УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ РЕЖУЩЕЙ ЧАСТИ ИНСТРУМЕНТА Российский патент 1996 года по МПК B23B25/06 

Предполагаемое изобретение относится к станкостроению и может быть использовано для определения состояния режущего инструмента в процессе резания на металлорежущем станке.

Созданием устройств для диагностирования износа режущей части инструмента занимаются такие европейские фирмы как Promess, Prometec, Krupp Widia, Sandvik Coromannt, Wibra, японские Fanuc, Niigata, Osaka Kiko, Mitsui Seiki, Hitachi Seiki и др.

Известно устройство для диагностики износа инструмента при торцевом фрезеровании методом акустической эмиссии, содержащее пьезопреобразователь, размещенный на столе фрезерного станка и преобразующий ультразвуковые (УЗ) колебания, возникающие в зоне резания при фрезеровании [1] При износе, т.е. при притуплении режущей грани инструмента при прочих неизменных условиях, возрастают усилия резания, что приводит к изменению спектрального состава и амплитуды составляющих акустической эмиссии УЗ колебаний, которые затем преобразуются пьезопреобразователем в последовательности электрических сигналов.

По мнению авторов [1] анализируя эту последовательность, можно выделить именно те параметры, которые позволяют судить об износе режущей части инструмента.

Однако, изменения усилия резания зависят от глубины и скорости резания, от неизотропности материала обрабатываемой заготовки и, следовательно, эти параметры, по которым авторы [1] пытаются оценить износ режущей части инструмента, не имеют достаточно прямой зависимости от износа.

По указанию авторов известного устройства [1] достоверность определения износа в этом случае не превышает 70% Следовательно, недостатком известного устройства является невысокая достоверность количественной оценки степени износа режущей части инструмента, (например, притуплений инструмента хотя бы по величине лыски на задней грани инструмента), что, естественно, снижает эффективность использования устройства и производительность станка.

Известно также устройство для определения износа режущей части инструмента фирмы "BRANKAMP" [2] Это устройство основано на измерениях усилий резания с помощью магнитно-индуктивных датчиков, встраиваемых как правило в какие-либо звенья механических передач от главного привода к шпинделю станка. Изменение усилий резания, как было выше отмечено, является косвенным параметром для того, чтобы достоверно определять величину износа.

Основным недостатком этого устройства является также невысокая достоверность определения износа.

Известно устройство [3] наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому. Это устройство выбрано в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит пьезопреобразователь (приемник УЗ колебаний), установленный на наружной поверхности кольца гидродинамического подшипника, охватывающего шпиндель, причем на этой же поверхности выполнены плоскости, предназначенные для установки дополнительных преобразователей акустической эмиссии.

Дополнительный преобразователь может быть включен излучателем УЗ колебаний. Следовательно, с помощью этого преобразователя можно создавать в теле шпинделя (скалки) акустические колебания, которые будут распространяться во всех направлениях по шпинделю, в том числе и к образуемой по мере износа инструмента в процессе резания лыски на задней грани режущей части инструмента. Отражаясь от этой лыски, часть энергии этих колебаний возвратится обратно и попадет, в том числе, и на упомянутый приемник акустических колебаний, где они преобразуются в последовательность электрических сигналов, на фоне которой можно выделить часть сигнала, отраженную от лыски, возникшей в результате притупления. Это очень малая часть общего сигнала, но она несет прямую информацию (к о л и ч е с т в е н н у ю) о величине износа режущей части инструмента.

Недостатки обусловлены, во-первых, тем, что конструкция прототипа предусматривает установку дополнительного преобразователя с одной стороны от зоны резания только в шпиндельном узле, и эти, во-вторых, объясняется сложность преодоления большого фонового сигнала, идущего к приемнику от расположенного в непосредственной близости излучателя. В-третьих, как показала практика, особая сложность возникает из-за того, что по пути к лыске, расположенной на задней грани инструмента, колебания излучателя отражаются также от других деталей, например, от полого шпинделя, взаимодействующего со скалкой. Причем координаты во времени точек отражения от этих деталей по мере перемещения скалки внутри полого шпинделя изменяются по отношению к приемнику. Таким образом малый сигнал, несущий полезную информацию подвергается случайному непредвиденному воздействию.

Следовательно, недостатком прототипа является малая достоверность (около 80%) определения износа.

Технический результат достоверность определения степени износа инструмента.

Технический результат достигается за счет введения дополнительных пьезопреобразователей, размещения излучателей и приемников по разные стороны относительно зоны резания, а также подбора преобразователей по идентичности геометрических размеров поскольку:
во-первых, акустические колебания проходят сквозь зону резания, через режущую грань инструмента и от площади притупления (износа) инструмента зависит амплитуда сигнала этих колебаний на приемнике;
во-вторых, геометрические размеры определяют частоты излучения и приема, подбор комбинаций излучатели-приемник и приемники излучатель и размещение приемников или излучателей определенным образом относительно друг друга в комбинации обеспечивает такую суперпозицию стоячих акустических волн, которая приводит к усредненному сигналу, наиболее полно и без помех отображающему степень притупления инструмента.

