СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОБРАБОТКОЙ РЕЗАНИЕМ Российский патент 1997 года по МПК B23B1/00 

Изобретение относится к области обработки металлов резанием и может быть применимо в автоматизированном производстве.

Известен способ автоматического контроля и оптимизации процесса стружкообразования с помощью радиационного пирометра, регистрирующего амплитуду и частоту изменения температурных сигналов в зоне сдвигов [1] По анализу спектра температурных сигналов судят о частоте выступающих гребешков на свободной стороне стружки и типе стружки.

Недостатком метода является низкая точность определения типа стружки при обработке детали на реальных скоростях резания. Способ имеет ограниченные технологические возможности, поскольку может быть использован только для оптимизации резания по критерию получения благоприятной формы стружки.

Известен способ диагностики стружки, согласно которому с помощью чувствительного элемента тепловой радиации определяют направление движения и количество стружек, создаваемых в единицу времени [2] Управляющее устройство может быть запрограммировано для изменения условий обработки таким образом, чтобы получить легко удаляемую из зоны резания стружку. Недостатками способа являются низкая точность определения параметров схода стружки и ограниченные технологические возможности.

Известен способ диагностики состояния режущего инструмента по направлению схода стружки [3] В качестве датчиков направления схода стружки используют изолированные контактные элементы, устанавливаемые на передней поверхности инструмента. Недостатком способа является низкая точность определения величины угла схода стружки. Способ не может быть использован для диагностики формы стружки, что ограничивает его технологические возможности.

Перечисленные способы не позволяют получать полную и достоверную информацию о зоне стружкообразования и, следовательно, не могут эффективно использоваться для управления процессом резания в условиях автоматизированного производства. Основной причиной низкой точности и ограниченных возможностей известных способов управления резанием по виду стружки является отсутствие надежных косвенных признаков оценки геометрических характеристик сходящей с резца стружки. Исследования показывают, что ни один из параметров процесса резания (термо-ЭДС, силы резания, усадка стружки, сигналы акустической эмиссии и т.д.) самостоятельно не позволяют надежно характеризовать форму и тип стружки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ управления обработкой резанием, включающий изменение подачи инструмента в зависимости от вида стружки [4] Согласно способу устанавливают датчик температуры над передней поверхностью резца. Измеряют и запоминают температуру передней поверхности при отсутствии на ней стружки. При обработке детали измеряют датчиком температуру и сравнивают с ранее запомненной. В случае, если текущее значение температуры меньше ранее запомненного, увеличивают подачу для получения элементной стружки. Данный способ принят за прототип.

Недостатками способа являются низкая точность управления и ограниченные технологические возможности.

Низкая точность способа связана с рядом причин. Во-первых, образование хорошо удаляемой от станка стружки начинается при подачах существенно меньших тех, при которых стружка формируется в виде несвязанных между собой элементов, позволяющих измерять температуру передней поверхности резца. При резании пластичных материалов получить дискретную прерывистую стружку в реальном диапазоне изменения режимов резания часто просто невозможно. В то же время даже при слабой связи элементов стружки не удается точно определить температуру передней поверхности инструмента и использовать ее для управления резанием.

К дополнительным погрешностям определения вида стружки по тепловому излучению с помощью жестко установленного датчика приводит нестабильность угла схода и формы стружки в процессе резания. Более того, при определении вида стружки трудно учесть изменение температурного сигнала в результате прогревания обрабатываемой детали и инструмента, износа инструмента, изменения управляющей подачи.

Ограниченные технологические возможности способа проявляются в том, что он предназначен лишь для определения момента образования прерывистой стружки и не может быть использован для автоматического поддержания оптимальных условий обработки с точки зрения механики процесса резания в широком диапазоне изменения режимов.

Цель изобретения расширение технологических возможностей способа, повышение надежности и точности определения оптимальных условий обработки.

Цель достигается в результате того, что вид стружки определяют по геометрическим параметрам видеоизображения сходящей с резца стружки.

При этом для получения благоприятной формы стружки регулирование осуществляют в зависимости от типа стружки, который определяют по расстоянию между гребешками на свободной стороне стружки.

Для повышения стабильности и качества обработки управление резанием осуществляют путем регулирования технологических условий в зависимости от величины диапазона изменения кривизны стружки в процессе обработки с постоянными режимами.

По предлагаемому способу с помощью видеокамеры регистрируется само изображение сходящей с резца стружки и, следовательно, точность определения ее геометрических параметров зависит лишь только от точности технических средств фиксации и обработки этого изображения. При определении вида стружки по известному способу кроме погрешностей изменения температурного излучения стружки (как технических, так и технологических) точность управления зависит от степени соответствия измеряемых косвенных сигналов тем или иным параметрам стружки.

Явный способ регистрации изображения стружки позволяет максимально точно определить вид стружки и по ее геометрическим параметрам выбрать оптимальные условия обработки. За счет более надежного и точного определения условий обработки по форме стружки повышается эффективность управления обработки резанием.

