Дослідження надійності твердосплавних пластин для токарних різців з надтвердих матеріалів

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра «Технології машинобудування»

Реферат

”Дослідження надійності твердосплавних пластин для токаних різців з надтвердих матеріалів”

Дисципліна: теорія різання

Львів – 2008р.

Зміст

Вступ

1. Літературний огляд. Аналіз методів діагностики різальних інструментів

2. Запуск установки для визначення та контролю РІ

3. Результати експерименту

4. Аналіз отриманих результатів

5. Розрахунки значень напружень та ймовірності руйнування різця за результатами вимірів сил різання

Висновки

Література

Вступ

Значну частину технологічних операцій в авіаційній та автомобільній промисловостях займають процеси токарної обробки алюмінієвих сплавів. Серед таких сплавів виділяються силуміни (сплави алюмінію й кремнію), які знайшли широке застосування завдяки високим механічним властивостям при малій вазі. Однак наявність твердих часток кремнію (1100 HV) в силумінах викликає підвищене зношування ріжучого інструменту (РІ). Тому для обробки силумінів доцільно використовувати інструментальні матеріали з високою зносостійкістю, до яких відносяться алмазні композиційні надтверді матеріали (НТМ), зокрема алмазно-твердосплавні пластини (АТП). Але застосування цих матеріалів на чистових і напівчистових операціях точіння в умовах сучасного автоматизованого виробництва стримується підвищеними вимогами до надійності РІ. Надійність (за ГОСТ-ом 27.002-83) – це властивість об’єкту зберігати працездатний стан до настання граничного стану при встановленій системі технічного обслуговування й ремонту. Для РІ працездатним станом є такий, при якому в процесі різання забезпечуються необхідні параметри в граничних межах, а саме шорсткість обробленої поверхні та геометричний розмір деталі, який залежить від поточного зносу РІ. Крім цього, важливою властивістю РІ є безвідмовність, яка характеризується ймовірністю його руйнування.

Поряд з високою зносостійкістю алмазні композиційні НТМ вирізняються крихкістю, малою (порівняно з іншими інструментальними матеріалами) міцністю на згин, високою вартістю і некерованістю забезпечення повторюваності властивостей від партії до партії. Тому особливо актуальним в умовах сучасного виробництва є питання визначення й контролю надійності РІ, оскільки несвоєчасне виявлення відмови різця може мати негативні наслідки – від появи браку до поломки верстату. Це особливо важливо в умовах серійного та масового автоматизованого виробництва, коли при відмові РІ в брак йде не лише поточна деталь, а й інші з партії до моменту втручання людини. Автоматичний контроль стану різців з алмазних композиційних НТМ дозволить знизити собівартість виробів за рахунок максимального використання ресурсу РІ, зменшення часу простою устаткування й кількості браку.

Традиційне використання для контролю стану різця в процесі точіння силових, температурних, а також електричних характеристик у ряді випадків неможливо або недостатньо ефективно. Перспективним методом моніторингу стану РІ в процесі точіння є метод акустичної емісії (АЕ). Принцип дії відповідних систем моніторингу полягає в реєстрації високочастотних пружних хвиль напружень – АЕ із зони різання з наступним статистичним аналізом параметрів цих сигналів.

Разом з тим, залишаються труднощі в ідентифікації параметрів сигналу АЕ через величезну кількість інформації, що міститься у ньому. Найчастіше для аналізу сигналів АЕ використовували амплітудно-часові й амплітудно-частотні характеристики. Але створені методики аналізу мають обмеження: математичні моделі й знайдені залежності справедливі лише для певних умов обробки (конкретних верстатів, режимів різання, геометрії інструменту та марки оброблюваного матеріалу).

Таким чином, визначення надійності різців з композиційних НТМ при точінні на прикладі обробки силумінів алмазно-твердосплавними пластинами з використанням методу АЕ, реалізоване в системі моніторингу РІ є перспективним й актуальним завданням.

Метою роботи є розробка системи визначення надійності різців з алмазних композиційних НТМ при точінні шляхом реєстрації та аналізу сигналів акустичної емісії, які пов’язані із зносом РІ й шорсткістю обробленої поверхні, а також за допомогою оцінки ймовірності руйнування РІ на прикладі обробки силумінів різцями, оснащеними АТП.

