/>МІНІСТЕРСТВООСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національний університет «Львівськаполітехніка»
Кафедра «Технології машинобудування»
Реферат
”Дослідженнянадійності твердосплавних пластин для токаних різців з надтвердих матеріалів”
Дисципліна: теорія різання
Львів – 2008р.
Зміст
Вступ
1. Літературний огляд. Аналіз методів діагностики різальнихінструментів
2. Запуск установки для визначення та контролю РІ
3. Результатиексперименту
4. Аналіз отриманих результатів
5. Розрахункизначень напружень та ймовірності руйнування різця за результатами вимірів силрізання
Висновки
Література
Вступ
Значну частину технологічних операцій в авіаційній таавтомобільній промисловостях займають процеси токарної обробки алюмінієвихсплавів. Серед таких сплавів виділяються силуміни (сплави алюмінію й кремнію), якізнайшли широке застосування завдяки високим механічним властивостям при малійвазі. Однак наявність твердих часток кремнію (1100 HV) в силумінах викликає підвищенезношування ріжучого інструменту (РІ). Тому для обробки силумінів доцільновикористовувати інструментальні матеріали з високою зносостійкістю, до якихвідносяться алмазні композиційні надтверді матеріали (НТМ), зокремаалмазно-твердосплавні пластини (АТП). Але застосування цих матеріалів начистових і напівчистових операціях точіння в умовах сучасного автоматизованоговиробництва стримується підвищеними вимогами до надійності РІ. Надійність (заГОСТ-ом 27.002-83) – це властивість об’єкту зберігати працездатний стан донастання граничного стану при встановленій системі технічного обслуговування йремонту. Для РІ працездатним станом є такий, при якому в процесі різаннязабезпечуються необхідні параметри в граничних межах, а саме шорсткістьобробленої поверхні та геометричний розмір деталі, який залежить від поточногозносу РІ. Крім цього, важливою властивістю РІ є безвідмовність, яка характеризуєтьсяймовірністю його руйнування.
Поряд з високою зносостійкістю алмазні композиційні НТМвирізняються крихкістю, малою (порівняно з іншими інструментальнимиматеріалами) міцністю на згин, високою вартістю і некерованістю забезпеченняповторюваності властивостей від партії до партії. Тому особливо актуальним вумовах сучасного виробництва є питання визначення й контролю надійності РІ,оскільки несвоєчасне виявлення відмови різця може мати негативні наслідки – відпояви браку до поломки верстату. Це особливо важливо в умовах серійного тамасового автоматизованого виробництва, коли при відмові РІ в брак йде не лише поточнадеталь, а й інші з партії до моменту втручання людини. Автоматичний контрольстану різців з алмазних композиційних НТМ дозволить знизити собівартістьвиробів за рахунок максимального використання ресурсу РІ, зменшення часупростою устаткування й кількості браку.
Традиційне використання для контролю стану різця в процесі точіннясилових, температурних, а також електричних характеристик у ряді випадківнеможливо або недостатньо ефективно. Перспективним методом моніторингу стану РІв процесі точіння є метод акустичної емісії (АЕ). Принцип дії відповіднихсистем моніторингу полягає в реєстрації високочастотних пружних хвиль напружень– АЕ із зони різання з наступним статистичним аналізом параметрів цих сигналів.
Разом з тим, залишаються труднощі в ідентифікації параметрівсигналу АЕ через величезну кількість інформації, що міститься у ньому. Найчастішедля аналізу сигналів АЕ використовували амплітудно-часові й амплітудно-частотніхарактеристики. Але створені методики аналізу мають обмеження: математичнімоделі й знайдені залежності справедливі лише для певних умов обробки(конкретних верстатів, режимів різання, геометрії інструменту та маркиоброблюваного матеріалу).
Таким чином, визначення надійності різців з композиційних НТМ приточінні на прикладі обробки силумінів алмазно-твердосплавними пластинами звикористанням методу АЕ, реалізоване в системі моніторингу РІ є перспективним йактуальним завданням.
Метою роботи є розробка системи визначення надійності різців з алмазнихкомпозиційних НТМ при точінні шляхом реєстрації та аналізу сигналів акустичноїемісії, які пов’язані із зносом РІ й шорсткістю обробленої поверхні, а також задопомогою оцінки ймовірності руйнування РІ на прикладі обробки силумініврізцями, оснащеними АТП.