Расширение технологических возможностей способа связано с тем, что по изображению стружки в процессе резания одновременно определяют несколько геометрических параметров: расстояние между элементами стружки f; радиус кривизны R; угол схода стружки (η); каждый из которых характеризует один из выходных параметров системы резания.

Например, величина f позволяет оценить степень сплошности стружки и начальный момент образования хорошо удаляемой от станка элементной стружки. Угол схода стружки тесно связан с оптимальными режимами резания, а его оптимальное значение соответствует условиям, при которых стойкость инструмента максимальна [5] По динамике изменения кривизны стружки в процессе резания судят о стабильности процесса стружкообразования и всего резания. Таким образом, в зависимости от потребностей производства могут быть решены задачи управления резанием по критериям максимальной стойкости инструмента, надежности обработки, получения БФС.

На фиг. 1 показана схема установки для управления токарной обработкой по виду стружки; на фиг. 2 изображение сходящей с резца стружки; на фиг. 3 - характер связи типа стружки с расстоянием между элементами стружки.

Способ осуществляют следующим образом.

Над передней поверхностью резца устанавливают видеокамеру. Определяют и запоминают оптимальные параметры вида стружки и характер их взаимосвязи с условиями резания. При обработке детали непрерывно регистрируют изображение сходящей с резца стружки, автоматически распознают геометрические образы стружки и детали, по которым определяют текущие значения информационных признаков вида стружки. Если их текущие значения не попадают в интервал оптимальных, то дается управляющая команда на изменение технологических условий резания для получения требуемых параметров. В процессе дальнейшей работы автоматически будут производиться аналогичные изменения и управляющие воздействия.

Способ реализуют на установке, основными компонентами которой являются металлорежущий станок 1, видеокамера 3, интерфейс ввода видеосигнала с телекамеры в ЭВМ 4, вычислительное устройство 5, устройство программного управления 6. В качестве электронно-вычислительного устройства могут быть использованы как стандартная ПЭВМ типа IBM PC/AT, так и специализированные системы обработки и анализа графической информации. Адаптер видеоввода выполняет функции аналого-цифрового преобразования видеосигнала с обеспечением прямого доступа к памяти ЭВМ. Устройство программного управления служит для изменения режимов резания в зависимости от характера сигнала управляющего воздействия.

Передачу и анализ видеоизображения стружки осуществляют следующим образом. В процессе механической обработки детали 2 на станке 1 с помощью видеокамеры 3 непрерывно регистрируют изображение сходящей с резца 7 стружки 8. Видеоизображение с помощью адаптера видеоввода 4 передают в память ЭВМ 5. Программное обеспечение ЭВМ анализирует введенную информацию и формирует решение о целесообразности влияния на процесс через изменение режимов резания. С этой целью распознают образы стружки 8 и детали 2, по которым определяют геометрические параметры схода стружки расстояние между элементами стружки f, радиус кривизны стружки в плоскости передней поверхности R, угол схода стружки n. Текущие значения параметров схода стружки сравнивают с оптимальными, после чего принимается решение об управляющих командах. В случае решения об изменении режимов в процессе резания определяют вид, направление и величину управляющего воздействия. Через интерфейс сопряжения информацию подают на блок связи с ЭВМ устройства программного управления 6, непосредственно влияющего на изменение режимов резания. Параметры и характер изменений регулируемых режимов резания, а также оптимальные значения формы стружки выбирают с помощью программных средств из предварительно сформированной базы данных ЭВМ. Создание базы данных осуществляют путем проведения предварительных исследований или путем использования известных экспериментальных данных. Для определения влияния режимов резания на характеристики схода стружки проводят обработку детали, поочередно изменяя один из режимов резания, получают стружку оптимальной формы, фиксируя при этом и запоминая величину соответствующего ей параметра стружки.

Выбор конкретных режимов управления диктуется задачами и условиями механической обработки. Например, для условий автоматизированной обработки в ряде случаев наиболее благоприятным типом стружки является элементный. Стружка такого типа состоит из отдельных элементов приблизительно одинаковой формы, не связанных или слабо связанных друг с другом. Степень сплошности стружки определяется количеством зазубрин (гребешков) на свободной поверхности стружки, приходящихся на единицу длины стружки. Чем больше количество гребешков, тем более однородна структура стружки и тем прочнее связь между ее элементами. И наоборот чем реже расположены элементы на стружке, тем слабее связь между ними и, следовательно, выше вероятность дробления стружки на части. Минимальное расстояние между элементами стружки f в диапазоне его значений, при которых образуется хорошо дробящаяся элементная стружка, является оптимальным расстоянием f_опт. Условия резания, при которых формируется стружка с f>f_опт, соответствуют оптимальным условиям с точки зрения получения благоприятной формы стружки. Характерная связь типа стружки с расстоянием между элементами стружки проиллюстрирована на фиг. 3.

Количественное значение f_опт определяют с помощью специальных исследований. С этой целью проводят обработку детали, изменяя режимы резания, получают легко управляемую элементную стружку, фиксируют и запоминают соответствующее ей оптимальное расстояние f.

