Разработка систем диагностирования процесса расточки отверстий по параметру акустического шума

 

 

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 (vn, Sп, tn). Контрольный проход выполнялся при неизменных режимах (vK, SК, tK) 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.

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.