Для досягнення визначеної мети необхідно було вирішити такі завдання:
— проаналізувати існуючі методи діагностики РІ й аналізу сигналівАЕ;
— встановити особливості застосування різців з алмазнихкомпозиційних НТМ у процесах точіння алюмінієвих сплавів;
— науково обґрунтувати методику визначення надійності РІ шляхомоцінки зносу різця й шорсткості обробленої поверхні по сигналах АЕ із зонирізання;
— створити систему моніторингу стану РІ для оцінки зносу різця йшорсткості обробленої поверхні;
— розробити методику оцінки й визначити ймовірність руйнуваннярізців, які оснащені круглими алмазно-твердосплавними пластинами.
Об'єкт досліджень – процес чистового та напівчистового точіння силумінів різцями,які оснащені АТП.
Предмет досліджень – надійність інструментів з алмазних композиційних НТМ наприкладі АТП, реєстрація та аналіз сигналів АЕ.
Методи дослідження – динамометричний вимір сил різання, профілометричний аналізшорсткості обробленої поверхні, реєстрація сигналів акустичної емісії,спектральний аналіз цифрових сигналів, штучні нейронні мережі, растроваелектронна та оптична мікроскопія, енергодисперсний рентгеноспектральнийаналіз, статистична обробка експериментальних даних.
1. Літературний огляд. Аналіз методівдіагностики різальних інструментів
Проаналізовано методи діагностики різальних інструментів. Детальновисвітлено метод АЕ, як найбільш перспективний метод діагностики, розглянутоспособи аналізу сигналів АЕ.
В сучасних авіаційнійта автомобільній промисловостях широке використання знайшли алюмінієві сплави.Серед таких сплавів виділяються силуміни (сплави алюмінію й кремнію), які маютьвисокі механічні властивості при малій вазі. Однак наявність твердих частоккремнію (1100 HV) в силумінах викликає підвищений знос ріжучого інструменту(РІ). Тому для обробки силумінів доцільно використовувати інструментальніматеріали з високою зносостійкістю, до яких відносяться алмазні композиційнінадтверді матеріали, зокрема алмазно-твердосплавні пластини. В умовахавтоматизації технологічних операцій обробки та впровадження безлюднихтехнологій застосування цих матеріалів на чистових і напівчистових операціяхточіння стримується підвищеними вимогами до надійності РІ. Поряд з високоюзносостійкістю цих інструментальних матеріалів вони вирізняються крихкістю,малою міцністю на згин, високою вартістю і некерованістю забезпеченняповторюваності властивостей цих матеріалів від партії до партії. Тому,необхідним постає завдання забезпечити надійність різців, які оснащені АТП.
Надійність (за ГОСТ-ом 27.002-83) – це властивість об’єктузберігати працездатний стан до настання граничного стану при встановленійсистемі технічного обслуговування й ремонту. Для РІ працездатним станом є такийстан при якому в процесі різання забезпечуються необхідні параметри в граничнихмежах, а саме шорсткість обробленої поверхні та геометричний розмір деталі,який залежить від поточного зносу РІ. Крім цього, важливою властивістю РІ єбезвідмовність, яка характеризується ймовірністю його руйнування. Значенняостаннього показника може бути вирішальним при виборі ріжучих пластин, при пропозиціїрізних постачальників. Розрахунок ймовірністі руйнування потребує визначеннянапружень в АТП підчас точіння.
Аналіз методів діагностики різальних інструментів показав, щоперспективним є метод акустичної емісії. Традиційне використання для контролюсилових, температурних, а також електричних характеристик у ряді випадків неможливоабо недостатньо ефективно. Метод АЕ має високі чутливість і швидкодію, а такожзначно менше обмежень, зв'язаних зі структурою, фізико-механічнимивластивостями матеріалів і зовнішнім середовищем в порівнянні з іншими методамиконтролю.
АЕ, тобто випромінюванняматеріалом пружних хвиль напружень, викликаних локальною динамічною перебудовоюйого структури, містить у собі інформацію про фізичні процеси, які відбуваютьсяпри терті, деформуванні та руйнуванні матеріалу. Джерелами сигналів АЕ приточінні є три зони: зона зсуву містить інформацію про пластичну й (у меншомуступені) пружну деформацію зсуву та руйнування в поверхні зсуву, а дві іншізони – поверхня розділу різець-стружка та поверхня розділу різець-оброблюванадеталь несуть інформацію про контактну взаємодію, знос різця та шорсткістьобробленої поверхні. Разом з тим, існують складності у вимірюванні й обробціданих АЕ. Традиційні методи аналізу сигналів АЕ при різанні, розроблені вченимирізних країн (Д. Дорнфельдом, М. Морівакі, К. Ивата, Д. Дімлою, Г. Понтуале,Х.В. Равиндра, В.Н. Подураевим, А.А. Борзовим, О.В. Кибальченком та ін.), маютьобмеження: математичні моделі та знайдені залежності справедливі лише дляпевних умов обробки (конкретних верстататів, режимів різання, геометрії РІ ймарки оброблюваного матеріалу).
