На правах рукописи

АФАНАСЬЕВ Константин Владимирович

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЗОНЫ РЕЗАНИЯ

МЕТОДАМИ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ

ПРИ СВЕРЛЕНИИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ

Специальность:

05.02.07 – Технологии и оборудование

механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2012

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого» и на кафедре технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский университет дружбы народов»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент, Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого ШВЕЦОВ Игорь Васильевич

Научный консультант:

заслуженный изобретатель России, доктор технических наук, профессор, Российский университет дружбы народов РОГОВ Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ) КУЛИКОВ Михаил Юрьевич кандидат технических наук, доцент Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» КИРИЛЛОВ Андрей Кириллович

Ведущая организация: ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» г.Москва

Защита состоится «14» февраля 2012 года в 13.00 на заседании диссертационного совета Д212.203.16 при Российском университете дружбы народов по адресу: 113090, г. Москва, Подольское шоссе, д.8, кор. 5, каб.

С диссертацией можно ознакомиться в Учебно-научном библиотечном центре Университета по адресу: 117198, г.Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. Автореферат разослан «13» января 2012 года Учёный секретарь диссертационного совета В.В. Соловьёв

I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования В технологической системе инструмент является наиболее слабым звеном, а среди инструментов – сверло. Оно обладает малой жесткостью, в зону резания сложно подвести СОТС, стружка может многократно попадать на режущие кромки, её отвод затруднен.

Сверление является процессом с ограниченной стабильностью, особенно при глубоком сверлении, когда физико-механические характеристики материала могут изменяться в широких пределах. Кроме того, партии поступающих на предприятие сверл не одинаковы по своим режущим способностям даже при закупках у одного и того же поставщика. Бывают случаи, когда целая партия новых свёрл не обладает заявленными параметрами и не может быть запущена в производство. И, наоборот, свёрла «хорошей» партии стараются использовать по максимуму, многократно их перетачивая, и вновь запуская в процесс обработки. В этом случае должна применяться комплексная диагностика зоны резания вследствие внезапного отказа или преждевременного износа сверла. Целесообразно использовать устройства бесконтактного контроля, которые могут быть оперативно установлены и настроены на станке. В связи с этим, комплексное исследование влияния параметров технологической системы на параметры диагностирования при сверлении является актуальной задачей.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Целью работы является повышение эффективности сверления углеродсодержащих сплавов за счёт выбора рациональных (оптимальных) режимов резания с использованием методов регистрации виброакустического сигнала и концентрации образованного в зоне резания газа.

Методы исследования: работа выполнена на основе фундаментальных положений теории резания металлов, законов физики и химии с применением методов математической статистики, математического моделирования, вычислительных экспериментов на реальных и модельных данных, методов математической обработки экспериментальных данных при помощи программ Excel и Maple.

Научная новизна:

впервые разработаны математические модели, отражающие взаимосвязь концентрации газов, образующихся в зоне резания при сверлении углеродсодержащих сплавов, с параметрами технологического процесса;

предложен метод расчёта численных значений режимов резания при сверлении с учётом особенностей реального состояния режущего инструмента и обрабатываемых заготовок;

выявлена и оценена взаимосвязь между режущими характеристиками сверла, физико-механическими характеристиками заготовки, режимами резания и параметрами газообразования, виброакустического сигнала и шероховатости обрабатываемого отверстия;

разработан оригинальный способ бесконтактного определения температуры в зоне резания при механической обработке, посредством которого можно получить экспрессинформацию о состоянии процессов в зоне резания.

Практическая ценность:

разработаны алгоритм и программа управления режимами резания при глубоком сверлении углеродсодержащих сплавов на основе математического моделирования процессов газообразования;

предложены и оценены методы бесконтактного контроля зоны резания по виброакустическому сигналу и концентрации газа;

разработана методика контроля износа осевого режущего инструмента в процессе глубокого сверления на основе газового анализа.

Реализация результатов работы: результаты переданы в виде рекомендаций на предприятия ЗАО «Новгородский машиностроительный завод «Энергия» и ООО «ПИтехнология» Великий Новгород.

Апробация работы: основные научные результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: Дни науки Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого – 2008, 2009, 2010, Международная конференция «Молодые учёные – промышленности Северо-западного региона» г.Санкт-Петербург, 2009, Международная научно-практическая конференция «Новые технологии, автоматизация оборудования и оснастки машиностроительного производства», 2008, 2009, Великий Новгород.

Публикации: основные теоретические положения и результаты исследований опубликованы в 9 научных работах, в т.ч. в 4 журналах, рекомендованных ВАК, 2 статьях в сборниках научных трудов международных конференций, 1 тезисах докладов конференций международного уровня, 1 патенте на изобретение, 1 отчёте о выполнении государственного контракта.