Для досягнення визначеної мети необхідно було вирішити такі завдання:

- проаналізувати існуючі методи діагностики РІ й аналізу сигналів АЕ;

- встановити особливості застосування різців з алмазних композиційних НТМ у процесах точіння алюмінієвих сплавів;

- науково обґрунтувати методику визначення надійності РІ шляхом оцінки зносу різця й шорсткості обробленої поверхні по сигналах АЕ із зони різання;

- створити систему моніторингу стану РІ для оцінки зносу різця й шорсткості обробленої поверхні;

- розробити методику оцінки й визначити ймовірність руйнування різців, які оснащені круглими алмазно-твердосплавними пластинами.

Об'єкт досліджень – процес чистового та напівчистового точіння силумінів різцями, які оснащені АТП.

Предмет досліджень – надійність інструментів з алмазних композиційних НТМ на прикладі АТП, реєстрація та аналіз сигналів АЕ.

Методи дослідження – динамометричний вимір сил різання, профілометричний аналіз шорсткості обробленої поверхні, реєстрація сигналів акустичної емісії, спектральний аналіз цифрових сигналів, штучні нейронні мережі, растрова електронна та оптична мікроскопія, енергодисперсний рентгеноспектральний аналіз, статистична обробка експериментальних даних.

1. Літературний огляд. Аналіз методів діагностики різальних інструментів

Проаналізовано методи діагностики різальних інструментів. Детально висвітлено метод АЕ, як найбільш перспективний метод діагностики, розглянуто способи аналізу сигналів АЕ.

В сучасних авіаційній та автомобільній промисловостях широке використання знайшли алюмінієві сплави. Серед таких сплавів виділяються силуміни (сплави алюмінію й кремнію), які мають високі механічні властивості при малій вазі. Однак наявність твердих часток кремнію (1100 HV) в силумінах викликає підвищений знос ріжучого інструменту (РІ). Тому для обробки силумінів доцільно використовувати інструментальні матеріали з високою зносостійкістю, до яких відносяться алмазні композиційні надтверді матеріали, зокрема алмазно-твердосплавні пластини. В умовах автоматизації технологічних операцій обробки та впровадження безлюдних технологій застосування цих матеріалів на чистових і напівчистових операціях точіння стримується підвищеними вимогами до надійності РІ. Поряд з високою зносостійкістю цих інструментальних матеріалів вони вирізняються крихкістю, малою міцністю на згин, високою вартістю і некерованістю забезпечення повторюваності властивостей цих матеріалів від партії до партії. Тому, необхідним постає завдання забезпечити надійність різців, які оснащені АТП.

Надійність (за ГОСТ-ом 27.002-83) – це властивість об’єкту зберігати працездатний стан до настання граничного стану при встановленій системі технічного обслуговування й ремонту. Для РІ працездатним станом є такий стан при якому в процесі різання забезпечуються необхідні параметри в граничних межах, а саме шорсткість обробленої поверхні та геометричний розмір деталі, який залежить від поточного зносу РІ. Крім цього, важливою властивістю РІ є безвідмовність, яка характеризується ймовірністю його руйнування. Значення останнього показника може бути вирішальним при виборі ріжучих пластин, при пропозиції різних постачальників. Розрахунок ймовірністі руйнування потребує визначення напружень в АТП підчас точіння.

Аналіз методів діагностики різальних інструментів показав, що перспективним є метод акустичної емісії. Традиційне використання для контролю силових, температурних, а також електричних характеристик у ряді випадків неможливо або недостатньо ефективно. Метод АЕ має високі чутливість і швидкодію, а також значно менше обмежень, зв'язаних зі структурою, фізико-механічними властивостями матеріалів і зовнішнім середовищем в порівнянні з іншими методами контролю.