Таким чином, основнезавдання наукового дослідження полягає у створенні науково-обґрунтованоїметодики та оцінки зносу різця по задній поверхні й шорсткості обробленоїповерхні по даним АЕ, а також ймовірності руйнування РІ, та практичнареалізація цієї методики в системі моніторингу РІ..
2. Запуск установки длявизначення та контролю РІ
У теперішній час для обробки кольорових сплавів і силумінівнайбільше використовуються двошарові композиційні НТМ. Їх одержують шляхомспікання алмазів при високих температурах і тисках на підкладці із твердихсплавів. Представником даного класу інструментальних матеріалів єалмазно-твердосплавні пластини. В роботі для різця використовували АТПдіаметром 7,5 мм, товщиною 3,18 мм та з кутами α = 11° й γ= 0°.
Проведений аналіз впливу місця розміщення датчика АЕ на сигнал АЕпоказав, що максимальний рівень сигналу та найменше спотворення його спектрузабезпечуються при контакті датчика АЕ безпосередньо з ріжучою пластиною упорівнянні із традиційним розміщенням датчика під державкою. В результаті булазапропонована нова конструкція різця з вбудованим в прихват широкосмуговим датчикомАЕ. На відміну від аналогічних датчиків, введення карбіду вольфраму, як наповнювачадо складу матеріалу демпфера дозволило одержати матеріал із високимидемпфуючими властивостями. Частинки карбіду вольфраму розміром 1-10 мкм, якіхаотично розміщаються в композиційному матеріалі, добре поглинали акустичніхвилі в робочій смузі частот, за рахунок чого відбувалося вирівнюванняамплітудно-частотної характеристики (АЧХ) датчика АЕ на 20% у діапазоні робочихчастот приймально-підсилювального тракту (від 100 кГц до 2 МГц) у порівнянні ізтрадиційними датчиками. На конструкції розробленого різця та датчика отриманопатенти України.
У якості оброблюваних виробів використовували силумінові поршні зрізним вмістом кремнію. Процентний склад кремнію визначали методомрентгеноспектрального мікроаналізу за допомогою растрового електронногомікроскопа «Camscan – 4DV» із приставкою для енергодисперсногорентгеноспектрального аналізу «Link-860». Таким чином, для експериментів поточінню були відібрані силумінові поршні зі сплавів із наступним вмістомкремнію, мас. %: 0,3; 10,8; 12,8; 15,8; 18,4.
Основним елементом розробленої системи моніторингу РІ «MNAS-2»(ліва гілка на є різець із вбудованим широкосмуговим датчиком АЕ. У процесірізання сигнал АЕ від датчика «WRS-1» надходив на блок попереднього підсилювачай амплітудного детектора, який з високочастотного первинного сигналу АЕ вдіапазоні частот від 100 кГц до 2 МГц виділяв низькочастотну (від 100 Гц до 22кГц) обвідну.
Далі сигнал подавали на швидкодіючий аналого-цифровий перетворювач(АЦП 1), де він перетворювався в цифрову форму із частотою дискретизації 44 кГцй зберігався в пам'яті мобільного комп'ютера (ПК 1). Конфігурація комп'ютера«Dell Inspiron 1300» із процесором Intel 1,5 МГц і пам'яттю 512 Мб була обраназ урахуванням очікуваної ресурсоємності подальшого аналізу сигналів АЕ.
Автоматизована система прогнозування ймовірності руйнування різця«СПВР-1» (права гілка складалася зуніверсального динамометра «УДМ-300», уякому розміщали різець, оснащений АТП.Динамометр «УДМ-300» конструкції ВНИИ (м. Москва) дозволяв вимірюватитри ортогональні складові сили різання. Отриманіза допомогою динамометра значення сил різання були необхідними вихідними данимидля розрахунку ймовірності руйнування різця в процесі точіння. Дляпосилення електричного сигналу від динамометра використовували тензостанцію«ТОПАЗ». Сигнал від тензостанціі перетворювали у цифрову форму за допомогою12-ти розрядного шістнадцятиканального АЦП 2 «A-812PG», який виконано у виглядіінтерфейсної плати комп'ютера. Керування роботою АЦП 2 і запис значеньскладових сили різання здійснювали у спеціально розробленій програмі «Модуль-812».
