Современное состояние проблемы контроля

Металлообрабатывающие системы относятся к технологическим системам. При этом под технологической системой понимается совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения, предметов производства и исполнителей для выполнения в регламентированных условиях производства заданных технологических процессов или операций.

станочные системы

Часть системы, условно принимаемая неделимой на данной стадии ее анализа, называется элементом технологической системы. Основными элементами металлообрабатывающей технологической системы являются станочное оборудование, режущий инструмент и обрабатываемая заготовка детали. Ключевыми элементами технологической системы являются режущий инструмент и заготовка – будущая деталь, для чего, собственно, и создаётся металлообрабатывающая технологическая система. Эти два элемента обеспечивают «динамическую замкнутость» обрабатывающей системы и кардинально влияют на изменение ее динамического поведения, т.к. характеристики заготовки и инструмента в процессе функционирования системы непрерывно изменяются. Изменение динамического поведения влечёт за собой постепенный переход обрабатывающей системы из работоспособного состояния, при котором значения показателей качества изготовляемой продукции и производительности соответствуют требованиям, установленным в нормативно-технической документации, в неработоспособное, когда такое соответствие нарушается.

Если при этом хотя бы один параметр или показатель качества изготовляемой продукции не соответствует требованиям, установленным в нормативно-технической и технологической документации, то отказ классифицируется как отказ технологической системы по параметрам продукции. Если же значение хотя бы одного параметра производительности технологической системы не соответствует требуемым значениям, то отказ классифицируется как отказ по производительности.

Поэтому сведения о наработке обрабатывающей системы до отказа (сведения о ресурсе) является ключевой информацией, которой руководствуются при эксплуатации данных систем. Для определения ресурса необходимо осуществлять непрерывный контроль динамического поведения обрабатывающей системы в процессе ее работы, упреждая тем самым ее отказы. Изменения динамического поведения происходят по причине износа и последующего разрушения инструмента. Износ инструмента в настоящий момент времени не может быть измерен непосредственно в процессе работы обрабатывающей системы. Поэтому прибегают к косвенным методам его оценки, используя для этого информационные сигналы разнообразных по природе физических процессов, сопровождающих работу обрабатывающих систем.

Проводя подобный контроль, необходимо сопоставлять текущее динамическое поведение обрабатывающей системы с некими ее нормативными (критериальными) значениями. Однако в данном случае задача контроля осложняется отсутствием подобных критериев (норм) в отличие, например, от роторных машин, для которых разработаны «Нормы виброактивности». Одной из причин отсутствия подобных норм является практически бесконечное разнообразие рабочих процессов, наблюдаемых при работе обрабатывающих систем, неподдающихся напрямую какой — либо унификации и стандартизации. В связи с этим ставится задача по разработке метода, позволяющего определять ресурс обрабатывающей системы, а, следовательно, и оценивать качество выполняемой ею технологической операции, исходя из особенностей динамического поведения данной системы, наблюдаемого при выполнении текущего технологического задания.

Следует отметить, что исследования динамического поведения обрабатывающих систем проводятся давно и имеют большую библиографию. Это, в первую очередь, работы, выполненные под руководством И. С. Амосова, А. И. Бетанели, H. A. Дроздова, И. И. Ильницкого, А. И. Каширина, В. В. Каминской, В. А. Кудинова, Л. K. Кучмы, Т. Н. Лоладзе, Л. C. Мурашкина, В. А. Остафьева, М. Ф. Полетика, Д. Н. Решетова, А. П. Соколовского, Г. Л. Хаета, М. Е. Эльясберга, а также исследования зарубежных ученых – М. Полачека, И. Тлустого, С. Тобайаса, Х. Б. Меррита и других. Трудами таких ученых, как Б. М. Бржовский, В. Л. Заковоротный, В. Ц. Зориктуев, В. И. Подураев, А. А. Барзов, О. В. Кретинин, Ю. Г. Кабалдин, А. Д. Макаров, Е. М. Трент и др., разработаны методы контроля динамического поведения обрабатывающих систем на основе сопровождающих их работу разнообразных по физической природе информационных сигналов: акустической эмиссии, вибрации, компонентов сил резания, электрических параметров и др. Значительный вклад в данную проблематику вносят и отечественные украинские ученые, и исследователи НТУ «ХПИ» А. И. Грабченко, НТУ «ХПИ», г. Харьков; Ю. М. Внуков, ЗНТУ, г. Запорожье; Л. Н. Девин, ИСМ им. В. Н. Бакуля, г. Киев; А. Г. Деревянченко, ОНПУ, г. Одесса; В. А. Залога, СумГУ, г. Сумы; В. П. Мазур, ХНУ, г. Хмельницк; Ю. К. Новосёлов и Ф. Я. Якубов, СевНТУ, г. Севастополь и др.