АЕ, тобто випромінювання матеріалом пружних хвиль напружень, викликаних локальною динамічною перебудовою його структури, містить у собі інформацію про фізичні процеси, які відбуваються при терті, деформуванні та руйнуванні матеріалу. Джерелами сигналів АЕ при точінні є три зони: зона зсуву містить інформацію про пластичну й (у меншому ступені) пружну деформацію зсуву та руйнування в поверхні зсуву, а дві інші зони – поверхня розділу різець-стружка та поверхня розділу різець-оброблювана деталь несуть інформацію про контактну взаємодію, знос різця та шорсткість обробленої поверхні. Разом з тим, існують складності у вимірюванні й обробці даних АЕ. Традиційні методи аналізу сигналів АЕ при різанні, розроблені вченими різних країн (Д. Дорнфельдом, М. Морівакі, К. Ивата, Д. Дімлою, Г. Понтуале, Х.В. Равиндра, В.Н. Подураевим, А.А. Борзовим, О.В. Кибальченком та ін.), мають обмеження: математичні моделі та знайдені залежності справедливі лише для певних умов обробки (конкретних верстататів, режимів різання, геометрії РІ й марки оброблюваного матеріалу).

Таким чином, основне завдання наукового дослідження полягає у створенні науково-обґрунтованої методики та оцінки зносу різця по задній поверхні й шорсткості обробленої поверхні по даним АЕ, а також ймовірності руйнування РІ, та практична реалізація цієї методики в системі моніторингу РІ..

2. Запуск установки для визначення та контролю РІ

У теперішній час для обробки кольорових сплавів і силумінів найбільше використовуються двошарові композиційні НТМ. Їх одержують шляхом спікання алмазів при високих температурах і тисках на підкладці із твердих сплавів. Представником даного класу інструментальних матеріалів є алмазно-твердосплавні пластини. В роботі для різця використовували АТП діаметром 7,5 мм, товщиною 3,18 мм та з кутами α = 11° й γ = 0°.

Проведений аналіз впливу місця розміщення датчика АЕ на сигнал АЕ показав, що максимальний рівень сигналу та найменше спотворення його спектру забезпечуються при контакті датчика АЕ безпосередньо з ріжучою пластиною у порівнянні із традиційним розміщенням датчика під державкою. В результаті була запропонована нова конструкція різця з вбудованим в прихват широкосмуговим датчиком АЕ. На відміну від аналогічних датчиків, введення карбіду вольфраму, як наповнювача до складу матеріалу демпфера дозволило одержати матеріал із високими демпфуючими властивостями. Частинки карбіду вольфраму розміром 1-10 мкм, які хаотично розміщаються в композиційному матеріалі, добре поглинали акустичні хвилі в робочій смузі частот, за рахунок чого відбувалося вирівнювання амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) датчика АЕ на 20% у діапазоні робочих частот приймально-підсилювального тракту (від 100 кГц до 2 МГц) у порівнянні із традиційними датчиками. На конструкції розробленого різця та датчика отримано патенти України.

У якості оброблюваних виробів використовували силумінові поршні з різним вмістом кремнію. Процентний склад кремнію визначали методом рентгеноспектрального мікроаналізу за допомогою растрового електронного мікроскопа «Camscan – 4DV» із приставкою для енергодисперсного рентгеноспектрального аналізу «Link-860». Таким чином, для експериментів по точінню були відібрані силумінові поршні зі сплавів із наступним вмістом кремнію, мас. %: 0,3; 10,8; 12,8; 15,8; 18,4.

Основним елементом розробленої системи моніторингу РІ «MNAS-2» (ліва гілка на є різець із вбудованим широкосмуговим датчиком АЕ. У процесі різання сигнал АЕ від датчика «WRS-1» надходив на блок попереднього підсилювача й амплітудного детектора, який з високочастотного первинного сигналу АЕ в діапазоні частот від 100 кГц до 2 МГц виділяв низькочастотну (від 100 Гц до 22 кГц) обвідну.

Далі сигнал подавали на швидкодіючий аналого-цифровий перетворювач (АЦП 1), де він перетворювався в цифрову форму із частотою дискретизації 44 кГц й зберігався в пам'яті мобільного комп'ютера (ПК 1). Конфігурація комп'ютера «Dell Inspiron 1300» із процесором Intel 1,5 МГц і пам'яттю 512 Мб була обрана з урахуванням очікуваної ресурсоємності подальшого аналізу сигналів АЕ.

