляющей сигнала АЭ к постоянной, а также выбранным методом обработки сигнала.

При этом нужно учитывать не только общие энергетические особенности изменения параметров АЭ в зависимости от изнашивания инструмента, но и их дифференциальные характеристики: спектральную плотность, амплитудное распределение и т. д. Однако в ряде случаев интегральные характеристики сигнала АЭ обеспечивают практически реализуемую информативность зависимости АЭ.

Рис. 7. Зависимость износа, интенсивности изнашивания и АЭ от пути резания: 1 - износ; 2 - интенсивность износа; 3 - активность сигнала АЭ

Рис. 8. Зависимость активности сигнала АЭ от износа инструмента при точении сплава ЖС6КП: 1 - зависимость активности сигнала АЭ; 2 - износ инструмента

В комплексную проверку предлагаемого метода экспресс-оптимизации входит сопоставление рекомендуемых режимов резания для всех групп труднообрабатываемых материалов с режимами, определенными методом АЭ.

Проверка показала их удовлетворительное совпадение, а отдельные несоответствия объясняются практической невоспроизводимостью условий обработки при проведении экспериментов.

Данное положение имеет принципиальное значение, так как позволяет методом АЭ конкретизировать, т. е. уточнить оптимальные режимы резания на каждом рабочем месте в случае необходимости непосредственно в производственных условиях.

Таким образом, экспресс-оценка оптимальности условий обработки с помощью акустической диагностики оказывается весьма полезной как в уже действующем производстве, например при корректировке скоростей резания, так и на этапе технологической подготовки механообрабатывающего производства.

Диагностика технологической наследственности

Возможности метода АЭ применительно к решению задач технологической диагностики не ограничиваются анализом условий обработки только на данной конкретной операции.

Энергетическая общность процессов резания предполагает эффективное использование технологической акустики для оптимизации режимов обработки на смежных операциях с целью обеспечения на наиболее ответственной операции. заданного, чаще всего минимального уровня параметров сигнала АЭ.

В этом случае в соответствии с активной ролью АЭ следует ожидать минимальных износа инструмента и параметра шероховатости обработанной поверхности.

Другими словами, метод АЭ позволит подойти к созданию физического аппарата диагностики и оптимизации технологической наследственности, под которой следует понимать способность материала заготовки через ее свойства, отражающие условия обработки на предыдущих операциях, влиять на формирование свойств обрабатываемого материала при выполнении последующих операций.

Действительно, в ходе технологического процесса обрабатываемый материал, в частности поверхностный слой заготовки, на каждой операции приобретает новые физико-механические свойства.

Поэтому в процессе последующей обработки путем анализа параметров АЭ, зависящих от свойств обрабатываемого материала, можно оценить условия формообразования на предыдущих операциях: величину пластического деформирования заготовки, ее структуру после термообработки и т. п.

Данное положение обусловлено тем, что сигналы АЭ порождаются процессами разрушения, трения, пластического деформирования материала, характеристики которого отражают условия протекания указанных процессов на предыдущих операциях.

В связи с этим, целенаправленно изменяя режимы обработки на предыдущих операциях и контролируя параметры АЭ на последующих, можно добиться их требуемого уровня в пределах накладываемых техникотехнологических ограничений, что должно обеспечить заданное качество обработанной поверхности и стойкость режущего инструмента.

Экспресс-оценка обрабатываемости материалов методом АЭ предполагает анализ технологической наследственности, в частности определение зависимости характеристик шероховатости поверхности заготовки и стойкости инструмента от условий термообработки, которые проявляются через твердость и структуру обрабатываемого материала.

Помимо очевидного научного значения это обстоятельство имеет важное практическое приложение, которое заключается в возможности активного диагностирования процесса обработки с целью его требуемой, строго индивидуальной в каждом конкретном случае корректировки как на данной операции, так и на предшествующих.

Причем данная корректировка может осуществляться как при обработке одной детали (в зависимости от координаты инструмента в каждый текущий момент времени), так и от заготовки к заготовке.