Ниже приведен пример конкретной реализации предлагаемого устройства для диагностирования режущей части инструмента.

На фиг.1 схематически представлено предлагаемое устройство.

На фиг. 2 схематически изображен расточный резец с лыской притупления (износа) на задней грани.

Предлагаемое устройство рассматривается на примере функционирования расточного станка.

В шпиндельном узле 1 (фиг.1) размещается шпиндель (скалка) 2. Крепления скалки 2 и полого шпинделя 3 в опорах внутри шпиндельного узла 1 не показаны. В скалке 2 закреплена оправка 4, в которой, в свою очередь, закреплен расточный резец 5. Обрабатываемое изделие 6 закреплено на столе 7 расточного станка.

На невращающихся кольцах 8 (на фиг.1 крепление колец не показано) гидродинамических подшипников закреплены пьезоэлектрические преобразователи 9, 10, 11, 13 и 14. На столе станка расположены преобразователи 15, 16, 17, 18 и 19.

На фиг.2 укрупненно показано тело 20 резца 5, режущая грань вставки 21 и лыска 22 износа инструмента.

Устройство работает следующим образом.

Возникающие в процессе резания в зоне резания колебания акустической эмиссии (АЭ) попадают в шпиндельный узел 1, распространяются вдоль скалки 2, как правило, не рассеиваясь в полом шпинделе 3. Эти колебания достигают преобразователя 9 (фиг.1).

Преобразователь 9 в пределах своего частотного диапазона воспринимает УЗ колебания АЭ и преобразует их в эквивалентную последовательность электрических сигналов.

По мере притупления режущей грани резца 5 увеличивается площадь лыски 22 (фиг.2), увеличиваются усилия резания, увеличивается количество энергии, рассеиваемой в зону резания, соответственно увеличивается (изменяется) амплитуда и, в известной мере, частота колебаний АЭ.

В процессе притупления среднее значение амплитуды последовательно сравнивается с определенными значениями шкалы притуплений (набор специально сформированных уровней напряжений, с которыми сравниваются преобразованные в напряжения сигналы АЭ) и соответственно по шкале определяется степень износа инструмента. Естественно, если в процессе регистрации износа изменяется скорость, глубина резания, а материал обрабатываемого изделия неизотропен по твердости, это немедленно сказывается на показаниях, и вносит существенную погрешность.

Поэтому используется комбинация, в частном случае пара излучатель 10, приемник 15. УЗ колебания от 10 распространяются по скалке 2, цилиндрическое тело которой представляет в этом случае достаточно хороший волновод, попадают в оправку 4, представляющую собой не менее хороший волновод, проходят резец 5 с асимметричной конфигурацией, рассеивающей акустические колебания во всевозможных направлениях, и через плотный акустический контакт, всегда существующий именно в процессе резания, поступают в обрабатываемое изделие 6.

Плотный акустический контакт между лыской 22 (фиг.3) и изделием 6 (фиг. 1) автоматически осуществляется в пределах площадки износа режущей части инструмента. Следовательно, количество энергии УЗ колебаний, проходящих в изделие 6 по указанному пути, пропорционально величине площади износа режущей части инструмента. Распространяясь произвольным образом по изделию 6, отражаясь от многочисленных граней и образуя малопредсказуемые стоячие волны, колебания достигают приемника 15, в зоне которого также могут возникнуть стоячая волна вдоль направления оси растачивания, изменяющая свою фазу по мере продвижения резца 5 вдоль этой оси растачивания в изделии 6.

Следовательно, напряжение преобразованных колебаний будет меняться от некоторого максимума до минимума по мере перемещения в пределах четверти длины волны колебания.

На частоте, существенно отличающейся от частоты функционирования пары 10 и 15, работает другая комбинация излучатель-приемник на преобразователях 11 и 18 соответственно. Причем желательно, чтобы отношение частот, на которых функционируют эти комбинации, представлялось бы иррациональным числом, но если этому препятствуют, например, геометрические размеры пьезоэлемента, которые полностью определяют его собственную частоту, то необходимо, чтобы отношение выражалось числом с дробной частью во избежание возникновения генерации на гармонической составляющей любого из приемников. Желательно также разнесение в пространстве друг от друга как излучателей, так и приемников, чтобы обусловить затухание более высокой частоты на большем пути. Другими словами, следует располагать преобразователи, функционирующие на меньших частотах, далее, чем преобразователи, функционирующие на более высоких частотах. Существенно и обратное направление распространения УЗ-колебаний, т.е. от преобразователя 17 (излучателя), размещенного на столе, к преобразователю 12 (приемнику), находящемуся в шпиндельном узле (преобразователями 12 и 17 образована третья комбинация).

