Способ автоматического управления процессом резания Советский патент 1979 года по МПК B23Q15/00 

1

Изобретение относится к автоматическому уиравлению процессом резания при обработке металлов. Наиболее целесообразно использование предлагаемого способа на тяжелых токарных, расточных, фрезерных и др. станках при черновой обработке.

Известные способы управления процессом резания путем изменения регулирую щих воздействий, обычно величины подачи или (и) скорости резания, в зависимости от изменений условий обработки, не учитывают совместного влияния на ирочиость «слабого звена и всей системы СПИД трех основных факторов - нагрузки, темиературы и времени работы звеньев механической системы в переменных условиях.

Известен и широко примеияется способ автоматического управления процессом резания при черновой обработке 1, при котором, с целью нредохранения звеньев системы СПИД, чаще всего инструмента, от поломки, измеряют нагрузку (усилие резаиия, крутящий момент, мощность), сравнивают ее с заданным значением и изменяют управляющие параметры, например подачу, так, чтобы обеспечить их стабилизацию 1J.

Величину уровня стабилизации выбирают исходя из предела прочности слабого звена, в качестве которого принимаются внутренние напряжения, соответствующие разрущению твердого тела. Уровень усилия или другого силового иараметра задается постоянным и выбирается при заранее известных, резко отличных друг от друга, условиях обработки.

Однако последние исследования в области физики твердых тел и экспериментальные нсследования режущего инструмента в производственных условиях 2 показали,

что предел прочност, в качестве которого принимается напряжение, соответствующее разрущению твердого тела, не является реальной физической характеристикой прочности. В качестве меры прочностных свойств должси выбираться срок службы тела под нагрузкой, т. е. время пребывания тела в напряженном состоянии от момента нагружения до разрущения. Для конкретного тела он будет

зависеть от величины виутренних напряжений, иоявляющнхся под действием иагрузки, от времени их действия и температуры тела.

Поэтому в ряде случаев этот способ стабилизации нагрузки, целью которого является предохранение инструмента от поломки без учета указанных факторов, не дает ожидаемого эффекта. Так, при черновой обработке крупногабаритных изделий, чаще

всего поковок, на тяжелых станках при

больших колебаниях нагрузок в течение оборота изделия (зачастую происходит «резание воздуха) в качестве стабилизируемого параметра выбирают либо среднее за оборот Щ1шнДеля значение силы резания (мощности), максимальное за оборот значение. В первом случае не учитываются кратковременные опасные перегрузки, которые могут привести к поломке инструмента, что заставляет значительно снижать уровень стабилизируемой величины с учетом возможных появлений перегрузок, тем самым сознательно уменьшать эффективность протекания процесса резания. Управление по максимуму за оборот более эффективно, но без учета характера изменения условий обработки в течение оборота изделия, а следовательно, и характера изменения силы не позволяет в достаточной мере оценить интенсивность работы системы СПИД.

Оба способа управления, по среднему значению нагрузки и по максимуму за оборот шпинделя, предполагают прочность звеньев системы СПИД неизменной и не учитывают влияния на нее времени действия нагрузки и температуры. Это приводит к тому, что известные способы управления процессом резания не позволяют определить срок службы звеньев системы СПИД и обеспечить его постоянство путем изменения регулирующих параметров процесса.

Целью изобретения является обеспечение постоянного срока службы режущего инструмента и элементов станка и повышение эффективности их использования.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе автоматического управления процессом резания путем изменения параметров, характеризующих этот процесс (например, подачи), на основании обработки результатов измерения текущих значений, нагрузки и температуры, преобразуют измеренные значения в параметр, характеризующий скорость разрыва межатомных связей материала и инструмента за период одного оборота шпинделя и по полученному значению изменяют режим обработки, обеспечивая стабилизацию скорости разрыва межатомных связей на заданном уровне.

Согласно теории, подтвержденной промышленными исследованиями, сущность механизма разрушения составляет процесс накопления разорванных межатомных связей, следовательно, количество разорванных за один оборот изделия или режущего инструмента межатомных связей в «опасном сечении «слабого звена, чаще всего инструмента, может служить мерой интенсивности влияния нагрузки и температуры на срок службы и является наиболее важным параметром процесса. Численное значение этого параметра за время, равное периоду вращения щпинделя, равно средней скорости разрыва межатомных связей и характеризует степень снижения срока сл)жбы «слабого звена за этот период времени. Поддержание его на заданном уровне сохраняет постоянную по длине изделия интенсивность работы режущего инструмента, обеспечивая тем самым оптимальный (заданный) срок службы.

