Способ управления обработкой резанием

 

Использование: оптимизация процесса рнезания по качеству обрабатываемой поверхности . Сущность: определяют интегральные оценки автокорреляционной функции виброакустического сигнала зоны резания в каждом из пробных проходов. При проведении пробных проходов варьируется один параметр технологического режима резания - скорость резания и вылет резца - при остальных заданных. По минимуму значения интегральных оценок опредляют оптимальный режим прецизионной обработки. 3 ил.

(я) 5 В 23 Q 15/00

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

"1109Щ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 ф „ ф СОЮЗ СОВЕ ГСКИХ

=Я . социАлистических - " „, .7: С --=.--РЕСПУБЛИК ,г (21) 4869852/08 (22) 01.10,90 (46) 30.07,92. Бюл. М 28 (71) Саратовский политехнический институт (72) Б.М.Бржозовский, А.А.Игнатьев, B.À.ÄoáðèêîB и В.B.Êóðàíîâ (53) 621.9(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1531358, кл. В 23 0 15/00, 1988.

Авторское свидетельство СССР

М 1458160, кл. B 23 Q 15/00, 1989.

Добрынин С.А„Фельдман M,С., Фирсов Г.И. Методы автоматизированного исследования вибраций машин, Справочник, M.: Машиностроение. 1987, с. 224, Бендат Дж„Пирсол А, Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974, с.

464.

Изобретение относится к обработке металлов резанием, в частности определению оптимальных режимов резания при тонком чистовом (прецизионном) точении на станах с ЧПУ, и может быть использовано в машиностроении и приборостроении.

Известен способ автоматического определения оптимальных режимов резания, основанный на измерении тока от ЭДС трения и резания в замкнутой упругой системе станка. в котором, с целью расширения фун кциональных возможностей за счет проведения экспресс-оценки в процессе резания с учетом индивидуальных особенностей и состояния технологической системы (ТС) в основу формирования диагностических признаков и полезного сигнала положена е. Ж„„1750925 А1 (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОБРАБОТКОЙ

РЕЗАНИЕМ (57) Использование: оптимизация процесса рнезания по качеству обрабатываемой поверхности. Сущность; определяют интегральные оценки автокорреляционной функции виброакустического сигнала эоны резания в каждом из пробных проходов.

При проведении пробных проходов варьируется один параметр технологического режима резания — скорость резания и вылет резца — при остальных заданных. По минимуму значения интегральных оценок опредляют оптимальный режим прецизионной обработки, 3 ил. юЪ классическая особенность поэтапного фор4 мирования фрикционного контакта инструмент — деталь на стадии врезания инстурмента в деталь с момента его касания до разрушения фрикционных связей с Ь образованием стружки при врезании в де- (Л таль.

Недостатки известного способа — сложностью формирования информационного сигнала и аппаратурной реализации для определения оптимального режима резания.

Наиболее близким к предлагаемому является способ оптимизации процесса резания, согласно которому производят измерение общего уровня виброакустического сигнала эоны резания при возрастающей во времени подаче, а по минимуму

1750925

20

35

40 инструмета и детали мичесхих характеристик резания для реали- 45 зации способа оптимизации процесса: .

50 значения общего уровня виброакустического сигнала определяют оптимальную подачу. Таким образом минимуму виброакустического сигнала при заданных скорости и глубине резания соответствует мйнимум шерохбватости и максимальная точность обработанной поверхности; а также максимальная стойкость резца.