Структура и объём работы: работа состоит из введения, 4 глав, списка литературы и приложений, содержит 164 страницы печатного текста, 19 таблиц, 47 рисунков, литературных источников.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обозначена актуальность диссертационной работы, предложена методическая и теоретическая основа решения поставленной проблемы, представлены положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе проведён обзор работ авторов, занимавшихся диагностированием состояния механообрабатываемых систем: Кудинова В.А., Подураева В.Н., Рогова В.А., Старкова В.К., Козочкина М.П., Гречишникова В.А., Верещаки А.С., Кокорева В.И., Швецова И.В. и др., сформулированы задачи исследования.

В главе отмечается, что при диагностировании зоны резания наиболее ценными являются параметры, отражающие напряжённо-деформированное состояние вещества:

вибрации и температура. Оба параметра по своей природе являются результатом взаимодействия атомов кристаллической решётки при трении, разрушении и пластическом деформировании. Такие параметры являются интегральными параметрами процесса механической обработки. От них зависит протекание физико-химических процессов при резании. Они же являются индикаторами состояния технологической системы (ТС).

В работе проведён сравнительный анализ современных методов бесконтактного контроля зоны резания: виброакустических, силовых, геометрических и тепловых. Анализ показал, что убедительного преимущества в использовании при сверлении глубоких отверстий углеродсодержащих сплавов не имеет ни один бесконтактный способ.

Также обнаружены противоречия между математическими моделями – зависимостями температуры от режимов резания при сверлении, полученными известными учёными второй половины XX века, и реальными температурами в зоне резания. Это обстоятельство не даёт возможности воспользоваться одной из существующих математических зависимостей для решения поставленных задач, а требует разработки новой.

Оценку диагностических параметров ТС наиболее эффективно осуществлять на основе метода газового анализа, который обладает существенными преимуществами перед другими методами бесконтактного контроля. Газовый анализатор, измеряя текущее значение концентрации контролируемых газов в зоне обработки, позволяет непрерывно получать информацию о состоянии процесса резания, в частности, о состоянии режущего инструмента, о наличии и местоположении аномальных участков поверхности обрабатываемого изделия, об изменении величины снимаемого слоя. Реализация данного метода возможна в широких диапазонах численных значений характеристик сверла, физикомеханических характеристикам заготовки и режимов резания.

Применение данного метода при сверлении глубоких отверстий в углеродсодержащих сплавах способствует повышению эффективности механической обработки, которая обеспечивается достижением следующих показателей:

повышение производительности сверления за счёт обоснованного применения оптимальных режимов резания;

сокращение основного технологического времени;

снижение экономических затрат за счёт уменьшения времени отладки ТС, вызванной поломкой РИ.

Под глубокими отверстиями понимаются отверстия, длина которых равна пяти и более диаметрам.

Методы бесконтактного контроля позволяют своевременно обнаружить износ сверла.

Это повышает надёжность технологической системы за счёт замены инструмента до момента наступления его отказа, поломки или катастрофического износа, что особенно важно в условиях ГПМ. Применение метода бесконтактного контроля позволяет назначать численные значения режимов резания в соответствии с реально установленными особенностями состояния инструмента и заготовки, а затем контролировать протекание процесса резания по диагностическому параметру – концентрации образованного газа.

Применение метода газового анализа при сверлении углеродсодержащих сплавов обусловлено такими факторами:

высокая излучательная способность углерода, находящегося в металле в виде твёрдого раствора, при его диффундировании из кристаллической решётки;

образование оксида углерода (IV) в зоне резания происходит по естественной реакции без использования специальных реагентов и катализаторов;

газоанализаторы, измеряющие концентрацию оксидов углерода, имеют широкое распространение в различных отраслях промышленности, имеют сравнительно низкую себестоимость и постоянное совершенствование функциональных схем.

Достоверность данных, полученных предшественниками, по использованию метода газового анализа для диагностирования состояния режущего инструмента, не подтверждена данными, полученными с помощью ранее известных и надёжных методов контроля зоны резания. Не изучены основные аспекты поведения диффузионных процессов при сверлении.

В промышленных условиях метод газового анализа необходимо внедрять после проверки достоверности и сходимости полученных результатов, что делается двумя путями. Первый связан с использованием статистических методов обработки экспериментальных данных, второй – с проверкой данных известным и широко распространённым в резании виброакустическим (ВА) методом. Измеряемый ВА сигнал эквивалентен по амплитуде и частоте параметрам процесса резания, которые характеризуют напряжённо-деформируемое состояние металла.