Всі експерименти поточінню заготовок із силуміну проводили на експериментальній установці з одночаснимзаписом сигналів акустичної емісії й сил різання. Після кожного експериментувимірювали шорсткість обробленої поверхні за допомогою приладу «Surtronic 3»фірми Taylor-Hobson безпосередньо на верстаті. Знос інструментів по заднійповерхні hз вимірювали також не знімаючи різець з верстату,на спеціальному оптичному пристосуванні на базі мікроскопу «МБС-10». Цедозволило уникнути похибок вимірювання від зміщення різця між експериментами.
3. Результати експерименту
Режими різання, при яких обробляли силуміни, обрані в діапазонізастосовуваних у виробництві поршнів двигунів внутрішнього згорання причистовому й напівчистовому точінні: швидкість різання v від 65 м/хв. до400 м/хв., глибина різання t від 0,05 мм до 0,30 мм. Подача s =0,1 мм/об обрана за критерієм забезпечення мінімальної шорсткості привикористанні АТП.
За допомогою розробленої системи «MNAS-2» були отримані спектридетектованого по амплітуді сигналу АЕ із зони різання в цифровій формі.Необхідність застосування амплітудного детектора викликана потрібністю запису вреальному часі величезного масиву даних вихідного високочастотного сигналу АЕ.В роботі використовували амплітудне детектування з отриманням низькочастотної(44 кГц) обвідної високочастотного (2 МГц) сигналу АЕ.
Важливими показниками надійності РІ є знос різця та шорсткість обробленої поверхні. Одним зі способів забезпеченнянеобхідної якості деталей є застосування систем контролю, які здатні оцінюватипоточний знос різця та шорсткість оброблюваної поверхні з метою недопущенняперевищення встановлених на виробництві граничних значень (для поршнів Ra= 1,25 мкм та hз = 0,30 мм).
В результаті проведення експериментів по точінню на різних режимахрізання із одночасним записом сигналів АЕ та сил різання були виявлені наступніособливості.
Збільшення швидкості різання від 65 м/хв. до 400 м/хв. призводитьдо зростання параметра шорсткості Ra при точінні силумінів. При точіннібільш пластичного алюмінію (~ 0% Si), при всіх значеннях зносу АТП, фіксувалипідвищену шорсткість на низьких швидкостях різання (65-80 м/хв.), викликанупроцесами нарістоутворення, чого не відмічали при точінні менш пластичнихсилумінів за рахунок наявності в них кремнію. У діапазоні швидкостей різання v від 140 м/хв. до 400 м/хв. при точінні алюмініютакож відбувалося зростання шорсткості обробленої поверхні Ra на 25-35%.При точінні силумінів із вмістом кремнію 10,8, 15,8 й 18,4 мас. % зростанняшвидкості різання в діапазоні швидкостей від 65 м/хв. до 400 м/хв. призводило до збільшення шорсткостіна 30-45%. Виявлено, що в цьому ж діапазоні швидкостей силуміновий сплав ізвмістом кремнію 12,8% відрізнявся від інших: зростання швидкості різанняпризводило лише до незначного (~5%) збільшення шорсткості Ra.
Збільшення параметра шорсткості Raобробленої поверхні з ростом швидкості різання пов'язане з тим, що чергуваннятвердого кремнію (1100 HV) та м’якого алюмінію (500 HV) у силуміновій заготовців процесі точіння викликало зростання амплітуди мікроколивання вершини різця.Глибина різання t мало впливала на шорсткість обробленої поверхні привсіх досліджених режимах різання й значеннях зносу різця.
Ймовірність руйнування різця розраховувализа даними сил різання, а саме значень рівнодіючоїсили різання та усадки стружки. Зі збільшенням швидкості різання відбувалосязростання рівнодіючої сили різання на 10–20 % для всіх досліджуваних силумінівзалежно від оброблюваного матеріалу. Це пояснюється тим, що при різанні легкоплавкогосилумінового сплаву з підвищенням швидкості різання та, як наслідок, швидкостідеформації, відбувалося зміцнення оброблюваного матеріалу в зоні деформації. Узв'язку із цим зростали напруження зсуву. У цей же час конкуруючий процесвтрати міцності матеріалу заготовки від зростання температури, що має місце приточінні алюмінію, не превалював через наявність в силуміні частинок кремнію іззначно більшою температурою плавлення (1420 ºС проти 660 ºСдля алюмінію). Це підтверджуєтьсязбільшенням коефіцієнта усадки стружки із зростанням швидкості різання.Для силуміну з максимальним вмістом кремнію (18,4%) зростання усадки булонайбільшим, але не перевищувало 7 % у всьому дослідженому діапазоні швидкостей.При цьому, змінювався й характер стружки. Так,при точінні силумінів спостерігали утворення елементної стружки, причому зізбільшенням швидкості від 65 м/хв. до 400 м/хв. розмір цих елементівзбільшувався. За тих самих умов при точінні чистого алюмінію утворюваласязливна стружка. Крім цього, зростанню сил різання сприяла адгезія матеріалузаготовки з передньою поверхнею різця при точінні всіх марок силумінів (до18,4% Si). Це було виявлено шляхом аналізу залишків налипання силуміну наповерхню АТП за допомогою електронного мікроскопу «ZEISS Ultra 55».
