Надежность и диагностика технологических систем

 

6.1. Возможные изменения  в состоянии РИ при эксплуатации.

Критерий состояния. Критерий отказа.

 

Систему Д следует рассматривать, как совокупность объекта – РИ и средств его Д. Характер возможных изменений в состоянии инструмента предопределяет алгоритм Д и структуру системы.

Для обеспечения надежного Д, необходимо, прежде всего, изучить изменения в состоянии инструмента в конкретных условиях его эксплуатации, выявить такой изменяющийся параметр, который может служить критерием состояния и критерием отказа инструмента.

Ряд параметров характеризует начальное  состояние инструмента. В процессе резания изменение каждого из них, в конечном счете, отображается в росте интенсивности изнашивания или выкрашивания. Поэтому в качестве критерия состояния принимают какой либо из размеров очага износа или выкрашивания. Предельное значение этих размеров, при которых начинается разрушение режущей части или нарушаются установленные технической документацией требования обработки, принимают в качестве критерия отказа.

При оптимальных условиях эксплуатации инструмента, имеющего оптимальные параметры начального состояния, доминирующим является отказ из-за изнашивания рабочих поверхностей. В этом случае, в качестве критерия состояния, должна быть выбрана такая мера очага износа, которая будет удовлетворять следующим требованиям:

• однозначно, во всех стадиях изнашивания, вплоть до отказа отображать изменения в состоянии инструмента, как по геометрии режущей части, так и по свойствам инструментального материала;
• монотонно возрастать в зоне нормального изнашивания;
• быть удобной для точных измерений;
• информативно отображаться параметрами процесса резания, принятыми в качестве диагностических признаков.

 

6.2. Диагностические  признаки состояния инструмента

 

Контроль повреждений в инструменте  для Д его состояния может производиться периодически или непрерывно. При периодическом контроле измерения могут производиться в рабочей зоне станка с прерыванием цикла обработки, либо в специальной позиции инструментального магазина.

Однако предпочтение отдают косвенным  методам измерения, выполняемым в процессе резания.

При резании взаимодействие инструмента  с обрабатываемым материалом вызывает два одновременно протекающих процесса:

    − разрушение обрабатываемого материала;

    − разрушение РИ.

Результатом разрушения обрабатываемого  материала является образование поверхностного слоя детали и стружки, которые характеризуются указанными на рис. 6.1 параметрами состояния. Значения параметров определяются условиями резания.

Разрушение инструмента проявляется  в виде изнашивания его рабочих  поверхностей или выкрашивания (сколов) режущей части, что изменяет параметры начального состояния инструмента. Изменяется его геометрия, а вместе с ней – основные параметры состояния стружки и поверхностного слоя детали. В свою очередь параметры состояния стружки и детали влияют на особенности разрушения инструмента и параметры его состояния.

Среди параметров первого  и второго блока есть такие, за которыми устанавливают непрерывный контроль, мониторинг – наблюдение за развитием во времени. Это износ, скалывание, поломка инструмента, форма стружки нарост, шероховатость, размер детали и др. Помимо взаимосвязанных между собой параметров состояния стружки, детали и инструмента процесс резания характеризуется функциональными параметрами, особое место среди которых занимает сила резания.

 

Объект, средства и условия обработки

Заготовка

Станок

Инструмент

Внешняя среда

Механические свойства

Физические      свойства

Припуск            (глубина резания)

И др.

Движения

Жесткость

И др.

Механические свойства

Физические      свойства

Геометрические параметры

И др.

Охлаждающие свойства

Смазывающие свойства

Поверхностно- активные вещества

И др.

Скорость резания

Подача

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6.1. Взаимосвязь параметров в процессе резания

 

Любые изменения условий резания, вызванные изменением параметров состояния инструмента и стружки, приводят к изменению силы. При этом в связи с нестационарностью процесса резания могут изменяться не только среднее значение силы и направление ее действия , но и амплитуда A_R , а также частота ее колебания − f_R .

Сила едина для процессов  разрушения обрабатываемого материала  и инструмента. Она определяет необходимую для резания работу и мощность. Едины источники теплоты Q, возникающие вследствие превращения механической энергии в тепловую и создающие различные определяемые температурой θ и температурными полями тепловые условия процессов. Так же как и сила, источники теплоты, а вслед за ними и температурные поля, чувствительны к изменениям условий резания и параметров состояния инструмента, стружки и детали.

Взаимосвязь параметров трех блоков используется при решении конкретных задач диагностики.

 

6.2.1. Сила резания

 

Сила  сопротивления относительному движению РИ в обрабатываемой заготовке складывается из следующих составляющих:

• из сопротивления пластическому деформированию и разрушению металла в зоне стружкообразования и в поверхностном слое детали;
• из сопротивления стеканию (трения) стружки по передней поверхности инструмента;
• из сопротивления образовавшейся стружки деформации изгиба и ломания;
• из сопротивления движения инструмента, возникающему на задних его поверхностях.

Суммирование  всех этих составляющих приводит к появлению результирующей силы резания R.

Прогнозы  по основным параметрам состояния сведены в табл. 6.1.