Автоматизована система прогнозування ймовірності руйнування різця «СПВР-1» (права гілка складалася з універсального динамометра «УДМ-300», у якому розміщали різець, оснащений АТП. Динамометр «УДМ-300» конструкції ВНИИ (м. Москва) дозволяв вимірювати три ортогональні складові сили різання. Отримані за допомогою динамометра значення сил різання були необхідними вихідними даними для розрахунку ймовірності руйнування різця в процесі точіння. Для посилення електричного сигналу від динамометра використовували тензостанцію «ТОПАЗ». Сигнал від тензостанціі перетворювали у цифрову форму за допомогою 12-ти розрядного шістнадцятиканального АЦП 2 «A-812PG», який виконано у вигляді інтерфейсної плати комп'ютера. Керування роботою АЦП 2 і запис значень складових сили різання здійснювали у спеціально розробленій програмі «Модуль-812».

Всі експерименти по точінню заготовок із силуміну проводили на експериментальній установці з одночасним записом сигналів акустичної емісії й сил різання. Після кожного експерименту вимірювали шорсткість обробленої поверхні за допомогою приладу «Surtronic 3» фірми Taylor-Hobson безпосередньо на верстаті. Знос інструментів по задній поверхні h>з> вимірювали також не знімаючи різець з верстату, на спеціальному оптичному пристосуванні на базі мікроскопу «МБС-10». Це дозволило уникнути похибок вимірювання від зміщення різця між експериментами.

3. Результати експерименту

Режими різання, при яких обробляли силуміни, обрані в діапазоні застосовуваних у виробництві поршнів двигунів внутрішнього згорання при чистовому й напівчистовому точінні: швидкість різання v від 65 м/хв. до 400 м/хв., глибина різання t від 0,05 мм до 0,30 мм. Подача s = 0,1 мм/об обрана за критерієм забезпечення мінімальної шорсткості при використанні АТП.

За допомогою розробленої системи «MNAS-2» були отримані спектри детектованого по амплітуді сигналу АЕ із зони різання в цифровій формі. Необхідність застосування амплітудного детектора викликана потрібністю запису в реальному часі величезного масиву даних вихідного високочастотного сигналу АЕ. В роботі використовували амплітудне детектування з отриманням низькочастотної (44 кГц) обвідної високочастотного (2 МГц) сигналу АЕ.

Важливими показниками надійності РІ є знос різця та шорсткість обробленої поверхні. Одним зі способів забезпечення необхідної якості деталей є застосування систем контролю, які здатні оцінювати поточний знос різця та шорсткість оброблюваної поверхні з метою недопущення перевищення встановлених на виробництві граничних значень (для поршнів Ra = 1,25 мкм та h>з> = 0,30 мм).

В результаті проведення експериментів по точінню на різних режимах різання із одночасним записом сигналів АЕ та сил різання були виявлені наступні особливості.

Збільшення швидкості різання від 65 м/хв. до 400 м/хв. призводить до зростання параметра шорсткості Ra при точінні силумінів. При точінні більш пластичного алюмінію (~ 0% Si), при всіх значеннях зносу АТП, фіксували підвищену шорсткість на низьких швидкостях різання (65-80 м/хв.), викликану процесами нарістоутворення, чого не відмічали при точінні менш пластичних силумінів за рахунок наявності в них кремнію. У діапазоні швидкостей різання v від 140 м/хв. до 400 м/хв. при точінні алюмінію також відбувалося зростання шорсткості обробленої поверхні Ra на 25-35%. При точінні силумінів із вмістом кремнію 10,8, 15,8 й 18,4 мас. % зростання швидкості різання в діапазоні швидкостей від 65 м/хв. до 400 м/хв. призводило до збільшення шорсткості на 30-45%. Виявлено, що в цьому ж діапазоні швидкостей силуміновий сплав із вмістом кремнію 12,8% відрізнявся від інших: зростання швидкості різання призводило лише до незначного (~5%) збільшення шорсткості Ra.

Збільшення параметра шорсткості Ra обробленої поверхні з ростом швидкості різання пов'язане з тим, що чергування твердого кремнію (1100 HV) та м’якого алюмінію (500 HV) у силуміновій заготовці в процесі точіння викликало зростання амплітуди мікроколивання вершини різця. Глибина різання t мало впливала на шорсткість обробленої поверхні при всіх досліджених режимах різання й значеннях зносу різця.