Однако, несмотря на огромную библиографию по данной тематике, многие теоретические и практические проблемы не нашли еще однозначного решения. Так, серьезным ограничением проводимых исследований является тот факт, что принятые методы контроля направлены на фиксацию текущего состояния обрабатывающей системы, не учитывающего предысторию ее динамического поведения в сложившихся технологических условиях ее работы. Получаемые при этом модели, описывающие текущее состояние системы, хорошо работают только в тех условиях ее работы, в которых и проводились исходные исследования. В иных условиях приходится полностью повторять эксперимент, что часто является совершенно неприемлемым для широкого практического использования предлагаемого метода определения ресурса в практике производства. Для решения задач определения ресурса традиционно используются методы контрольных карт, корреляционный, спектральный анализ и авторегрессия. В последние годы много внимания уделяется нейронным сетям, факторному и кластерному анализу сигналов, методам, основанным на использовании нечетких множеств.

Вместе с тем сложность реальных процессов работы обрабатывающей системы, их нелинейность и катастрофичность приводят к необходимости разработки новых методов и алгоритмов анализа данных и определения ресурса обрабатывающих систем. Поэтому, несмотря на значительные успехи в области контроля динамического поведения обрабатывающих систем, еще остается проблема повышения точности, быстродействия, надежности, простоты технической реализации и инвариантности к условиям их работы.

Рассмотрим современное состояние проблемы контроля динамического поведения обрабатывающих системы и определения на основе этого их ресурса.

 

Динамическое поведение обрабатывающей системы и влияющие на нее факторы

Элементы технологической системы вибрируют с большей или меньшей интенсивностью почти во всех случаях её функционирования. Основной элемент системы – металлорежущий станок – можно рассматривать как колебательную систему со многими степенями свободы, в каждой из которых, как в самостоятельном контуре, возникают вибрации определенной интенсивности. Все колебательные процессы (вибрации), возникающие в технологической системе, можно разделить на две основные группы: не связанные с процессом резания (группа I) и вызванные непосредственно процессом резания (группа II).

К группе I

К группе I относятся: — вынужденные колебания, передаваемые станку через фундамент от соседних станков и машин, вызванные неуравновешенностью вращающихся частей станка, детали или инструмента, а также погрешностью передач станка; — параметрические колебания, возникающие вследствие переменной жесткости отдельных деталей привода.

К группе II

К группе II относятся: — вынужденные колебания, вызываемые переменным сечением стружки и особенностями процесса стружкообразования; — автоколебания (самовозбуждающиеся колебания), возникающие при отсутствии каких-либо внешних возмущающих сил.

В этом случае источником энергии колебаний в технологической системе «станок – приспособление – инструмент – заготовка» (СПИЗ) обычно является приводной электродвигатель, а переменные силы, поддерживающие колебательное движение, создаются и управляются самим движением. В. А. Кудинов установил, что основной причиной возникновения вибрации при резании является неоднозначность толщины среза и, следовательно, силы резания по перемещению]. Он исследовал движение системы с упругой связью между двумя взаимно перпендикулярными звеньями с учетом нелинейной зависимости силы резания от скорости. Диссипативные силы были приняты в виде сил вязкого трения. В. А. Кудинов разработал теоретические положения, в которых относительное колебательное движение резца и детали рассматривается как сочетание взаимосвязанных колебаний по обобщенным координатам системы.