Непосредственная проверка вышеизложенных положений применительно к операциям лезвийной обработки осуществлялась на различных по своим свойствам конструкционных материалах, она показала, что изменение уровня сигнала АЭ позволяет надежно диагностировать фактор технологической наследственности.

Причем если экспресс-оценка обрабатываемости косвенно указывает на решающую роль этого фактора в ряде практических приложений метода АЭ, то специальными экспериментами можно его выделить в явном виде. Поэтому основные методические особенности проведения экспериментов заключались в следующем.

1. Варьирование фактора технологической наследственности осуществлялось за счет различных режимов резания на предыдущих проходах (v_n, S_п, t_n). Контрольный проход выполнялся при неизменных режимах (v_K, S_К, t_K) с одновременной регистрацией параметров сигнала АЭ. Для оценки влияния фактора технологической наследственности определялась разность в уровнях сигналов АЭ, генерируемых при обработке на исследуемых режимах и выражалась в процентах по отношению к большему из них.

2. Влияние технологической наследственности на формирование экстремальных параметров качества обработанной поверхности исследовалось при строгании, глубина резания на первом рабочем ходе была постоянной. На втором рабочем ходе она изменялась, при этом регистрировались параметры сигналов АЭ, поступаемые из зоны резания.

Использование в качестве информативного параметра процесса резания сигналов АЭ позволяет решить задачу оптимизации, диагностирования, активного контроля фактора технологической наследственности, например, с целью получения минимального параметра шероховатости поверхности на данном рабочем ходе за счет варьирования режимов резания на предыдущем рабочем ходе или наоборот.

На рис.9 показана зависимость высоты микронеровностей (кривая 1) и амплитуды сигнала АЭ (кривая 2) от глубины резания на втором рабочем ходе после выполнения первого рабочего хода с постоянной глубиной, равной t₁ -- 0,2 мм, при строгании сплава Д16.

Причем было отмечено, что при минимуме сигнала АЭ реализуется минимальное значение дисперсии параметров шероховатости, т. е. происходит ее стабилизация. В практическом отношении представленные зависимости позволяют разработать экспресс-методику физически оптимального деления межоперационного припуска, которая в отличие от известных учитывает свойства конкретного материала и условия его обработки.

эмиссия акустический пьезопреобразователь

Рис: 9. Зависимость амплитуды АЭ и высоты микронеровностей от глубины резания.

Таким образом, помимо диагностики фактора наследственности в действующих технологических процессах обеспечивается его учет на стадии подготовки производства.

Это позволит назначать порядок, метод изготовления и условия протекания предшествующих операций такими, которые на последующих операциях обеспечат требуемое значение параметров АЭ и тем самым соответствующее им качество и стойкость инструмента.

Методика проведения диагностики процесса резания при растачивании отверстий методом акустической эмиссии

1. В ходе предварительных экспериментов необходимо выбрать диапазоны измерения на применяемой акустоэмиссионной аппаратуре, обеспечивающие четкую запись и повторяемость всех контролируемых параметров АЭ при резании.

При этом необходимо учитывать, что информативный диапазон измерений связан не только с физическими процессами в зоне резания и изменяется в различных условиях обработки, но и обусловлен АЧХ пьезопреобразователя и усилительного тракта.

Поэтому рекомендуется применять резонансный датчик, если частоты его резонансов и АЭ от исследуемого процесса, например трения, совпадают.

В противном случае желательно использовать апериодические пьезопреобразователи, с максимально пологой АЧХ в исследуемом диапазоне частот.

2. Обработать исследуемый материал. При этом путь резания определяется видом (характером) регистрируемых параметров. При стабильном уровне сигналов АЭ путь резания обычно составляет 10--50 м.

Следует обращать внимание на состояние режущих кромок инструмента после обработки, так как в случае появления следов выкрашивания, сколов, зон интенсивного изнашивания необходимо повторить обработку после смены грани у неперетачиваемой пластинки или провести правку инструмента.

