Способ управления обработкой резанием Советский патент 1992 года по МПК B23Q15/00 

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 функциональных возможностей за счет проведения экспресс-оценки в процессе резания с учетом индивидуальных особенностей и состояния технологической системы (ТС) в ос- нову формирования диагностических признаков и полезного сигнала положена

классическая особенность поэтапного формирования фрикционного контакта инструмент - деталь на стадии врезания инстурмента в деталь с момента его касания до разрушения фрикционных связей с образованием стружки при врезании в деталь.

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 зоны резания при возрастающей во времени подаче, а по минимуму

сл

г-А

значения общего уровня виброакустического сигнала определяют оптимальную подачу. Таким образом минимуму виброакустического сигнала при заданных скорости и глубине резания соответствует минимум шероховатости и максимальная точность обработанной поверхности, а также максимальная стойкость резца.

Однако данный способ не учитывает индивидуальных особенностей динамическо- го состояния ТС и физико-механических свойств материалов инструмента и детали, так как виброакустический сигнал, генерируемый в зоне резания, представляет собой широкополосный стохастический (случай- ный) процесс, спектр которого изменяется в зависимости от режимов резания и динамического состояния технологической системы станка. Вследствие этого, в частности, при прецизионном точении нет однознэч- ной зависимости между общим уровнем виброакустического (ВА) 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 обрабатываемой поверхности и стойкость режущего ин- стру мента.

Целью изобретения является повышение точности и качества обрабатываемой поверхности путем оптимизации режимов резания при прецизионной обработке за счет экспресс-оценки, учитывающей индивидуальные особенности динамического состояния технологической системы станка и физико-механические свойства материалов инструмета и детали.

На фиг.1 представлены некоторые типичные зависимости автокорреляционной функции для процессов различного вида; на фиг.2 - блок-схема системы контроля динамических характеристик резания для реали- зации способа оптимизации процесса резания1; на фиг.З - зависимости качества обрабатываемой поверхности (шероховатость Ra) от скорости резания и вылета резца, а также соответствующие интегральные оценки автокорреляционной функции (АКФ) виброакустического сигнала.

Сущность способа заключается в том, что каждому технологическому режиму обработки соответствует определенны ха- рактер колебательных процессов в зоне резания, который определяется динамикой взаимодействия резца с.деталью При этом, считая процесс резания при неизменном технологическом режиме в течение некоторого 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 автокорреляционную функцию процесса можно записать в виде

RXX(T) :Ј (t)+s(t)Ia(t+ r) + s(t+ r)d (2)

1 о

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

Rxx(t)Raa( r) + Rss(r)(3)

Если

a(t) A (o)),(4)

то

Raa(r ) ---COS О) Г,

(5)

оо

Z Ак sin (WK t +0k ), где к 1

.2

-j-COSOkT.

(6) (7)

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 интегральных методах (3)

I- (r) + ai R2xx(r) + 02 R2xx(r)dT,

о

(8) Где en , cti- весовые коэффициенты;

О, t - отрезок времени, на котором производится интегрирование;

Rxx( г), R хх( т), Rxx( т) - автокорреляционная функция и ее первая и вторая производные соответственно.

Предположим зарегистрированы два процесса

ai(t) Aisln( col ),

32(t) A2Sln( (O t -f (pi ),

причем A2 Ai,

A

2

A

COS (О Т ,

cos otr,

следовательно и интегральные оценки предлагаемого вида за равные промежутки времени будут различаться, а именно: во втором случае будут больше, так как А2 А1, т.е. указанные оценки наряду с частотными свойствами характеризуют амплитуду (уровень) ВА сигнала ,

На фиг.1 представлены некоторые, типичные графики R( r } для разного вида колебательных ВА процессов (4). Случай, изображенный на фиг.1 а, соответствует од- ночастотному гармоническому процессу, при котором технологическая система находится в автоколебательном режиме (процесс резания неустойчивый), что является всегда нежелательным явлением, так как качество обработанной поверхности при этом наихудшее и имеет место повышенной износ и выкрашивание режущей части инструмента вследствие высокого уровня его колебательной скорости и перемещения относительно заготовки.