В связи с вышеизложенным, задачами работы являются:

1. Определить особенности протекания диффузионных процессов при сверлении.

2. Выполнить моделирование диффузионных процессов в зоне резания и получить математическую модель зависимости концентрации газа, образованного в зоне резания, от параметров процесса резания и физико-механических свойств обрабатываемого материала и сверла.

3. Выполнить экспериментальные исследования для оценки изменений концентрации газа, параметров виброакустического сигнала и шероховатости отверстия при сверлении в зависимости от параметров процесса резания.

4. Представить технологические рекомендации по выбору оптимальных режимов резания при сверлении и разработать алгоритм управления режимами резания при глубоком сверлении углеродсодержащих сплавов.

5. Подтвердить достоверность данных, полученных на основе метода газового анализа, путём сравнения их с данными, полученными методом виброакутической диагностики.

6. Разработать методику определения температуры резания при сверлении бесконтактным способом с помощью метода газового анализа.

Вторая глава посвящена исследованию диффузионных процессов при сверлении, изучению влияния параметров процесса резания на концентрацию атомов, диффундирующих из металла при различных режимах резания, а также разработке математической модели, позволяющей рассчитать искомую концентрацию.

Сверление сопровождается пластическим деформированием и разрушением кристаллической решетки металлического сплава. Сообщаемая технологической системе механическая энергия частично перераспределяется в тепловую энергию, что вызывает рост температуры резания. Разрыв атомно-молекулярных связей в кристаллической решётке, а также рост подвижности атомов приводят к уменьшению пластичности и прочности металла, а также к выходу атомов на границу срезаемого слоя после прохода сверла. Под действием температуры, равной 0,4 от температуры плавления, атомы металла начинают диффундировать с поверхности, образуя газообразные соединения [4].

Выполним расчёт количества диффундируемых частиц с поверхности обрабатываемого металла. Коэффициент диффузии D определяется по формуле где D0 – предэкспоненциальный или частотный множитель, ; Q – тепловая энергия (энергия активации), ; T – температура резания, К.

В формуле (1) значения Q и D0 являются табличными константами и связаны с физико-химическими свойствами заготовки и диффундирующих атомов. Коэффициент диффузии зависит от количества металла, перенесённого в процессе диффузии, и от времени контактирования сверла и заготовки (времени диффузии), которые определяются скоростью резания, осевой подачей, глубиной резания и твёрдостью заготовки.

В данных исследованиях используется одна из диффузионных задач, при которой по заранее известному коэффициенту диффузии, энергии активации и температуре рассчитывается количество диффундирующих атомов на границе сплава и газовоздушной среды.

При обработке сверлением сплавов с высокой теплопроводностью (углеродистые стали) теплоотвод в стружку составляет 80-90%. В связи с этим, стружка является основным носителем информации при использовании метода газового анализа [5].

Для расчёта количества диффундирующих атомов с поверхности металла разработана математическая модель. Концентрация диффундирующих в атмосферу атомов металла N(z,) рассчитывается из уравнения баланса вещества (второй закон Фика):

где – градиент концентрации; – время диффузии, с; z – ширина диффундирующего слоя, мм.

Решение уравнения (2) применительно к диффузии при сверлении имеет вид:

где N0 – начальная концентрация атомов в металле, м ; erfc – дополнительная функция ошибок Гаусса.

В качестве ширины диффундирующего слоя z принимается толщина среза стружки (рис.1) где S – осевая подача, мм/об.; – главный угол в плане, град.

Время диффузии соответствует периоду действия внешних сил, определяемому шириной срезаемого слоя по формуле где b – ширина стружки, мм; c – скорость скольжения стружки, мм/мин; – скорость резания, мм/мин; t – глубина резания, мм; k – коэффициент продольной усадки стружки.

Температура резания находится из преобразованной формулы П.А. Юдковского:

где – коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала, ; К(,,s) – безразмерная функция, зависящая от произведения v*s, – безразмерный коэффициент, равный отношению расстояния от оси сверла до рассматриваемой точки на режущей кромке сверла к диаметру сверла, М – крутящий момент при сверлении, ; n – число оборотов в минуту.