На фиг. 1 графически показан способ учета характера изменения силового параметра в течение одного оборота для определения количества разорванных межатомных связей; на фиг. 2 - возмолсный характер распределения внутренних напряжений в резце в течение оборота изделия или режущего инструмента.

Известно, что срок службы т твердых тел связан с внутренними напряжениями а, возникающими в режущей пластине в результате действия сил резания, и температурой инструмента Т° следующим соотношением

t :; TO exp

krгде TO, и, 7, k - постоянные величины, зависящие от физических и механических свойств материала инструмента.

Допуская, что за срок службы инструмента происходит полный разрыв (100%) межатомных связей, т. е. наступает разрушение, можно определить необходимый процент разорванных связей за один оборот изделия при равномерной по длине изделия загрузке режущего инструмента, а по нему- среднюю за оборот скорость разрыва межатомных связей, %

vl (1)

m-n-Tf.,-To

где т - заданное количество переточек инструмента;

п - скорость вращения детали или инструмента, об/мин;

Гс - заданный срок службы инструмента, мин;

Го - время одного оборота детали или инструмента, мин.

Разбиваем время одного оборота

п

на М равных элементарных временных интервалов /г (, 2,..., М) (см. фиг. 1). Каждому значению а,-, определяемому усилием резания, и температуры 7J соответствует определенный срок службы

Т; :: TgeXp- ° . k-Ti

Тогда за каждый интервал времени ti количество разорванных связей, % будет

А. 100, 1

Суммируем значения -фг в пределах одного оборота изделия или инструмента и онределяем фактическую среднюю за оборот скорость разрыва межатомных связей, %:

М

У1 1

100.

Способ управления процессом резания заключается в поддержании значения V-, определяемого из выражения (2), на уровне 1, заданного согласно выражению (1).

Таким образом, предложенный способ управления процессом резания при черновой обработке сводится к непрерывному измерению текущих значений силы резания (а по ней - внутренних напряжений) и температуры режущего инструмента, определению Уф и обеспечению необходимого условия равномерного разрушения тела 1/.;,г1/ путем изменения величины подачи. Управление можно обеспечить и путем одновременного изменения скорости подачи и резания.

Предложенный способ автоматического управления процессом резания может быть реализован посредством системы управления, содержащей датчик нагрузки и датчик температуры, выходы которых соединены с функциональным преобразователем, реализующим зависимость текущего срока службы «слабого звена от мгновенных значений измеряемых параметров. С выхода функционального преобразователя сигнал, равный , должен поступать на интегратор с периодом интегрирования, равным времени одного оборота щпинделя. Полученное значение V 6 обычным образом сравнивается с заданным значением У.,, и посредством установочного звена меняются подача или (и)

скорость резания таким образом, чтобы обеспечить условие Уб К

Очевидно, что, по сравнению со способом стабилизации максимума нагрузки за оборот, либо ее среднего за оборот значения (см. фиг. 2), предлагаемый способ позволяет получить постоянную выбранную заранее интенсивность протекания процесса резания, а следсГвательно, и постоянный срок

службы инструмента и узлов станка в указанных технологических условиях, что повышает эффективность использования системы СПИД.

Формула изобретения

Способ автоматического управления процессом резания, предусматривающий изменение режимов обработки на основании обработки результатов измерения текущих значений нагрузки и температуры в зоне обработки, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности использования режущего инструмента, измеренные

значения нагрузки и температуры преобразуют в параметр, характеризующий скорость разрыва межатомных связей материала и инструмента за период одного оборота шпинделя, и по полученному значению изменяют режим обработки, обеспечивая стабилизацию скорости разрыва межатомных связей на заданном уровне.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Каминская В. В. Направление развития адаптивных систем управления для станков с ЧПУ. - Станки и инструменты, 1973, № 3, с. 3. 2. Хает Г. Л. Прочность режущего инструмента. М., «Машиностроение, 1975.