Однако данный способ не учитывает индивидуальных особенностей динамического состояния ТС и физико-механических свойств материалов инструмента и детали, так как виброакустический сигнал, генерируемый в зоне резания, представляет собой широкополосный стохастический (случайный) процесс, спектр которого изменяется в зависимости от режимов резания и динамического состояния технологической системы станка. Вследствие этого, в частности, при прецизионном точении нет однозначной зависимости между общим уровнем виброакустического (BA) сигнала и шероховатостью поверхности, В этом случае без учета влияния перераспределения спектральных составляющих в область высоких частот на изменение общего уровня виброакустического сигнала нельзя определить оптимальный режим резания, который дал бы высокие точность; качество обрабатыва.емой поверхности и стойкость режущего инструмента, Целью изобретения является повышение точности и качества обрабатываемой поверхности путем оптимизации режимов резания при прецизионной обработке эа счет экспресс-оценки, учитывающей индивидуальные особенности динамического состояния технологической системы станка и физико-механические свойства материалов

На фиг,1 представлены некоторые типичные зависимости автокорреляционной функции для процессов различного вида; на фиг.2 — блок-схема системы контроля динарезания", на фиг.3 — зависимОсти качества обрабатйваемой поверхности (шероховатость Ra) от скорости резания и вылета резца. а также соответствующие интегральные оценки автокорреляцион ной функции (АКФ) виброакустического сигнала

Сущность способа заключается в том, что каждому технологическому режиму обработки соответствует определенный характер колебательных процессов в зоне резания; который определяется динамикой взаимодействия резца с деталью, При этом, считая процесс резания при неизменном технологическом режиме в течение некото5

10 рого времени на одном проходе стационарным, на этом интервале времени определяют автокорреляционную функцию R(r), где т — временной сдвиг.

Для пояснения сущности данного способа рассмотрим и исходный регистрируемый ВА процесс в виде суммы детерминированной a(t) и случайной s(t) составляющих

x(t) = a(t) + s(t) (1)

Тогда эвтокорреляционную функцию процесса можно записать в виде

1т

Rxx(r) = — J(a(t)+ s(t))(a(t+ r)+ s(t+ r)) d (2)

Т0

Путем преобразований, учитывая независимость процессов a(t) и s(t), получаем

Rxx(т) = Ваа(т ) + 14з(г) (3)

Если

a(t) =А sin(вt+p), (4) то

Аг аа(т ) = cos ит; (5)

Если a(t) = Z Ax sin (и, t +@< ), где к=1

I =,/ (R »(г) Q1 R хх(7-) + Q2 R2xx (r )) cl r о (8) где а>, с5- весовые коэффициенты; (G, t) — отрезок времени, на котором производится интегрирование;

Rxx(r), R xx(r), R»(г) — автокорреляционная функция и ее первая и вторая про-. изводн ые соответствен но.

Предположим зарегистрированы два процесса

a>(t) - Atsiп(а t + p ), az(t) = Аг$tn(м t + pz ), (9) (10) причем Аг > At, 0k = К, (6) сб. Аг то В{ т ) = Х cos в, r. (7)

1 2

Таким образом, при наличии гармонических колебаний в исходном спектре ВА колебаний ТС станка корреляционная функция содержит гармоническую составляющую и характеризует спектральные свойства ВА сигнала.

Количественная оценка динамического состояния производится по свертке корреляционной функции, основанной на интег- . ральных методах (3) 1750925 тогда (12) качество обработанной поверхности при этом наихудшее и имеет место повышенной износ и выкращивание режущей части инструмента вследствие высокого уровня его колебательной скорости и перемещения относительно заготовки, Автокоррелограмма на фиг,1б соответствует виброакустическим колебаниям в ви30 де суммы гармонического процесса и .широкополосного случайного шума, при котором процесс резания также является неустойчивым, но относительная доля автоколебательного виброперемещения в общем сигнале ниже, чем в предыдущем случае, На фиг.1 в изображен график R(t) процесса с узкополосным низкочастотным случайным шумом, который характеризуется большим диапазоном изменения низкочастотных амплитуд виброперемещений во времени, также отрицательно сказывающемся на точности обрабатываемой детали и стойкости режущего инструмента.