Выполнив преобразования выражения (3) с учетом формул (4) – (6), получим математическую модель для расчета концентрации диффундирующих атомов металла [3] Полученное математическое выражение (7) позволяет определить величину концентрации диффундирующих частиц для заданных технологических параметров, физикомеханических свойств материала и геометрических характеристик сверла.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям по оценке изменений концентрации газа, параметров виброакустического сигнала и шероховатости отверстия при сверлении в зависимости от скорости резания, осевой подачи и глубины резания. Для исследования процессов газообразования была собрана экспериментальная установка, изображённая на рис.2 [1]. На универсальном вертикально-сверлильном станке 1 модели 2М112 с самоустанавающейся подачей заготовка 2 закреплена в тисках 3. Втулка изолирует зону резания. Зонд 6 газоанализатора 7 модели АВГ.4.2.01 помещается в радиальное отверстие втулки и располагается на расстоянии 2-4 мм. от образующей сверла и обрабатываемого отверстия. Наличие самоустанавливающейся подачи за счёт прилагаемых грузов позволяет назначать осевую подачу в широком диапазоне численных значений Sо.=0,020,58 мм/об. с интервалом варьирования 0,02 мм/об. Диапазон регулирования числа оборотов шпинделя n=4502500 об/мин., d в.=510 мм., глубина сверления L/d=37.

Концентрация образованного газа фиксировалась оптико-абсорбционным газоанализатором АВГ.4.2.01 в объёмных процентах. Погрешность прибора при измерениях составляет 4-6%. Перед каждой серией обработки динамометром измерялась осевая сила в кгс.

В качестве объекта исследования были взяты бруски из стали 20А, 35, 45, 55. В исследованиях использовались спиральные свёрла Р6М5 и ВК8. Режимы резания для сверления назначались по общемашиностроительным нормативам времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с числовым программным управлением.

Для исследования влияния технологических параметров на концентрацию образованного газа в зоне резания разработан следующий алгоритм [6].

Рис. 1. Общая схема зоны резания: а – толщина стружки, b – ширина стружки, c=d=3 мм. – расстояние от зонда газоанализатора до образующей сверла и плоскости 1. На одной из скоростей резания V (при фиксированных и t) исследуют влияние осевой подачи на концентрацию образованного газа. Диапазон подач составляет [0,8*Sнор....1,3*Sнор.] с шагом 0,1*Sнор., где Sнор. – значение подачи из машиностроительных нормативов.

2. Подсчитывают значения концентрации образованного газа при работе на различных подачах, строят график зависимости N(z,)=f(S).

3. Строят график зависимости температуры резания от подачи T=f(S), отмечают границу допустимой температуры.

4. Из графика T=f(S) определяют значение максимально допустимой подачи для данной скорости резания.

5. Контролируют стойкость сверла по основному технологическому времени до истечения заявленного периода стойкости сверла (время непрерывной работы инструмента до появления характерного скрипа).

6. Значение концентрации, соответствующее максимально допустимой подаче, принимают за пороговое.

7. Определяют влияние других параметров в различных сочетаниях на концентрацию газов в зоне резания.

N(z,), %об.

Рис. 3. Влияние скорости резания на концентрацию оксида Рис. 4. Влияние осевой подачи на концентрацию оксида углерода (IV), образующегося в зоне резания. Условия углерода (IV) при сверлении. Условия обработки: сверло – По результатам исследований на рис. 3 – 8 построены графические зависимости. Из рис. 3 видно, что с увеличением скорости резания (при постоянных подаче и глубине резания) наблюдается увеличение концентрации образованного газа. Это связано с увеличением скорости деформации и прочностных характеристик материала (происходит «закаливание» металла).

Повышение подачи (рис.4) увеличивает интенсивность диффузии атомов к поверхности металла и, следовательно, концентрацию образованных в зоне резания газов.

Это связано с ростом ширины среза вдоль оси сверла, а также возросшей нагрузкой на режущую кромку [8].

Увеличение процентного содержания углерода в заготовке (рис. 5) приводит к росту начальной концентрации атомов углерода N0, находящихся в кристаллической решётке и, как следствие, к большему количеству диффундирующих атомов углерода N(z,) при резании. Метод газового анализа пригоден для распознавания материалов. При сверлении двух одинаковых с виду заготовок по значению концентрации образованного газа можно отличить сталь от чугуна, а также различить конструкционные стали между собой.

Рис. 5. Влияние процентного содержания углерода в Рис. 6. График зависимости концентрации образованного заготовке на концентрацию образованного газа. Условия газа от твёрдости обрабатываемой заготовки и обработки: сверло – ВК8, t=4 мм., L/d=5, V=22,6 м/мин., инструментального материала сверла. Условия обработки:

Исследовано влияние твердости обрабатываемой заготовки (рис.6) на концентрацию газа. Меньшие прочностные характеристики сверла Р6М5 по сравнению с ВК8 приводят к повышенным нагрузкам на поперечную режущую кромку при врезании, увеличению тепловыделения в зоне резания и росту температуры резания. Из графика на рис. 6 видно, что в целом для сверла ВК8 концентрация газа ниже на 10-15%, чем для Р6М5.