Ймовірність руйнування різця розраховували за даними сил різання, а саме значень рівнодіючої сили різання та усадки стружки. Зі збільшенням швидкості різання відбувалося зростання рівнодіючої сили різання на 10–20 % для всіх досліджуваних силумінів залежно від оброблюваного матеріалу. Це пояснюється тим, що при різанні легкоплавкого силумінового сплаву з підвищенням швидкості різання та, як наслідок, швидкості деформації, відбувалося зміцнення оброблюваного матеріалу в зоні деформації. У зв'язку із цим зростали напруження зсуву. У цей же час конкуруючий процес втрати міцності матеріалу заготовки від зростання температури, що має місце при точінні алюмінію, не превалював через наявність в силуміні частинок кремнію із значно більшою температурою плавлення (1420 ºС проти 660 ºС для алюмінію). Це підтверджується збільшенням коефіцієнта усадки стружки із зростанням швидкості різання. Для силуміну з максимальним вмістом кремнію (18,4%) зростання усадки було найбільшим, але не перевищувало 7 % у всьому дослідженому діапазоні швидкостей. При цьому, змінювався й характер стружки. Так, при точінні силумінів спостерігали утворення елементної стружки, причому зі збільшенням швидкості від 65 м/хв. до 400 м/хв. розмір цих елементів збільшувався. За тих самих умов при точінні чистого алюмінію утворювалася зливна стружка. Крім цього, зростанню сил різання сприяла адгезія матеріалу заготовки з передньою поверхнею різця при точінні всіх марок силумінів (до 18,4% Si). Це було виявлено шляхом аналізу залишків налипання силуміну на поверхню АТП за допомогою електронного мікроскопу «ZEISS Ultra 55».

При збільшенні глибини різання t від 0,05 мм до 0,30 мм усадка стружки зменшувалася в 1,5 рази для всіх досліджених матеріалів. Необхідно відзначити, що глибина різання впливає на усадку стружки через величину поперечного переріза отриманої зворотної стружки.

Ступінь пластичності матеріалу також впливає на усадку стружки. Збільшення вмісту кремнію в силуміні знижує його пластичність, а це призводить до зниження усадки стружки. При точінні найбільш пластичного серед експериментальних заготовок чистого алюмінію, були отримані максимальні значення усадки стружки ≈ 5,25 при глибині різання 0,05 мм. При точінні силуміну з найбільшим вмістом кремнію (18,4%) одержали мінімальну усадку ≈ 2,75 при глибині різання 0,30 мм.

Численні експерименти по точінню силумінів показали, що на конфігурацію спектру обвідної сигналу АЕ впливає вміст кремнію та знос різця при незмінних інших факторах (режими різання, геометрія різця, верстат, акустичне обладнання). Це дозволило висунути гіпотезу про зв'язок сигналів АЕ з процесами в зоні контакту різця та заготовки і можливість оцінки зносу різця та шорсткості обробленої поверхні шляхом аналізу спектрів цих сигналів.

Разом з тим, дуже важко візуально визначити частини спектру обвідної сигналу АЕ, які б відповідали саме за знос різця h>з> та шорсткість обробленої поверхні Ra. Тому в роботі для аналізу сигналів АЕ вперше було застосовано перспективний математичний апарат – штучні нейронні мережі (ШНМ), особливості застосування якого викладено у четвертому пункті. Обраний підхід аналізу всього спектру сигналу АЕ, а не його частини, означає спроможність використання розробленої методики для інших умов різання, тобто для інших інструментальних й оброблювальних матеріалів та верстатів.

4. Аналіз отриманих результатів

Визначення зносу різця й шорсткості обробленої поверхні за даними АЕ здійснювали за спеціально розробленою методикою із застосуванням штучних нейронних мереж. Методика включала реєстрацію сигналів АЕ із зони різання, виділення обвідної АЕ з первинного сигналу, розкладання її в спектр із застосовуванням згладжування на часовому інтервалі тривалістю 2 сек по методу Блекмана-Харріса, після чого ми отримували 2046 значень амплітуд спектру у смузі частот до 22 кГц. Отриманий спектр зіставлявся за допомогою ШНМ із контрольованими показниками надійності: шорсткістю оброблюваної поверхні заготовки й зносом РІ.