При збільшенні глибини різання t від 0,05 мм до 0,30 ммусадка стружки зменшувалася в 1,5 рази для всіх досліджених матеріалів.Необхідно відзначити, що глибина різання впливає на усадку стружки черезвеличину поперечного переріза отриманої зворотної стружки.
Ступінь пластичності матеріалу також впливає на усадку стружки.Збільшення вмісту кремнію в силуміні знижує його пластичність, а це призводитьдо зниження усадки стружки. При точінні найбільш пластичного середекспериментальних заготовок чистого алюмінію, були отримані максимальнізначення усадки стружки x≈ 5,25 приглибині різання 0,05 мм. При точінні силуміну з найбільшим вмістом кремнію(18,4%) одержали мінімальну усадку x≈ 2,75 при глибинірізання 0,30 мм.
Численні експерименти по точінню силумінівпоказали, що на конфігурацію спектру обвідної сигналу АЕ впливає вміст кремнію тазнос різця при незмінних іншихфакторах (режими різання, геометрія різця, верстат, акустичне обладнання). Цедозволило висунути гіпотезу про зв'язок сигналів АЕ з процесами в зоні контактурізця та заготовки і можливість оцінки зносу різця та шорсткості обробленоїповерхні шляхом аналізу спектрів цих сигналів.
Разом з тим, дуже важко візуально визначити частини спектруобвідної сигналу АЕ, які б відповідали саме за знос різця hзта шорсткість обробленої поверхні Ra. Тому в роботі для аналізу сигналівАЕ вперше було застосовано перспективний математичний апарат – штучні нейроннімережі (ШНМ), особливості застосування якого викладено у четвертому пункті.Обраний підхід аналізу всього спектру сигналу АЕ, а не його частини, означаєспроможність використання розробленої методики для інших умов різання, тобтодля інших інструментальних й оброблювальних матеріалів та верстатів.
4. Аналіз отриманих результатів
Визначення зносу різця й шорсткості обробленої поверхні за данимиАЕ здійснювали за спеціально розробленою методикою із застосуванням штучнихнейронних мереж. Методика включала реєстрацію сигналів АЕ із зони різання,виділення обвідної АЕ з первинного сигналу, розкладання її в спектр із застосовуваннямзгладжування на часовому інтервалі тривалістю 2 сек по методу Блекмана-Харріса,після чого ми отримували 2046 значень амплітуд спектру у смузі частот до 22кГц. Отриманий спектр зіставлявся за допомогою ШНМ із контрольованимипоказниками надійності: шорсткістю оброблюваної поверхні заготовки й зносом РІ.
ШНМ можна представити як спрямований граф зі зваженими зв'язками,а вузлами в ньому є штучні нейрони. Нейрон характеризується вектором ваговихкоефіцієнтів і видом активаційної функції. Вектор вхідних сигналівперемножується з вектором вагових коефіцієнтів wj таперетворюється відповідно до функції активації – сигмоідальна функція виду f(х)= (1+е-αx)–1, де α характеризує«нахил» сигмоіду. Результат роботи ШНМ залежить від вагових коефіцієнтівсінаптичних зв'язків. Процедура визначення цих коефіцієнтів (навчання ШНМ),полягала в пред'явленні ШНМ відомих як вхідних, так і вихідних даних.
«Входи» – конфігураціяспектра обвідної сигналу АЕ (тобто значення амплітуд спектра – 2046 значень),режими різання (v, t), процентний вміст кремнію в заготовці.«Виходи» – вимірювані традиційними способами числові значення зносу різця hзта шорсткості обробленої поверхні Ra, що відповідають поточному «входу».Під час багаторазового навчання (90 ітерацій), ШНМ по внутрішньому алгоритмустабілізувала вагові коефіцієнти при заданій межі помилки 0,5%. Повний часнавчання по 228 прикладам склав 1 хв. 18 сек. (на комп'ютері Dell із процесором1,5 МГц).