0, Рис. 7. График зависимости концентрации образованного Рис. 8. Влияние глубины сверления (L/D) отверстий на газа от числа обработанных отверстий глубиной сверления концентрацию оксида углерода (IV). Условия обработки:

Из рис. 7 видно, что увеличение числа обработанных отверстий одним инструментом в зоне нормального износа приводит к незначительному росту концентрации образованного в зоне обработки оксида углерода. Скол режущей кромки характеризуется снижением концентрации вследствие уменьшения количества съёма металла (верхняя и нижняя кривая).

Катастрофический износ сверла (средняя кривая) приводит к росту концентрации, так как увеличивается средняя температура стружки.

С ростом глубины обрабатываемого отверстия L/D (рис. 8) концентрация газов незначительно возрастает, что определяется периодом действия сил пластического деформирования при формировании стружки. Кроме того, при увеличении глубины сверления увеличивается теплоотвод в срезаемую стружку.

В исследованиях проведен полнофакторный эксперимент (ПФЭ) типа 2 3, определено влияние скорости резания, подачи и глубины резания на концентрацию образующихся в зоне резания газов. Эксперименты проводились на деталях одинаковых типоразмеров. Время обработки деталей сверлом Р6М5 составляло 25 минут, глубина отверстий L/D=5.

Графическая интерпретация зависимостей для концентрации СО2 приведена на рис.9. Здесь же пунктиром показаны зависимости, полученные путем расчета по теоретической модели (8).

На основании расчета коэффициентов и статистического анализа данных получена следующая модель 0, 0, 0, 0, 0, Рис. 9 Аналитические и экспериментальные зависимости концентрации образованного газа:

В той же главе выполнены исследования влияния режимов резания на характеристики ВА сигнала. Схема оборудования, используемого в экспериментах, представлена на рис. 10.

Рис. 10. Схема для исследования ВА сигнала с установкой датчиков на вертикально-сверлильном станке модели ФС 250 02:

1 – датчик ДН-4-М1, 2 – измеритель шума и вибрации ВШВ-003-М3, 3 – аналого-цифровой преобразователь АЦП/ЦАП Заготовку обрабатывали на станке ФС 250 02. Материал сверла Р6М5 и ВК8, диаметр сверла – 6 и 10 мм., материал заготовки – сталь 45. Сбор и обработку информации из зоны резания осуществляли на персональном компьютере (ПК).

Для анализа и сравнения полученных результатов рассчитывали характеристики амплитудного распределения ВА сигнала: эксцесс Э и среднеквадратичное отклонение, которые вычисляются по формулам где N – количество значений амплитуды ВА сигнала, используемых в расчёте; хi – текущее значение ВА сигнала; x – математическое ожидание амплитуды ВА сигнала;

Направление кривых на графиках влияния режимов резания на ВА сигнал (рис. 11) совпадает с направлением кривых влияния режимов резания на концентрацию образованных газов (рис. 3). В диапазоне скоростей V=1135 м/мин графики монотонно возрастают, не имеют максимумов (т.е. первая производная в рассматриваемом диапазоне скоростей резания равна нулю), на отдельных скоростях (в частности, V=3540 м/мин) имеются точки перегиба. Расхождение в данных, полученных методом газового анализа и методом ВА диагностики, составляет не более 12%.

Анализ данных показал, что скорость резания V=40 м/мин, на которой проводилась механическая обработка в экспериментах, является не пригодной для работы станка, так как вызывает увеличение амплитуды ВА сигнала в октавных полосах 1 и 2 кГц. Такое «выпадение» из диапазона скоростей резания объясняется тем, что, помимо влияния процессов, происходящих в зоне резания, на ВА сигнал влияют помехи вне зоны резания.

Это могут быть характерные стуки, скрежеты в кинематических цепях, биения шпинделя и другие негативные явления. В данном случае наблюдался существенный дисбаланс подшипников шпиндельного узла.

виброускорение, м/с На рис. 12 представлена диаграмма сравнения среднеквадратичных отклонений в различных частотных диапазонах для исследуемых свёрл при врезании в обрабатываемую заготовку. Из диаграммы видно, что амплитуда ВА колебаний для сверла Р6М5 на 10-20% выше, чем для сверла из ВК8. Это объясняется более высокими прочностными характеристиками у ВК8, следовательно, процесс врезания в заготовку происходит с большей осевой силой и давлением на поперечную режущую кромку сверла.