ШНМ можна представити як спрямований граф зі зваженими зв'язками, а вузлами в ньому є штучні нейрони. Нейрон характеризується вектором вагових коефіцієнтів і видом активаційної функції. Вектор вхідних сигналів перемножується з вектором вагових коефіцієнтів w>j> та перетворюється відповідно до функції активації – сигмоідальна функція виду f(х) = (1+е-αx)–1, де α характеризує «нахил» сигмоіду. Результат роботи ШНМ залежить від вагових коефіцієнтів сінаптичних зв'язків. Процедура визначення цих коефіцієнтів (навчання ШНМ), полягала в пред'явленні ШНМ відомих як вхідних, так і вихідних даних.

«Входи» – конфігурація спектра обвідної сигналу АЕ (тобто значення амплітуд спектра – 2046 значень), режими різання (v, t), процентний вміст кремнію в заготовці. «Виходи» – вимірювані традиційними способами числові значення зносу різця h>з> та шорсткості обробленої поверхні Ra, що відповідають поточному «входу». Під час багаторазового навчання (90 ітерацій), ШНМ по внутрішньому алгоритму стабілізувала вагові коефіцієнти при заданій межі помилки 0,5%. Повний час навчання по 228 прикладам склав 1 хв. 18 сек. (на комп'ютері Dell із процесором 1,5 МГц).

Виведене значення виходу нейрона y>j>(n) у кожному шарі n має вигляд:

,

де M – число нейронів у шарі n-1, y>i>(n-1) – «вихід» i-го нейрона, w>ij>(n) – матриця вагових коефіцієнтів шара n. Відзначимо, що для кожного наступного шару «входами» є «виходи» попереднього шару: y>i>(n-1)=x>ij>(n) – i-ий «вхід» нейрона j шару n.

Для оптимізації структури ШНМ були проаналізовані наступні типи мереж: багатошаровий перцептрон зі зворотним поширенням помилки, генералізованний багатошаровий перцептрон, модульний, мережа Джордона-Элмана, рекурентна мережа. Головним обмеженням був час (не більше 2 сек.) роботи навченої ШНМ по визначенню зносу й шорсткості. Таке обмеження пов'язане з необхідністю забезпечувати періодичність контролю шорсткості й зносу кожні 2 сек. Серед розглянутих мереж найбільшу швидкодію показала ШНМ типу багатошаровий перцептрон зі зворотним поширенням помилки.

Крім типу ШНМ була визначена кількість прихованих шарів та кількість нейронів у кожному шарі. Було встановлено, що ШНМ із одним прихованим шаром не має необхідну точність, а при кількості шарів більше 2-х мережа мала низьку швидкодію. Тому для аналізу сигналів АЕ застосовували ШНМ із двома прихованими шарами. У підсумку була отримана наступна оптимальна структура ШНМ: 2049/20/20/2, тобто 2049 елементів у вхідному шарі, по 20 у прихованих та 2 у вихідному шарі.

На основі розробленої методики оцінки зносу й шорсткості обробленої поверхні по даним АЕ за допомогою системи моніторингу РІ «MNAS-2» була створена навчальна вибірка у вигляді матриці з розмірністю [K, N], що містила необхідні дані для навчання ШНМ, а саме: параметр шорсткості Ra, значення зношування h>З>, швидкість v і глибину різання t, відсоток кремнію в силуміні Si і значення амплітуд А спектра сигналу АЕ, отримані для кожного експерименту з точіння.

Відповідно до алгоритму навчання сформовану вибірку застосовували для навчання попередньо оптимізованої ШНМ. Для оцінки точності роботи навченої ШНМ було проведено 16 експериментів, під час яких точили силумінові заготовки та записували сигнали АЕ у пам’ять комп'ютера. У підсумку були сформовані «входи» тестової вибірки для ШНМ. Після кожного експерименту вимірювали знос АТП і шорсткість обробленої поверхні традиційними способами для подальшого порівняння.