Виведене значеннявиходу нейронаyj(n) у кожному шарі n маєвигляд:
/>,
де M – числонейронів у шарі n-1, yi(n-1)– «вихід» i-гонейрона, wij(n) – матриця вагових коефіцієнтівшара n. Відзначимо, що для кожного наступного шару «входами» є «виходи»попереднього шару: yi(n-1)=xij(n)– i-ий «вхід» нейрона j шару n.
Для оптимізаціїструктури ШНМ були проаналізовані наступні типи мереж: багатошаровий перцептронзі зворотним поширенням помилки, генералізованний багатошаровий перцептрон,модульний, мережа Джордона-Элмана, рекурентна мережа. Головним обмеженням бувчас t (небільше 2 сек.) роботи навченої ШНМ по визначенню зносу й шорсткості. Такеобмеження пов'язане з необхідністю забезпечувати періодичність контролюшорсткості й зносу кожні 2 сек. Серед розглянутих мереж найбільшу швидкодіюпоказала ШНМ типу багатошаровий перцептрон зі зворотним поширенням помилки.
Крімтипу ШНМ була визначена кількість прихованих шарів та кількість нейронів укожному шарі. Було встановлено, що ШНМ із одним прихованим шаром не маєнеобхідну точність, а при кількості шарів більше 2-х мережа мала низькушвидкодію. Тому для аналізу сигналів АЕ застосовували ШНМ із двома прихованимишарами. У підсумку була отримана наступна оптимальна структура ШНМ:2049/20/20/2, тобто 2049 елементів у вхідному шарі, по 20 у прихованих та 2 увихідному шарі.
Наоснові розробленої методики оцінки зносу й шорсткості обробленої поверхні поданим АЕ за допомогою системи моніторингу РІ «MNAS-2» була створена навчальнавибірка у вигляді матриці з розмірністю [K, N], що містиланеобхідні дані для навчання ШНМ, а саме: параметр шорсткості Ra,значення зношування hЗ, швидкість v і глибину різання t,відсоток кремнію в силуміні Si і значення амплітуд А спектрасигналу АЕ, отримані для кожного експерименту з точіння.
Відповіднодо алгоритму навчання сформовану вибірку застосовували для навчання попередньооптимізованої ШНМ. Для оцінки точності роботи навченої ШНМ було проведено 16експериментів, під час яких точили силумінові заготовки та записували сигналиАЕ у пам’ять комп'ютера. У підсумку були сформовані «входи» тестової вибіркидля ШНМ. Після кожного експерименту вимірювали знос АТП і шорсткість обробленоїповерхні традиційними способами для подальшого порівняння.
Урезультаті роботи ШНМ на «виході» були отримані значення зносу різця йшорсткості обробленої поверхні. Похибка результатів визначення шорсткостірозробленою системою склала ~8% і лежала в межах похибки виміру шорсткості насамому приладі «Surtronic-3». Похибка визначення значень зносу різця до 0,30 ммза допомогою системи «MNAS-2» при різних значеннях швидкості різання v упорівнянні з безпосередніми вимірами на мікроскопі «МБС-10» не перевищувала 6%.
Розробленіметодики реєстрації та аналізу сигналів акустичної емісії із зони різанняпройшли дослідно-промислову перевірку на Державному підприємстві Міністерстваоборони України “Луцький ремонтний завод «Мотор»”. Реалізований в системі«MNAS-2» контроль зносу різця й шорсткості обробленої поверхні при заданихграничних показниках надійності (hЗ = 0,30 мм й Ra=1,25 мкм) дозволяє у виробничих умовах вчасно замінити РІ та зменшитикількість браку.
Таким чином, була розроблена методика та створена система длявизначення двох з трьох показників надійності різців з НТМ – зносу різця ташорсткості обробленої поверхні. Останній показник надійності – ймовірністьруйнування різця, розглянутий у наступному розділі.