Если эта пара преобразователей 17 и 12 функционирует на той же частоте, что и пара преобразователей 10 и 15, то практика показала малую вероятность, чтобы фазы стоячих волн в зонах преобразователей 12 и 15 синхронно в пространстве и времени совпадали, а следовательно, в какой то мере повышается достоверность измерений за счет исключения влияния стоячих волн.

Дополнительный эффект достигается путем подбора комбинаций преобразователей более чем по два, функционирующих на одной и той же частоте.

Например, если в случае рассмотренного выше расточного станка используются комбинации преобразователей 10, 15, 16 или 11, 18, 19 и 17, 12, 14 и, если приемники расположены вдоль оси распространения колебаний, то при наличии в зоне этих приемников стоячих волн один из преобразователей-приемников 15 и 16 и аналогично 18 и 19 окажется сдвинутым по фазе колебания на четверть периода, и среднее значение измеряемой за период величины окажется относительно стабильным и зависящим только от величины площади лыски 22 (фиг. 2). Следует обратить внимание на то, что лыска 22 имеет треугольную форму. Практика показала, что в абсолютном большинстве случаев форма лыски имеет именно такой вид, как на фиг.2.

Сопоставление измерений, полученных в каждом отдельном случае при использовании всех частных комбинаций преобразователей, позволяет избежать погрешности измерений каждого из случаев по отдельности. Совокупный результат измерений количественно практически абсолютно точно отражает степень притупления инструмента по площади лыски на задней грани режущей части инструмента.

Существуют и некоторые другие помехи, которые следует преодолеть во избежание погрешностей измерения. К этим помехам относятся помехи возникающие, например, при сверлении. Обусловлены эти помехи тем, что спиральные полости между сверлом и обрабатываемым изделием заполнены стружкой неравноплотно забивающей эти полости, что приводит к переменному, прерывному акустическому контакту между сверлом в зоне упомянутых полостей и изделием. При хорошем усреднении во избежание влияния этого обстоятельства следует внести некоторые коррективы в формирование шкалы напряжения в сторону повышения значений шкалы. Аналогичное следует применять при фрезеровании концевыми фрезами малых диаметров, с тем отличием, что полости между режущими частями фрезы забиты меньше, чем при сверлении, особенно при глубоком сверлении, и поэтому коррекция менее затруднительна, а результирующая точность отсчета много выше. Влияет также и сливная стружка, при расточке вязких сталей, которая плотно заполняет лунку, если таковая имеется, или прилегает к передней грани резца, образуя прерывистый акустический контакт. Методы борьбы с этими шумами аналогичны описанным, с той разницей, что необходимо принимать во внимание вязкие свойства обрабатываемого материала.

Достоинством предлагаемого устройства является возможность сопоставления качественных результатов измерения, полученных путем анализа состояния режущей части инструмента с разных сторон от зоны резания, и количественного определения величины площади притупления (лыски), образованной на задней грани режущей части инструмента в процессе резания на металлорежущем станке.

Работа предлагаемого устройства опытно проверена на станке-стенде в лабораторных условиях и полностью подтвердила все изложенные выше ожидания разработчика. Была получена практически прямая пропорциональность между измеренной предлагаемым устройством и фактически измеренной с помощью оптических средств площадью притупления задней грани инструмента. Разброс показаний оказался в пределах не превышающих плюс минус 15% Можно утверждать, что отсчет начинается от величины "а" (фиг.2) не более 0,15 мм. При "а", превышающей 3,5 мм, начинается активный процесс трещинообразования и выкрашивания режущей части инструмента, который сразу же фиксируется устройством для регистрации указанных величин (не показано), параллельно подключенным (не показано) к приемнику 9 (фиг.1) сигналов АЭ.

Использование: область станкостроения. Сущность изобретения: устройство для диагностирования содержит пьезоэлектрические преобразователи, выполненные в виде не менее одной комбинации излучатель - приемник с возможностью размещения излучателя и приемника по разные стороны зоны резания, при этом размеры и форма излучателя и приемника в комбинации идентичны. Количество преобразователей одного вида в комбинации выбрано не менее двух, при этом расстояние между преобразователями одного вида по одну сторону зоны резания определяется в зависимости от длины волны ультразвуковых колебаний. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для диагностирования режущей части инструмента, содержащее пьезоэлектрические преобразователи, отличающееся тем, что пьезоэлектрические преобразователи скомпонованы в виде не менее одной комбинации излучатель - приемник с возможностью размещения излучателя и приемника по разные стороны зоны резания, при этом размеры и форма излучателя и приемника в комбинации идентичны. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество преобразователей одного вида в комбинации выбрано не менее двух, при этом расстояние S между преобразователями одного вида по одну сторону зоны резания определяется по зависимости
S (n + 0,25)l,
где l длина волны ультразвуковых колебаний;
n целое число.