Автокоррелограмма на фиг.1 r соот- 45 ветствует случаю узкополосного высокочастотного случайного шума, характеризуемого относительно меньшим диапазоном изменения амплитуд виброперемещений, так как колебания происходят в более высокочастотной области, вследствие чего данный процесс резания формирует более "тонкую" структуру микронеровностей обрабатываемой поверхности и режущий инстру55 мент находится с точки зрения стойкости в более благоприятных условиях, что является предпочтительным. B связи с указанным идеальным процессом резания исходя из условия формирования максимально "тонВ" () 2

A) (11)

Ra а(т) созюх, 5 ! следовательно и интегральные оценки предлагаемого вида эа равные промежутки времени будут различаться, а именно: во втором случае будут больше, так как Аг > A1, т.е, укаэанные оценки наряду с частотными свойствами характеризуют амйлитуду (уровень) ВА сигнала.

На фиг.1 представлены некоторые, типичные графики R(г ) для разного вида .колебательных ВА процессов (4). Случай, изображенный на фиг.1а, соответствует одночастотному гармоническому процессу, при котором технологическая система находится в автоколебательном режиме (про- 20 цесс резания неустойчивый), что является всегда нежелательным явлением, так как кой" микроструктуры получаемой поверхности и стойкости режущего инструмента следует считать процесс, при котором виброакустические колебания в зоне резания представляют собой максимально широкополосный в область высоких частот случайный шум, автокорреляционная функция

R(т) которого имеет вид, изображенный на фиг.1 д.

Из свойства автокорреляционной функции (4) следует, что ее значение R(o) при временном сдвиге 7 - О, численно равно дисперсии стационарного процесса, поэтому измеряя R(I ) при r = 0 получаем характеристику размаха виброакустических колебаний, который соответствует амплитудным свойствам формируемой поверхности.

Таким образом, наиболее "тонкую" структуру поверхности, характеризуемую ее шаговыми свойствами, можно получить, реализуя процесс с автокорреляционной функцией виброакустических колебаний зоны резания, представленной на фиг.1 д, а минимум амплитудных свойств формируемой поверхности соответствует минимальному значению R(t) при т = О. Эти два условия соответствуют также максимальной стойкости режущего инструмента.

Предпочтительный вид процесса определяют варьированием технологических режи, ов: скорости резания и вылета резца во время проведения кратковременных стандартных испытаний — пробных проходов, При этом в режиме прецизионного точения подача, определяемая микрорельефом обработанной поверхности, и глубина резания, зависящая от величины дефектного слоя от предыдущей обработки, являются заданными величинами.

Из этого следует. что оценку процесса резания по автокорреляционной функции виброакустических колебаний, характеризующей динамическое состояние ТС станка, можно получить подсчитав площадь, отсекаемую графиком функции (фиг,1) от оси времени за одинаковый промежуток времени, т.е.е используя интегральную оценку вида: т

t>(s)" j lR(г)I dr (13) о или (14) где 1>(s), tz(s) — интегральные оценки автокорреляционной функции; (О, Т) — интервал времвии вычисления

Й(t), при этом автокорреляционная функ1750925

40

50 мощью корреллометра Х6-4 определяют 55 ция вычисляется в абсолютных значениях виброперемещения(з).

Минимуму (13) и (14) соответствует наилучшее качество получаемой поверхности и максимальная стойкость режущего инструмента.

Таким образом, приведенная формула (8), представляющая интегральную оценку автокорреляционной функции регистрируе мого виброакустического сигнала на некотором интервале времени, позволяет получить численную характеристику динамических свойств ТС станка.