Автокоррелограмма на фиг 16 соответствует виброакустическим колебаниям в виде 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(r) 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 г соответствует 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 инструмент находится с точки зрения стойкости в более благоприятных условиях, что является предпочтительным. В связи с указанным идеальным процессом резания исходя из условия формирования максимально тон(12)

кой микроструктуры получаемой поверхности и стойкости режущего инструмента следует считать процесс, при котором виброакустические колебания в зоне резания 5 представляют собой максимально широкополосный в область высоких частот случайный шум, автокорреляционная функция R( r которого имеет вид. изображенный на фиг.1 д.

10 Из свойства автокорреляционной функции (4) следует, что ее значение R(o) при временном сдвиге г О, численно равно дисперсии стационарного процесса, поэтому измеряя R( г) при г- 0 получаем харзк15 теристику размаха виброакустических колебаний, который соответствует амплитудным свойствам формируемой поверхности.

Таким образом, наиболее тонкую

20 структуру поверхности, характеризуемую ее шаговыми свойствами, можно получить, реализуя процесс с автокорреляционной функцией риброакустических колебаний зоны резания, представленной на фиг.1 д, а ми25 нимум амплитудных свойств формируемой поверхности соответствует минимальному значению R( т) при г 0. Эти два условия соответствуют также максимальной стойкости режущего инструмента.

30 Предпочтительный вид процесса определяют варьированием технологических ре- жи нов: скорости резания и вылета резца во время проведения кратковременных стандартных испытаний - пробных проходов.

35 При этом в режиме прецизионного точения подача, определяемая микрорельефом обработанной поверхности, и глубина резания, зависящая от величины дефектного слоя от предыдущей обработки, являются

40 заданными величинами.

Из этого следует, что оценку процесса резания по автокорреляционной функции виброакустических колебаний, характеризующей динамическое состояние ТС станка,

45 можно получить подсчитав площадь, отсекаемую графиком функции (фиг.1) от оси времени за одинаковый промежуток времени, т.е.е используя интегральную оценку вида:

50т

fi(s)- /IR()t dr(13)

или

о Т

l2(s)- /R(T)dr о

(14)

где h(s), te(s) - интегральные оценки автокорреляционной функции;

О, Т - интервал времени вычисления R( г), при этом автокорреляционная функция вычисляется в абсолютных значениях виброперемещения (s).

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

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

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит (фиг.2) пьезоэлек- трический акселерометр 1, который устанавливают как можно ближе к зоне резания, например на резцовом блоке. В качестве акселерометра 1 использован датчик ДН-3, входящий в комплект измерителя шума и вибраций (ВШВ-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 микроЭВМ 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 из алюминиевого сплава АК4Т твердосплавным резцом ВК8, п: 9°, у 40°; р 48°; р 42°; подача Зоб 3 мкм/об, глубина резания t 30 мкм, скорость резания V 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.З. С по- мощьк крррелломётра Х6-4 -определяют АКФ для каждого значения V. Далее мик- роЭВМ в реальном масштабе времени рассчитывает и строит кривую интегральных оценок l(s) массива АКФ (фиг.З), по.минимуму которой определяет оптимальные скорость резания и вылет резца. Для данных пар материалов и режимов АК4Т и ВК8; Зоб 3 мкм/об и t 30 мкм, для вылета резца

мм оптимальной является (рис.3 a); V0 243 м/мин (по 1250 об/мин), при которой шероховатость Ra 0,15 мкм.

На фиг.36 показаны зависимости шероховатости поверхности Ra. общего уровня

вибраций а и интегральной оценки I(S) от вылета резца для тех же материалов детали и инструмента, S06 и t, что и в первом случае. Оптимальным значением вылета резца является 10 « 20 мм при п 1600 об/мин.

Общий уровень виброускорения (а) возрастает, в то время как зависимость Ra 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-приспособление- инструмент-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, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности и качества поверхности обрабатываемых деталей, режимы обработки назначают по ми- нимальному значению интегральной

оценки автокорреляционной функции виброакустического сигнала зоны резания, полученному при проведении пробных проходов с варьированием одного из параметров технологического режима резания.

j. r

Т Времз

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 опред- ляют оптимальный режим прецизионной обработки. 3 ил.

1 W

tez/

Фиг. 2.

SCO ЮОО WO П0 UOO 1600

СкОрЈ Сгг Ь (,eHcjQ Ui/we)

,

ФигЗ