При управлении резанием по типу стружки видеоизображение зоны схода стружки используют для определения текущего значения f. Если же значение не соответствует элементной стружке, дается управляющая команда на изменение технологических условий с целью увеличения f. Выбор параметра управления и ее величины осуществляют в зависимости от условий обработки. При обработке углеродистых и легированных сталей элементный тип стружки обеспечивается за счет понижения значения переднего угла инструмента, уменьшения скорости резания и увеличения подачи, при точении жаропрочных никелевых и титановых сплавов за счет повышения скорости резания и подачи и снижения значения переднего угла резца [6] В наибольшей степени на величину f оказывает влияние подача s.

Более сложный случай управления резанием имеет место, когда условия обработки не позволяют получать элементную стружку. Тогда регулирование параметрами резания сводится к обеспечению устойчивого завивания или дробления стружки с постоянными значениями ее геометрических параметров. Наиболее чувствительным признаком, характеризующим стабильность процесса образования и схода стружки, является ее кривизна 1/R. Резкое изменение радиуса кривизны стружки R в процессе резания свидетельствует об изменении условий деформации срезаемого слоя, что может быть вызвано неравномерным износом режущего клина инструмента, выкрашиванием режущей кромки, сильными механическими воздействиями со стороны элементов системы СПИД, изменением механических свойств обрабатываемого материала и т.д. Все эти факторы приводят к уменьшению стабильности резания и надежности работы оборудования. Переменная по кривизне, путаная стружка сама по себе является сильным дестабилизирующим фактором процесса резания. Образование путаной сливной стружки с переменной кривизной приводит к преждевременному износу и поломке инструмента, порче обработанной поверхности детали, создает препятствие для перемещения узлов станка и оперативного контроля процесса резания.

Таким образом, при формировании сливной стружки в качестве параметра оптимизации по критерию стабильности обработки наиболее эффективно использовать величину разброса кривизны стружки. С этой целью с помощью видеокамеры непрерывно регистрируют процесс схода с резца стружки при установившемся резании на выбранных режимах. По образу стружки с помощью ЭВМ периодически с интервалом
t=s/v,
где s подача на оборот, мм/об;
v скорость резания, м/с,
рассчитывают значение R и сравнивают с ранее замеренными. По максимальной величине измерения R судят о стабильности процесса стружкообразования, а по динамике изменения диапазона разброса R при резании о технологических способах воздействия на ее величину. Степень рассеивания R оценивают по размаху r R_max R_min или относительному изменению
dR [( R_max R_min)/ R_min]•100%
где R_max, R_min максимальный и минимальный радиусы кривизны стружки, образованной в течение резания с постоянными режимами. Повышение некоторого критического диапазона разброса R приводит к образованию путаной стружки с последующим сбоем нормальной работы оборудования. Чем меньше разброс R, тем выше стабильность процесса резания и надежность обработки. Максимальное значение диапазона разброса кривизны стружки R, за пределами которого образуется неуправляемая путаная стружка, зависит от условий резания. Количественное значение критического разброса R определяют с помощью предварительных экспериментов. При обработке большинства конструкционных сталей с формированием сливной стружки стабильность резания обеспечивается при значениях dR < 200% Управление величиной dR непосредственно в процессе резания осуществляют путем изменения режимов s, t, v. Для повышения стабильности процесса стружкообразования увеличивают подачу s, уменьшают скорость резания v, увеличивают соотношение t/s. Если изменение режимов резания не приводит к уменьшению dR, обработку прекращают, после чего подают сигнал на смену инструмента с отличного от предыдущего геометрией передней поверхности. Стабильность повышается при использовании резцов с фасонной передней поверхностью и увеличенными значениями передних углов.

Сравнительный анализ различных способов управления резанием показывает, что в отличие от известных предлагаемый способ позволяет управлять процессом резания по нескольким критериям оптимизации. При этом точность определения оптимальных условий обработки повышается за счет явного способа регистрации изображения схода стружки.

Использование: область обработки металлов резанием. Сущность изобретения: вид образующейся при резании стружки оценивается по видеоизображению, регистрируемому видеокамерой, установленной над передней поверхностью инструмента. При этом с целью получения благоприятной формы стружки регулирование осуществляют в зависимости от типа стружки, который определяют по расстоянию между гребешками на свободной стороне стружки. С целью повышения стабильности и качества обработки управление резанием осуществляют путем регулирования условий в зависимости от величины диапазона изменения кривизны стружки в процессе обработки с постоянными режимами. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления обработкой резанием по виду стружки, включающий определение оптимальной величины информационного признака, компьютерный анализ текущего значения информационного признака, регистрируемого над передней поверхностью инструмента в процессе резания, изменение режимов обработки, отличающийся тем, что вид стружки определяют по геометрическим параметрам видеоизображения сходящей с резца стружки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулирование условий резания осуществляют в зависимости от типа стружки, который определяют по расстоянию между гребешками на свободной стороне стружки. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулирование условий обработки осуществляют в зависимости от величины нестабильности кривизны стружки в процессе обработки с постоянными режимами.