3. В зависимости от решаемой задачи в соответствии с математическим планом проведения экспериментов изменить условия резания путем варьирования изучаемых параметров и продолжить обработку до получения необходимого количества информации об исследуемой зависимости.

Если решаемая задача не связана с контролем изнашивания инструмента, то необходимо не допускать его существенного изменения, обычно в пределах ±0,1 мм по задней поверхности.

Причем вопрос о допустимом износе в каждом конкретном случае должен быть решен при проведении предварительных экспериментов.

Также можно рекомендовать внесение поправки в полученные результаты на износ или, если это возможно, избавиться от влияния износа путем селекции сигнала АЭ по частоте.

4. Обработать полученные на лентах самописца результаты по средним или пиковым значениям.

Рассчитать выделившуюся относительную акустическую энергию или импульс упругих волн АЭ по формулам (1) и (2), учитывая, что Рz = const.

Построить графически зависимости параметров АЭ от исследуемых факторов обработки или получить эмпирические формулы, отражающие эту связь.

Сделать вывод об информативности и возможности диагностирования данного параметра обработки методом АЭ.

Рис. 8. Схема измерения сигнала АЭ при растачивании.

1 - пьезопреобразователь; 2 - предварительный усилитель; 3 - блок полосовых фильтров; 4 - дискриминатор; 5 - широкополосный усилитель; 6 -- пиковый детектор; 7 - интенсиметр; 8 - регистрирующее устройство; 9 - формирователь импульсов; 10 - амплитудный анализатор; 11 - цифропечатающее устройство; 12 - запоминающий осциллограф; 13 - анализатор спектра; 14 - блок измерения неакустических технологических параметров резания.

Заключение

Метод акустической эмиссии является новым аппаратом технологической диагностики условий резания. Физические принципы метода связаны с основными процессами структурообразования обрабатываемого материала и представляют собой высокочастотные волны упругой деформации, которые генерируются в зоне резания.

Параметры данных волновых процессов непосредственно отражают энергетическую картину резания, зависят от ее изменений и могут быть зарегистрированы соответствующей измерительной аппаратурой.

Это позволяет осуществить диагностирование износа инструмента, определить качество обработанной поверхности, разработать методики экспресс-оптимизации режимов резания и геометрии заточки инструмента, т.е. исследовать комплекс показателей обрабатываемости как существующих, так и перспективных материалов, выбрать марку рационального инструментального материала, оценить фактор технологической наследственности.

Экономическая эффективность метода АЭ обусловлена сокращением цикла технологической подготовки механообрабатывающего производства, уменьшением его трудоемкости и материалоемкости.

В действующем производстве метод АЭ позволяет корректировать режимы обработки с целью их интенсификации, осуществлять непрерывный или дискретный активный контроль за ходом технологического процесса обработки, а также проводить входной контроль обрабатываемости материала и режущих свойств инструмента. Экономическая эффективность применения АЭ определяется повышением надежности процессов обработки, увеличением их производительности.

Высокая информативность и разрешающая способность метода АЭ обусловливают его перспективное применение в комплексно-автоматизированных металлообрабатывающих производствах, например при создании адаптивных систем управления процессом резания от ЭВМ.

Очевидно, что по мере развития метода АЭ, его технологические возможности, круг решаемых практических задач и промышленных приложений, будут непрерывно расширяться. Это обусловлено тем, что волны упругой деформации, которые порождают сигналы АЭ, являются новым, ранее неизвестным и целенаправленно неисследованным фактором, активно влияющим на процессы структуро- и формообразования в зоне обработки материалов на целой гамме технологических операций, в первую очередь при их лезвийном резании.

Список используемых источников

1) Подураев В.Н., Барзов А.А, Горелов В.А. Технологическая диагностика резания методом акустической эмиссии. - М.: Машиностроение, 1988. - 56 с.: ил.

2) Журков С.Н., Беспахотный П.Д., Чубаров А.Д. и др. Повышение эффективности обработки резанием заготовок из титановых сплавов - М.:Машиностроение, 1988. - 15л.: ил.

Размещено на Allbest.ru