У результаті роботи ШНМ на «виході» були отримані значення зносу різця й шорсткості обробленої поверхні. Похибка результатів визначення шорсткості розробленою системою склала ~8% і лежала в межах похибки виміру шорсткості на самому приладі «Surtronic-3». Похибка визначення значень зносу різця до 0,30 мм за допомогою системи «MNAS-2» при різних значеннях швидкості різання v у порівнянні з безпосередніми вимірами на мікроскопі «МБС-10» не перевищувала 6%.

Розроблені методики реєстрації та аналізу сигналів акустичної емісії із зони різання пройшли дослідно-промислову перевірку на Державному підприємстві Міністерства оборони України “Луцький ремонтний завод «Мотор»”. Реалізований в системі «MNAS-2» контроль зносу різця й шорсткості обробленої поверхні при заданих граничних показниках надійності (h>З> = 0,30 мм й Ra =1,25 мкм) дозволяє у виробничих умовах вчасно замінити РІ та зменшити кількість браку.

Таким чином, була розроблена методика та створена система для визначення двох з трьох показників надійності різців з НТМ – зносу різця та шорсткості обробленої поверхні. Останній показник надійності – ймовірність руйнування різця, розглянутий у наступному розділі.

5. Розрахунки значень напружень та ймовірності руйнування різця за результатами вимірів сил різання

В основі методики розрахунку ймовірності руйнування різця покладена робота Девіна Л.М. і Вільгельма М., де автори досліджували процеси точіння загартованих сталей різцями на основі кубічного нітриду бора із прямим лезом. Внесені нами зміни в існуючу методику стосуються геометрії РІ – в даній роботі застосовували різець із круглою АТП, тобто із криволінійним ріжучим лезом. При точінні під дією сил різання в ріжучому клині виникають напруження S>R> розтягу (додатні) та стиску (від’ємні), які характеризуются середньоквадратичними відхиленнями σ>SR> (за рахунок неоднорідності властивостей матеріалу деталі й нестаціонарності процесу стружкоутворення). Напруження S>R> на передній і задній гранях різця розраховували за допомогою відповідних формул Лоладзе Т.М. і Бетанели А.І. Разом з тим, ріжучі пластини в партії мають різну міцність і тому напруження характеризували середніми значеннями при розтягу – S>P> і при стиску – S>C>, а також відповідними їм середньоквадратичними відхиленнями >Sp>, >Sc>. Якщо припустити, що закон розподілу значень S>R>, S>P> й S>C> є нормальним, тоді ймовірність руйнування різця Р геометрично дорівнює площі фігури, утвореної перетинанням кривих функцій f(S>R>) і f(S>P>) або f(S>C>)> >залежно від знака напружень (додатні або від’ємні), що діють на ріжучу пластину.

Вихідними даними для розрахунку ймовірності руйнування різця були експериментальні значення сил різання, а також режими різання, геометрія різця, значення усадки стружки, межі міцності на розтяг та стиск для партії АТП. За допомогою розробленої в середовищі «MathCAD» програми були розраховані напруження в АТП та ймовірності руйнування різця. Встановлено, що найнебезпечніші напруження в АТП виникали при зносі на задній поверхні h>З> ≥ 0,30 мм. При цьому виникала найбільша ймовірність руйнування ріжучої кромки, яка була пов’язана із дією на різець максимального навантаження. Тому дослідження напружень у різці та ймовірності його руйнування залежно від режимів різання й вмісту кремнію в заготовках проводили при зносі різця h>З >= 0,30 мм. У цілому було проведено 80 експериментів при варіюванні режимів різання: швидкість різання v змінювали від 65 м/хв. до 400 м/хв., глибину різання t задавали як 0,05; 0,1; 0,2; 0,3 мм, а подача становила 0,1 мм/об. На основі експериментальних даних розраховували значення напружень на передній S>П> та задній S>З> поверхнях ріжучої пластини.

В умовах промислового виробництва одним різцем до його затуплення обробляють тисячі деталей. Тому в роботі прийнято, що припустимою ймовірністю є руйнування одного різця зі ста за період його стійкості. Відповідно, для забезпечення безвідмовної роботи різця, що доводиться на період точіння однієї деталі, припустима ймовірність руйнування P складає не більше одного різця зі ста тисяч (P ≥ 10-5).