После обработки отверстий производили замеры качества обработанной поверхности.

Измерения проводили на специализированном приборе для измерения параметров шероховатости «SURFCORDER SE1200». Результаты измерения представлены на рис. 13-15.

Уровни факторов: скорости резания V=2777 м/мин., осевая подача S=0,120,3 мм/об., глубина резания t=35 мм. Полученная в результате планирования эксперимента математическая модель имеет вид Рис. 13. Поверхность отклика зависимости шероховатости Рис. 14. Поверхность отклика зависимости шероховатости В четвёртой главе проведён анализ теоретических и экспериментальных исследований, изложены рекомендации по практическому применению результатов исследований в соответствии с установленными особенностями и закономерностями изменения концентрации газа, ВА сигнала и шероховатости при обработке глубоких отверстий.

Метод газового анализа востребован в технологической подготовке производства для входного контроля поступивших заготовок. Разброс численных значений твёрдости обрабатываемых заготовок и неравномерный по поверхности химический состав приводят не только к выходу сверла из строя при резании, но и к разрушению обработанной детали при её эксплуатации.

При обработке отверстий в пробных заготовках по концентрации газа судят о распределении углерода вдоль обрабатываемого отверстия. Твёрдость заготовки можно оценить путём врезания и обработки на небольшую глубину, равную 1-2 диаметрам отверстия.

Полученный набор статистических данных о концентрации газа позволяет рассчитать максимальную твёрдость заготовок и в дальнейшем скорректировать режимы резания с учётом численных значений твёрдости. Сведения о неоднородности распределения углерода в стали используются для расчёта ограничений по температуре резания.

Метод газового анализа применим для назначения режимов резания вновь создаваемых углеродсодержащих сплавов или корректировки режимов резания для обработки заготовок, поступивших с аномалиями (нестабильностью) физико-механических свойств.

Назначение режимов резания проводится с помощью оптимизации. При оптимизации учитывались следующие ограничения: 1 – по минимальному числу оборотов шпинделя сверлильного станка; 2 – по максимальному числу оборотов шпинделя сверлильного станка;

3 – по минимальному значению осевой подачи, обеспечиваемой механизмом подачи станка;

4 – по максимальному значению осевой подачи; 5 – по мощности привода главного движения станка; 6 – по стойкости режущего инструмента; 7 – по допускаемой температуре резания; 8 – по допускаемой величине виброакустического сигнала; 9 – по шероховатости.

Ограничения 1 – 5 определяются кинематикой и технологическими возможностями станка, ограничения 6 и 8 назначаются исходя из входного контроля обрабатываемого и инструментального материалов методом газового анализа, ограничения 7 и 9 определяются справочными данными.

Критерием оптимизации в данной работе является максимальная производительность сверления, определяемая выражением:

где T – стойкость инструмента, мин.; – время смены инструмента, мин.

Выполняя оптимизацию режимов резания, были получены значения скорости резания и осевой подачи, которые отражены в таблице 2. Данные значения являются максимально допустимыми для заданного диаметра и марки сверла. Они подставляются в математическую модель (8) для расчёта концентрации образованного газа.

Оптимальные режимы резания и значения концентрации образованного газа.

Рис. 16. Сравнительная характеристика машиностроительных нормативов и оптимальных (форсированных) режимов резания: а – по производительности механической обработки, б – по На рис. 16 представлены сравнительные характеристики машиностроительных нормативов и оптимальных режимов резания. Производительность сверления (формула 13) для пяти оптимальных режимов сверлом Р6М5 выше на 14% нормативных значений, а для ВК8 – на 30%. Основное технологическое время (рис. 16, б) для пяти оптимальных режимов сверлом Р6М5 ниже на 13%, чем при обработке на нормативных режимах, а для ВК8 – на 35% ниже нормативных.

Метод газового анализа целесообразно использовать в качестве «мобильного комплекса» при диагностировании сверл низкого качества, поставки которых нередко бывают на производстве. В то время, пока ждут поставку нового инструментального материала надлежащего качества, существующими свёрлами можно проводить обработку при наличии устройства диагностирования на основе метода газового анализа. На ЗАО «Новгородский машиностроительный завод «Энергия» проведены испытания с использованием газоаналитического оборудования и свёрл ненадлежащего качества (неравномерная заточка режущих кромок, период стойкости не соответствовал заявленному заводом-изготовителем). Контроль проводился по предельно-допустимому значению концентрации, рассчитанному по математической модели (8).

Статистические данные о количестве отказов осевого режущего инструмента.