Он рассматривает динамическую систему станка как замкнутую многоконтурную систему, включающую взаимодействие упругой системы СПИЗ со всеми рабочими процессами, протекающими в ее подвижных соединениях. Из анализа теории координатной связи следует важный вывод о значении правильного ориентирования осей жесткости системы для получения устойчивого движения резания (ориентации доминирующей системы по направлению).

А. П. Соколовский показал, что часть силы резания ΔРу представляет собой функцию скорости относительных колебаний между инструментом и обрабатываемой деталью. Он объясняет это тем, что величина силы резания при движении резца в сторону детали отличается от силы, образующейся при движении резца в обратном направлении. Инструмент врезается в материал с меньшей силой, чем при выходе из материала, так как резец срезает материал, предварительно испытавший пластическую деформацию и поэтому упрочненный. Поэтому А. П. Соколовский принимает, что значение ΔРу зависит от отношения скорости колебаний к скорости резания. И. С.

Штейнберг считает, что причиной возникновения вибраций, происходящих с частотой собственных колебаний детали, является периодический срыв наростов. Частота установившихся вибраций будет приближаться к частоте собственных колебаний детали, хотя частота первичного возмущения (срыва нароста) и не совпадает с частотой собственных колебаний детали. Это, по его мнению, объясняется тем, что силы вторичного возмущения (переменное сечение стружки) становятся больше сил первичного возмущения и определяют дальнейший колебательный процесс. Поэтому основным средством устранения вибраций он считает изменение скорости и подачи из зоны режима обработки, соответствующей «неустойчивому наросту».

Теории возникновения вибраций Ф. Тейлора и И. С. Штейнберга были подвергнуты критике, так как они объясняли возникновение автоколебаний появлением вынужденных колебаний упругой системы под действием внешней периодической силы. Л. К. Кучма провел ряд опытов при токарной обработке для выяснения влияния режимов резания, геометрических параметров режущего инструмента и жесткости системы СПИЗ на интенсивность вибраций. В результате были намечены пути для наиболее целесообразного выбора условий обработки.

И. С. Амосов исследовал колебания обрабатываемой детали и инструмента в горизонтальном и вертикальном направлениях, а также изменение горизонтальной и вертикальной составляющих силы резания по времени. Деталь колеблется с большей амплитудой, чем инструмент; деталь и инструмент совершают колебания в двух основных направлениях с определенным сдвигом по фазе, вследствие чего их движение выражается в виде замкнутой кривой. В результате измерений колебаний и силы построена зависимость «сила» — «путь». Разность полученных площадей на графике этой зависимости выражает работу, сообщенную колебательной системе.

Ю. Т. Межевой отрицает заметное влияние изменения рабочих углов резания инструмента на интенсивность вибраций, а также зависимость силы резания от скорости. В его опытах силы резания при врезании, отнесенные к одной и той же толщине среза, были несколько больше, чем силы резания при выходе резца из материала. Основной причиной возникновения вибраций он считает неоднозначность зависимости площади сечения среза от перемещения резца, т.е. координатную связь. Автоколебания являются наиболее опасными, так как они возникают в широком диапазоне режимов резания и значительно труднее, чем другие виды колебаний, поддаются устранению. Эти колебания являются наиболее распространенным видом вибраций, возникающих в процессе резания металлов. Ранее считали, что они представляют собой вынужденные колебания, возникающие под действием периодически меняющейся силы, обусловленной отрывом отдельных элементов стружки.