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит (фиг.2) пьезоэлектрический акселерометр 1, который устанавливают как можно ближе к зоне резания, например на резцовом блоке. В качестве акселерометра 1 использован датчик ДН-З, входящий в комплект измерителя шума и вибраций (BLLIB — 003)2, выход которого соединен с входом двойного интегратора 3. Выход интегратора 3 соединен с входом измерителя корреляционных характеристик — корреллометра — 4 (Х6-4) предназначенного для формирования последовательно-параллельного восьмиразрядного кода, содержащего информацию о дискретных значениях автокорреляционной функции процесса. Корреллометр4через устройство связи с ЭВМ 5 соединен с микро Э В М 6 (" Электроника-60") системы

ЧПУ станка, которая применена для нормирования исходного массива данных по значению автокорреляционной функции при нулевом сдвиге и подсчета интегральных оценок, полученных в результате каждого прохода, и для определения оптимального режима резания, соответствующего наилучшему качеству обрабатываемой поверхности.

Пример. Производят прецизионное точение заготовки йз алюминиевого сплава

АК4Т твердосплавным резцом ВК8, rt = 9О, 40 ; p= 48О; p1 = 42О; подача Soü = 3 мкм/об, глубина резания т - 30 мкм, скорость резаниями дискретно изменяется от 156 м/мин до 389 м/мин (скорость вращения шпинделя от 800 до 2000 об/мин). В процессе обработки измеряют уровень виброакустического сигнала.в диапазоне частот от 10 Гц до 10 кГц и обрабатывают согласно схеме, представленной на фиг.3. С поАКФ для каждого значения V. Далее микроЭВМ в реальном масштабе времени рассчитывает и строит кривую интегральных оценок l(s) массива АКФ (фиг.3), по.миниму5

20 му которой определяет оптимальные скорость резания и вылет резца. Для данных пар материалов и режимов АК4Т и ВК8; Sos - 3 мкм/об и t - 30 мкм, для вылета резца 1- 15 мм оптимальной является (рис.3 а); Vo - 243 м/мин (no - 1250 об/мин), при которой шероховатость R - 0,15 мкм. . На фиг,3б показаны зависимости шероховатости поверхности Ra. общего уровня вибраций а и интегральной оценки l(S) от вылета резца для тех же материалов детали и инструмента, Soo и t, что и в первом случае, Оптимальным значением вылета резца является Io = 20 мм при и = 1600 об/мин.

Общий уровень виброускорения (а) возрастает, в то время как зависимость R, имеет минимум.

В обоих случаях точность поверхности наилучшая (2 — 3 мкм), стойкость резца в 2 раза выше, чем при обработке с другими скоростями резания и вылетами резца.

Данный способ по сравнению с прототипом позволяет учитывать перераспределение составляющих спектра виброакустического сигнала; за счет высокой достоверности получаемой информации оптимизировать режимы резания по скорости резания и вылету резца при других заданных параметрах, т.е. во всем пространстве технологических параметров режимов резания, что обусловливает его применение для оптимизации прецизионного точения по параметрам качества обработки, количественно учитывать динамическое состояние технологической системы станка (станок-приспособлениеинструмент-деталь) по значению интегральной оценки АКФ виброакустического сигнала, что обеспечивает экспресс-оценку динамического состояния станка, которую можно производить после его изготовления, ремонта или в процессе эксплуатации, например перед началом прецизионного точения.

Формула изобретения

Способ управления обработкой резанием, включающий измерение виброакустического сигнала зоны резания и назначение соответствующего режима, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности и качества поверхности обрабатываемых деталей, режимы обработки назначают по минимальному значению интегральной оценки автокорреляционной функции виброакустического сигнала зоны резания, полученному при проведении пробных проходов с варьированием одного из параметров технологического режима резания.

Цс>

В(!

Q ()

«С

Фиг. 2

1750925

ЯСО (ОИ УОО о /400 <6К /РМ

CrcOp&c г7 6 8+Pu.g &F9 wc >i 4 у

Составитель Б, Бржозовский

Техред М.Моргентал Корректор О. Ципле

Редактор С. Лисина

Заказ 2611 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

1

w а0

В

6 д/5 1

b 0/

Ф Ъ 42

< ог

Я

3 Я

Я с о

2 с