Условия обработки: станок 2Р135Ф2-1, сверло Р6М5, d в.=10 мм., L/D=5, количество V=25,1 м/мин, S=0,22 мм/об. 9, в том числе: 2 – скол, V=25,1 м/мин, S=0,22 мм/об. 11, в том числе: 4 – скол, Сокращение времени простоев, вызванного отказами свёрл, увеличивает фонд оперативного времени обработки, тем самым повышая экономическую эффективность производства. Если представить, что устройство диагностирования на основе метода газового анализа работает постоянно, при его наличии экономия оперативного времени для станка 2Р135Ф2-1 составляет 52 часа, т.е. около 1,5%. Особенно это важно при обработке дорогостоящих крупногабаритных деталей в нескольких рабочих позициях, когда из-за поломки одного РИ приходится останавливать весь станок. В случае присутствия остатков сверла его необходимо выжигать, чтобы не отправлять дорогостоящую крупногабаритную деталь в брак. В отсутствие оператора на станке сделать вывод о поломке призвана предложенное устройство диагностирования, которая в случае прекращения процесса резания показывала бы нулевые результаты замеров уровня газообразования.

Стоимость устройства диагностирования на основе метода газового анализа, включающей газоаналитическое оборудование и программное обеспечение, составляет от 100 до 200 тыс.руб. в зависимости от точности приборов, количества распознаваемых газов и количества устанавливаемых датчиков (зондов). Экономический эффект от внедрения устройства диагностирования на одном станке с ЧПУ составляет до 300 тыс.руб. при годовой программе выпуска N=7000 шт.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В работе решена научно-техническая задача, имеющая большое значение для промышленности и заключающаяся в повышении эффективности безаварийного сверления углеродсодержащих сплавов на основе применения методов бесконтактного контроля, основанных на регистрации виброакустического сигнала и концентрации образованного в зоне резания газа.

В процессе теоретического и экспериментального исследований получены следующие результаты и выводы:

1. Использование метода газового анализа увеличило продолжительность безаварийного сверления за счёт подбора рациональных (оптимальных) режимов резания, основанного на входном контроле состояния сверла и обрабатываемой заготовки. Снизилось время наладки станка на 1,5% от годового фонда времени работы станка. Максимально возможные рациональные режимы резания превосходят нормативные значения по производительности сверления для сверл из быстрорежущей стали – на 14%, для твердосплавных свёрл – на 30%. Произошло снижение основного технологического времени на 12% при обработке сталей сверлами Р6М5 и на 35% при обработке сверлами ВК8.

2. Опытным путём установлено однозначное влияние на концентрацию образованных газов в зоне резания таких параметров технологического процесса, как режимы резания, характеристики инструментального и обрабатываемого материала. Во всех графических и аналитических зависимостях наблюдалось повышение численного значения концентрации образованного газа с увеличением варьируемого параметра. Также параметр «концентрация образованного газа» инвариантен к вибрациям в кинематических цепях станка.

3. Впервые получены математические модели концентрации образованного газа от режимов резания при сверлении. Данные модели используются в широком диапазоне применяемых численных значений режимов резания: скорость резания V=747 м/мин., осевая подача S=0,060,36 мм/об., глубина резания t=2,55 мм. Расхождение экспериментальных и расчётных значений по математическим моделям не превышает 8%, что подтверждает адекватность полученных математических моделей.

4. Установлены закономерности поведения газообразования в зоне резания при отказах сверла: при сколе и поломке концентрация уменьшается, при износе увеличивается.

Изученное в широком диапазоне численных значений режимов резания поведение диагностического параметра даёт возможность проводить обработку свёрлами ненадлежащего качества, в работе которых могут возникать частые отказы. Наличие системы диагностирования на основе метода газового анализа позволяет обнаружить отказ инструмента в 91% всех случаев. Экономический эффект от внедрения метода бесконтактного контроля на вертикально-сверлильном станке с ЧПУ составляет до тыс.руб. при годовой программе выпуска N=7000 шт.

5. Представлены технологические рекомендации по выбору рациональных (оптимальных) режимов сверления, позволяющие максимально использовать ресурс стойкости сверла в режиме безотказной работы.

6. Используемый в работе метод виброакустической диагностики позволил выявить собственные частоты основных элементов станка, существенно влияющих на устойчивость процесса обработки. Это позволяет исключить режимы сверления, соответствующие собственным частотам элементов станка, из списка рекомендуемых, а также обеспечить стабильность процесса обработки.

Опытно-промышленными испытаниями, проведёнными в производственных условиях на ЗАО «Новгородский машиностроительный завод «Энергия» и ООО «ПИ-технология», подтверждена высокая эффективность разработанных рекомендаций по выбору форсированных (оптимальных) режимов резания при обработке стали 45.

