Разработка систем диагностирования процесса расточки отверстий по параметру акустического шума

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) - Пр (i) приращение регистрируемого параметра при изменении контролируемого параметра ; = (i — 1) – Пк (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 (α = 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 Δf = 200-1200 кГц.

Коэффициент диагностирования для соответствующих параметров по скорости: КА = 40%; КN =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.

 

 

Рис. 4. Запись параметра АЭ при точении.

 

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. 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. 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.

 

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

 

 

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;

γ - 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.

Фактор	Режимы проведения эксперимента	Оптимальная скорость, м/с
		по АЭ	по стойкостному эксперименту
Диапазон селекции сигнала по частоте, кГц	60-1500	0,5-0,57
Износ инструмента по задней поверхности, мм	0,1 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,5 0,5-0,6	0,40-0,48 0,51-0,60 0,57-0,67 0,47-0,56 0,43-0,52 0,40-0,50	0,5-0,57
Относительная жесткость технологической системы l/d, где 1 — длина заготовки, d - ее диаметр	1,0 1,5 2,0 2,5	0,55-0,59 0,53-0,58 0,65-0,69 0,41-0,45	0,55—0,58
Место установки датчика	на резце на резцедержателе	0,5-0,57 0,5-0,57
Схема обработки (точение)	продольное торцевое	0,5-0,57 0,5-0,57
Глубина резания, мм	0,5 1,5 3,5	0,67-0,75 0,65-0,73 0,64-0,72
Подача, мм/об	0,1 0,17 0,35 0,50	0,66-0,75 0,59-0,66 0,53-0,61 0,48-0,56
Передний угол заточки γ, °	0 -3 3	0,66-0,75 0,73-0,8 0,57-0,71