5. Розрахунки значень напружень та ймовірності руйнування різця за результатамивимірів сил різання
В основі методики розрахунку ймовірності руйнування різцяпокладена робота Девіна Л.М. і Вільгельма М., де автори досліджували процеситочіння загартованих сталей різцями на основі кубічного нітриду бора із прямимлезом. Внесені нами зміни в існуючу методику стосуються геометрії РІ – в данійроботі застосовували різець із круглою АТП, тобто із криволінійним ріжучимлезом. При точінні під дією сил різання в ріжучому клині виникають напруження SRрозтягу (додатні) та стиску (від’ємні), які характеризуютсясередньоквадратичними відхиленнями σSR (за рахунокнеоднорідності властивостей матеріалу деталі й нестаціонарності процесустружкоутворення). Напруження SR на передній і задній граняхрізця розраховували за допомогою відповідних формул Лоладзе Т.М. і Бетанели А.І.Разом з тим, ріжучі пластини в партії мають різну міцність і тому напруженняхарактеризували середніми значеннями при розтягу – SP і пристиску – SC, а також відповідними їм середньоквадратичнимивідхиленнями sSp, sSc. Якщоприпустити, що закон розподілу значень SR, SPй SC є нормальним, тоді ймовірність руйнування різця Ргеометрично дорівнює площі фігури, утвореної перетинанням кривих функцій f(SR)і f(SP) або f(SC)залежно відзнака напружень (додатні або від’ємні), що діють на ріжучу пластину.
Вихідними даними для розрахунку ймовірності руйнування різця булиекспериментальні значення сил різання, а також режими різання, геометрія різця,значення усадки стружки, межі міцності на розтяг та стиск для партії АТП. Задопомогою розробленої в середовищі «MathCAD» програми були розрахованінапруження в АТП та ймовірності руйнування різця. Встановлено, щонайнебезпечніші напруження в АТП виникали при зносі на задній поверхні hЗ≥ 0,30 мм. Прицьому виникала найбільша ймовірність руйнування ріжучої кромки, яка булапов’язана із дією на різець максимального навантаження. Тому дослідженнянапружень у різці та ймовірності його руйнування залежно від режимів різання йвмісту кремнію в заготовках проводили при зносі різця hЗ = 0,30 мм. У цілому булопроведено 80 експериментів при варіюванні режимів різання: швидкість різання v змінюваливід65 м/хв. до 400 м/хв., глибинурізання t задавали як0,05; 0,1; 0,2; 0,3 мм, а подача становила0,1 мм/об. На основі експериментальних даних розраховували значення напруженьна передній SП та задній SЗ поверхняхріжучої пластини.
В умовах промислового виробництва одним різцем до його затупленняобробляють тисячі деталей. Тому в роботі прийнято, що припустимою ймовірністю єруйнування одного різця зі ста за період його стійкості. Відповідно, длязабезпечення безвідмовної роботи різця, що доводиться на період точіння однієїдеталі, припустима ймовірність руйнування P складає не більше одногорізця зі ста тисяч (P ≥ 10-5).
У результаті експериментальних досліджень ірозрахунків було встановлено, що при точінні силумінів навіть найвищі (до 850МПа) напруження стиску (від’ємні) не призводили до небезпеки руйнування (PSR. Однак, напруження розтягу (додатні) єнебезпечними й були зафіксовані з боку задньої поверхні ріжучої пластини. Узбільшеному масштабі показана зміна ймовірності руйнування різця P –площі перетинання кривих розподілу діючих напружень при розтягу SRі міцності АТП SP. Зі збільшенням швидкості різання від 70м/хв. до 370 м/хв. крива SR (1) зміщувалася вправо, щоозначало збільшення небезпечних напружень розтягу. Крім того, ця крива ставала«ширше» за рахунок збільшення дисперсії сил різання при більш високихнапруженнях розтягу. Це призводило до збільшення ймовірності руйнування РІ.Аналіз впливу режимів різання на напруження напередній SП і задній SЗ поверхняхрізця та ймовірність руйнуваннярізця P наведено далі.
Незалежно від швидкостірізання v та глибини різанняt, небезпечних для АТП напруженьрозтягу на передній поверхні різця SПне виникало. Проте, на заднійповерхні різця з ростом швидкості різання v від до 370 м/хв. при глибинах t ≤0,1 мм збільшувалися напруження розтягу та,відповідно, і ймовірність руйнування різця P. Поряд з цим, при глибині різання t> 0,1 виникали лише напруження стиску, які зменшувались із ростом швидкості різання v.
Такий вирішальний вплив глибини різанняпов’язаний з кутом nнапрямкудії рівнодіючої сили різання R.Проведені розрахунки свідчать, що в межах кута nвід 28° до 51° небезпечні напруженнярозтягу не виникають. При глибині різання 0,1 мм і менше кут nстававменше 28°, що викликало появу напружень розтягу на задній поверхні АТП та,відповідно, зростання ймовірності руйнування різця P. Отже, для різця, оснащеного АТП,найнебезпечнішою є чистова обробка силумінів при глибинах різання t ≤0,1 мм та чим більшою є швидкість різання, тим більше зростає ймовірністьруйнування різця. На цих засадах та з урахуваннями малого впливу глибини різання t на шорсткість обробленої поверхніпри всіх досліджених режимах різання й значеннях зносу різця зробленорекомендацію щодо вибору t > 0,1 мм для збільшення ресурсу РІ.