Основные положения диссертации отражены в следующих печатных работах:

1. Афанасьев К.В. Использование метода газового анализа для активного контроля зоны резания при сверлении стали 45 на форсированных режимах // Журнал «Контроль.

Диагностика». – №4, 2011. – с. 49 – 51.

2. Афанасьев К.В., Рогов В.А. Использование метода газового анализа для контроля температуры при сверлении // Журнал «Вестник РУДН». – №4, 2011. – с. 35 – 40.

3. Афанасьев К.В., Рогов В.А. Метод диагностирования состояния осевого режущего инструмента на основе информации о концентрации образованных газов в зоне резания // Журнал «Станки и инструмент». – №9, 2011. – с. 16 – 20.

4. Афанасьев К.В., Сокол В.В. Оценка тепловой энергии при решении задач теплофизики резания // Вестник ОрёлГТУ. Серия фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. Сборник IX Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения – Технология – 2008», Орёл, 2008. – с. 54 – 57.

5. Патент на изобретение №2398659 Российская Федерация, МПК 7 B23B 25/06 3/58.

Способ бесконтактного определения температуры в зоне резания при механической обработке / Афанасьев К.В., Швецов И.В. Щеголев В.А.; заявитель и патентообладатель Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого. – № 2009104639/02;

заявл. 11.02.2009; опубл. 10.09.2010, Бюл.№25 – 6 с.

6. Теоретические и экспериментальные исследования по созданию механотронного устройства контроля процесса механической обработки, позволяющего использовать максимально допустимые режимы резания. Научно-технический отчет о выполнении Государственного контракта № П2125 от 5 ноября 2009 года в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009- годы. В 2-х томах. Руководитель проекта: Афанасьев К.В. Номер и дата регистрации проекта во ВНТИЦ: № 13244.5321033744.10.1.004.7 от 27.01.10.

7. Афанасьев К.В., Ефимов Н.А. Математическое моделирование процессов диффузии // Сборник Международной научно-практической конференции «Новые технологии, автоматизация оборудования и оснастки машиностроительного производства», 26-30 мая 2008, Великий Новгород. – с. 77 – 81.

8. Афанасьев К.В. Применение газового анализа к исследованию процессов механической обработки // Молодые ученые – промышленности северо-западного региона.

Материалы конференций Политехнического симпозиума. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 22 мая 2009 года.

9. Афанасьев К.В., Щёголев В.А. Исследование возможности форсирования режимов резания конструкционных сталей при сверлении // Сборник Международной научнопрактической конференции «Новые технологии, автоматизация оборудования и оснастки машиностроительного производства», 26-30 мая 2009, Великий Новгород. – с. 82 – 85.

АФАНАСЬЕВ КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ (РОССИЯ)

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЗОНЫ РЕЗАНИЯ МЕТОДАМИ БЕСКОНТАКТНОГО

КОНТРОЛЯ ПРИ СВЕРЛЕНИИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ

Диссертация посвящена повышению эффективности сверления углеродсодержащих сплавов за счёт выбора рациональных (оптимальных) режимов резания с использованием методов регистрации виброакустического сигнала и концентрации образованного в зоне резания газа. В работе выявлена и оценена взаимосвязь между режущими характеристиками сверла, физико-механическими характеристиками заготовки, режимами резания и параметрами газообразования, виброакустического сигнала и шероховатости обрабатываемого отверстия. Разработаны алгоритм и программа управления режимами резания при глубоком сверлении углеродсодержащих сплавов на основе математического моделирования процессов газообразования. Создан оригинальный способ бесконтактного определения температуры в зоне резания при механической обработке, посредством которого можно получить экспресс-информацию из рабочей зоны.

AFANASYEV KONSTANTIN VLADIMIROVICH (RUSSIA)

DIAGNOSTICS OF CUTTING ZONE BY METHODS OF CONTACTLESS CONTROL AT

DRILLING CARBON-CONTAINING ALLOYS

The thesis is dedicated to increasing the efficiency of drilling carbon alloys by choosing a rational (optimal) of the cutting with using methods of non-contact monitoring of the working area, based on the detection vibro signal and the concentration of in the cutting zone of the gas. We identified and assessed the relationship between the cutting characteristics of the drill, physical and mechanical properties of the workpiece, cutting conditions and parameters of gas-forming, vibroacoustic signal and the roughness of the machined hole. The algorithm and program management regimes for deep drilling cutting carbon alloys on the basis of mathematical modeling of gasification. Created an original method of contactless determination of the temperature in the cutting zone during machining, through which you can express information from the cutting zone.