Н. А. Дроздов впервые рассмотрел автоколебательную схему возникновения вибраций при резании металлов на токарном станке. Он показал, что наблюдаемые вибрации нельзя объяснить резонансом вследствие совпадения частоты скалывания элементов стружки с частотой собственных колебаний обрабатываемой детали или резца. По его мнению, автоколебания возникают под действием какой-либо внешней непериодической силы, например, сил трения и резания, так как они зависят от состояния системы СПИЗ, и, совершая колебания, резец делает эти силы периодическими и создает волнистую поверхность резания. В результате при следующем обороте детали снимаемая стружка будет иметь переменную толщину и на систему начинает действовать новая периодическая возмущающая сила с таким же периодом, как и период колеблющейся системы.

А. И. Каширин установил три причины, поддерживающие автоколебания при резании сталей: первая из них обусловлена силой трения между стружкой и передней поверхностью и между обрабатываемой деталью и задней поверхностью; вторая — переменными силами из-за изменения рабочих углов резания в процессе колебательного движения; третья, названная им вторичным возмущением, — переменным сечением среза, возникающим при движении резца по вибрационному следу от предыдущего прохода.

Г. А. Манжос установила, что при резании возникают автоколебания. Измерение профиля волн на обработанной поверхности показало, что волны не имеют синусоидальную форму. На основании этого был сделан вывод, что возникающие автоколебания носят резко выраженный нелинейный характер.

И. И. Ильницкий сделал вывод, что изменение действительного переднего угла в процессе резания возбуждает колебательные процессы, вызывая переменную силу для их поддержания. Периодическое изменение заднего угла вызывает переменную силу трения, которая поддерживает колебания в технологической системе СПИЗ. В отличие от других исследователей он полагал, что эта переменная сила возникает не только после образования волнистости, а немедленно в результате возмущения системы.

А. Л. Воронов показал, что высокочастотные вибрации резца являются автоколебаниями почти гармонического типа, обус- ловленными переменной силой трения по задней поверхности резца.

Л. С. Мурашкин в своих исследованиях анализировал колебательную систему «деталь — суппорт» как систему с двумя степенями свободы в направлении действия силы резания PZ . Показано, что автоколебания в системе СПИЗ обусловлены нелинейной характеристикой силы резания P f (V) Z = . Возникновение автоколебаний обусловлено зависимостью силы резания PZ от скорости резания; оно больше, чем возбуждение от силы трения по передней поверхности инструмента.

В. В. Заре установил, что относительное рассеяние энергии колебаний при увеличении жесткости детали возрастает. Он исследовал зависимость ( ) P f V Z = для определения возбуждающей способности силы PZ в различных технологических условиях обработки, а также аналитически вывел выражение, определяющее возникновение автоколебаний и их интенсивность.

М. Э. Эльясберг, исследуя устойчивость процесса резания, сформулировал теорию, в которой указал, что вследствие специфичности процесса стружкообразования, связанной с пластическими свойствами металла, в нем происходят изменения, которые не могут распространяться мгновенно на всю деформируемую зону. Это вызывает запаздывание в изменении поля напряжений и, следовательно, отставание сил, действующих на резец, от его перемещения. Такое предположение приводит к выводу, что автоколебания при резании металла возникают в результате наличия запаздывающих сил.

В. Л. Вейц считает, что в идеальной системе при любых режимах резец будет находиться в равновесии под действием силы резания и сил реакции, и только случайные воздействия могут вывести его из этого состояния.

В. Н. Подураев подробно освещает и исследует вопросы, касающиеся анализа качества технологической системы СПИЗ в связи с процессом стружкообразования. На основании этих работ можно описать динамические явления, возникающие в металлообрабатывающей технологической системе.

Исследованиями Ю. Н. Внукова доказано, что как вынужденные вибрации, так и автоколебания, возникающие в рабочей зоне, существенно влияют на динамическое состояние элементов обрабатывающей системы, а следовательно, на работоспособность режущих инструментов, качество обработанных поверхностей и, например, шпиндельного узла. Рассмотрим принятые в настоящее время способы контроля элементов технологической системы.

источник: В. А. Залога, В. М. Нагорный, В. В. Нагорный Контроль динамического состояния металлообрабатывающей технологической системы и прогнозирование её ресурса