Таким чином, в результаті виконання роботи була розробленаметодика та створені дві системи для визначення й контролю трьох показниківнадійності різців з НТМ: зносу різця й шорсткості обробленої поверхні –«MNAS-2» та ймовірності руйнування різця – «АСПВР-1». Ці розробки використовуютьсяу навчальному процесі студентів Національного технічного університету України«КПІ» і Національного авіаційного університету, а також пройшлидослідно-промислову перевірку на Державному підприємстві Міністерства оборониУкраїни “Луцький ремонтний завод «Мотор»” та показали доцільність використанняцих розробок на виробництві для зниження собівартість виробів, за рахунокмаксимального використання ресурсу РІ, зменшення часу простою устаткування йкількості браку, що підтверджено відповідними актами.
Висновки
Вроботі вирішене актуальне науково-технічне завдання ефективного визначеннянадійності різців з алмазних композиційних НТМ шляхом реєстрації та аналізуспектру обвідної високочастотного сигналу (від 100 кГц до 2 МГц) акустичноїемісії з зони різання, що дозволяє максимально використовувати ресурсрізального інструменту та запобігати браку оброблюваних виробів.
1. Доведено, що показники надійності РІ – величини зносу різця йшорсткості обробленої поверхні в процесі різання можливо визначити шляхоманалізу конфігурації спектра обвідної високочастотного (від 0,1 до 2 МГц)сигналу АЕ із зони різання за допомогою попередньо навченої й оптимізованоїштучної нейронної мережі.
2. Для зменшення похибки визначення зносу hз АТПта параметра шорсткостіRa, розроблена та запатентована нова конструкціярізця з вбудованим в прихват датчиком АЕ з високим відношенням амплітудсигнал/шум в діапазоні частот від 100 кГц до 2 МГц.
3. Розроблено мобільну систему моніторингу «MNAS-2» для контролюнадійності різців з алмазних композиційних НТМ за показниками зносу різця ташорсткості обробленої поверхні в процесі різання. Тестові експерименти поточінню силумінів різцями, оснащеними АТП, показали, що середня відносна похибкасистеми «MNAS-2» при визначенні зносу hз АТП склала 6 %, апараметру шорсткості Ra – 12% у порівнянні із прямими вимірюваннями.
4. За допомогою системи моніторингу «MNAS-2» встановлена найкращаоброблюваність силумінового сплаву із вмістом кремнію 12,8%, при точіннівиробів з якого досягається низька шорсткість Ra = 0,5–1,25 мкм у всьомудіапазоні досліджуваних режимів різання й зносу різця hз до 0,30мм включно у порівнянні із іншими силумінами з вмістом кремнію до 18,4%, дешорсткість Ra hздо 0,15 мм.
5. Встановлено, що при точінні силумінових заготовок на малихглибинах (менш 0,1 мм) в АТП виникаютьнебезпечні напруження, що обумовлює зниження надійності різця за показником ймовірностіруйнування.
Література
1. Девин Л.Н. Применение метода акустической эмиссии для оценкиработоспособности резцов из АТП при точении алюминиевых сплавов / Л. Н. Девин,НЕ. Стахнив, А.Г. Найденко // Резание и инструмент в технологических системах:междунар. научн.-техн. сб. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2002. – Вып. 62. – С. 44–47.
2. Девин Л.Н. Анализ акустической эмиссии при точении алюминиевыхсплавов резцами из АТП с использованием нейронных сетей / Л.Н. Девин, А.Г. Найденко// Резание и инструмент в технологических системах: междунар. научн.-техн. сб.– Харьков: НТУ «ХПИ», 2003. – Вып. 64. – С. 53–58.
3. Девин Л.Н. Особенности применения акустической эмиссии дляисследования точения алюминиевых сплавов / Л.Н. Девин, А.Г. Найденко //Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология егоизготовления и применения: сб. науч. трудов. – К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля, 2004. –Вып. 7. – С. 283–288. эмиссии для поиска диагностических признаков в анализепроцесса точения алюминиевых сплавов резцами из АТП / Л.Н. Девин, А.Г. Найденко//