 

Диагностические признаки     Изменяющиеся параметры  состояния	Pz	Pу	Pх	AR	fR
Износ инструмента по задним поверхностям	∆	O	O	O	-
Износ инструмента по передней поверхности	O	∆	∆	-	-
Выкрашивание или скалывание режущей кромки	O	O	O	-	-
Изменение формы стружки	-	∆	∆	O	∆
Образование нароста	∆	-	-	-	-

Таблица 6.1 – Силовые  диагностические признаки параметров состояния инструмента

   

    O – большая предполагаемая информативность;

    ∆  – меньшая предполагаемая информативность.

 

Конструкции датчиков, применяемых  для измерения сил резания, могут быть разнообразными. В датчиках обычно реализуются принципы электрических методов измерения неэлектрических физических величин.

Например, для измерения сил и моментов широко используются тензорезисторные (тензометрические) чувствительные элементы, которые изменяют свое электрическое сопротивление за счет приложенной механической силы. Такие датчики имеют простую конструкцию, обладают большим диапазоном измерения и обеспечивают необходимую точность измерения. Тензорезистор представляет собой электрический проводник в виде плоского витка тонкой проволоки, помещенной между двумя склеенными полосками бумаги или синтетической пленки (рис. 6.2).

Для измерении силы тензорезистор наклеивается на боковую поверхность детали, которая воспринимает силу и деформируется под ее воздействием, что вызывает изменение длины проволоки датчика на величину ∆l. Это влечет за собой изменение электрического сопротивления тензодатчика:

 

 

где S_E – чувствительность датчика.

 

6.2.2. Колебания  при резании

 

При резании возникают колебания различной частоты, амплитуды и интенсивности. Они оказывают влияние на процесс стружкообразования, качество обработанной детали и работоспособность РИ.

При определенных условиях резания  и значениях амплитудно-частотных  характеристик эти колебания  благоприятны, т.к. они облегчают  пластическое деформирование обрабатываемого  материала. В других интервалах этих характеристик – колебания могут привести к усталостному выкрашиванию режущей части инструмента, интенсивному изнашиванию, а иногда и к поломке.

Колебания используются для диагностирования состояния процесса резания и инструмента. Диагностика основана на измерении при резании параметров колебаний упругой системы станка в широком частотном диапазоне. Колебания условно разделяют на три диапазона частот:

• низкочастотный − частота до 1 кГц;
• среднечастотный – от 1 кГц до 50…80кГц (виброакустические колебания);
• высокочастотный – от 80 кГц до 100 КГц (акустическая эмиссия).

Источниками возбуждения низкочастотных колебаний упругой ТС являются различные периодические процессы:

• биение вращающихся тел (шпинделя, зубчатых колес и т.д.);
• прерывистость процесса резания (например при фрезеровании);
• периодичность образования стружки и нароста.

Источниками возбуждения виброакустических колебаний в среднечастотном диапазоне являются также периодичность образования элементов стружки, сложное фрикционное взаимодействие инструмента с обрабатываемом материалом и др.

Источником высокочастотных колебаний  являются процессы трения и деформирования.

Помимо того, что колебания используются в качестве диагностических признаков  состояния РИ, они могут являться признаками состояния технологического оборудования.

Колебания, возникающие при резании, регистрируются с помощью датчиков, основанных на использовании пьезоэлектрического эффекта. Датчик преобразует в электрический сигнал ускорение колебательных движений инструмента или той части станка, на которой он установлен. Датчик состоит из трех основных компонентов: корпуса, пьезоэлемента и так называемой «сейсмической массы» - груза.

Принципиальная схема датчика  показана на рис. 6.3.

 

ческого напряжения между противоположными гранями будет изменяться пропорционально ускорению колебательных движений, т.е. механические колебания будут отображаться колебаниями электрического тока. Регистрируется электрический сигнал с помощью измерительного комплекса 5.

Для получения информативного сигнала  колебаний важно правильно определить место установки датчика. Критерием правильности выбора места может быть наибольшая разница между уровнем сигнала в процессе резания и на холостом ходу станка.

Для преобразования и анализа электрического сигнала, отображающего колебательные  процессы, может быть использован  комплект типовой аппаратуры, структурная схема которого показана на рис. 6.4.

 

 

6.2.3. Электрические  явления при резании

 

Для диагностирования инструмента  предпочтительнее использовать сигналы тех физических эффектов, которые непосредственно сопровождают контактные процессы. К ним относятся сигналы электрических явлений при резании.

Для этого  измеряется ЭДС резания, генерируемая в зоне скользящего контакта РИ со стружкой и поверхностью резания заготовки.

Простейшая схема измерения  ЭДС известна из теории резания (рис. 6.5). Станок, например токарный, оснащается токосъемником, закрепляемым на задней части шпинделя и соединяемым с входом измерительного прибора Е с большим электрическим сопротивлением. Второй вход соединяется с инструментом. При этом электрическое сопротивление шпиндельных подшипников должно быть существенно больше сопротивления площадки контакта инструмента с обрабатываемой деталью. Надежность измерения  ЭДС снижается при