У результаті експериментальних досліджень і розрахунків було встановлено, що при точінні силумінів навіть найвищі (до 850 МПа) напруження стиску (від’ємні) не призводили до небезпеки руйнування (P << 10-5). Це пояснюється тим, що межа міцності АТП при стиску (~3400 МПа) набагато перевищує діючі на різець напруження S>R>. Однак, напруження розтягу (додатні) є небезпечними й були зафіксовані з боку задньої поверхні ріжучої пластини. У збільшеному масштабі показана зміна ймовірності руйнування різця P – площі перетинання кривих розподілу діючих напружень при розтягу S>R> і міцності АТП S>P>. Зі збільшенням швидкості різання від 70 м/хв. до 370 м/хв. крива S>R> (1) зміщувалася вправо, що означало збільшення небезпечних напружень розтягу. Крім того, ця крива ставала «ширше» за рахунок збільшення дисперсії сил різання при більш високих напруженнях розтягу. Це призводило до збільшення ймовірності руйнування РІ. Аналіз впливу режимів різання на напруження на передній S>П> і задній S>З> поверхнях різця та ймовірність руйнування різця P наведено далі.

Незалежно від швидкості різання v та глибини різання t, небезпечних для АТП напружень розтягу на передній поверхні різця S>П> не виникало. Проте, на задній поверхні різця з ростом швидкості різання v від до 370 м/хв. при глибинах t ≤ 0,1 мм збільшувалися напруження розтягу та, відповідно, і ймовірність руйнування різця P. Поряд з цим, при глибині різання t > 0,1 виникали лише напруження стиску, які зменшувались із ростом швидкості різання v.

Такий вирішальний вплив глибини різання пов’язаний з кутом >0> напрямку дії рівнодіючої сили різання R. Проведені розрахунки свідчать, що в межах кута >0> від 28° до 51° небезпечні напруження розтягу не виникають. При глибині різання 0,1 мм і менше кут >0> ставав менше 28°, що викликало появу напружень розтягу на задній поверхні АТП та, відповідно, зростання ймовірності руйнування різця P. Отже, для різця, оснащеного АТП, найнебезпечнішою є чистова обробка силумінів при глибинах різання t ≤ 0,1 мм та чим більшою є швидкість різання, тим більше зростає ймовірність руйнування різця. На цих засадах та з урахуваннями малого впливу глибини різання t на шорсткість обробленої поверхні при всіх досліджених режимах різання й значеннях зносу різця зроблено рекомендацію щодо вибору t > 0,1 мм для збільшення ресурсу РІ.

Таким чином, в результаті виконання роботи була розроблена методика та створені дві системи для визначення й контролю трьох показників надійності різців з НТМ: зносу різця й шорсткості обробленої поверхні – «MNAS-2» та ймовірності руйнування різця – «АСПВР-1». Ці розробки використовуються у навчальному процесі студентів Національного технічного університету України «КПІ» і Національного авіаційного університету, а також пройшли дослідно-промислову перевірку на Державному підприємстві Міністерства оборони України “Луцький ремонтний завод «Мотор»” та показали доцільність використання цих розробок на виробництві для зниження собівартість виробів, за рахунок максимального використання ресурсу РІ, зменшення часу простою устаткування й кількості браку, що підтверджено відповідними актами.

Висновки

В роботі вирішене актуальне науково-технічне завдання ефективного визначення надійності різців з алмазних композиційних НТМ шляхом реєстрації та аналізу спектру обвідної високочастотного сигналу (від 100 кГц до 2 МГц) акустичної емісії з зони різання, що дозволяє максимально використовувати ресурс різального інструменту та запобігати браку оброблюваних виробів.

1. Доведено, що показники надійності РІ – величини зносу різця й шорсткості обробленої поверхні в процесі різання можливо визначити шляхом аналізу конфігурації спектра обвідної високочастотного (від 0,1 до 2 МГц) сигналу АЕ із зони різання за допомогою попередньо навченої й оптимізованої штучної нейронної мережі.

2. Для зменшення похибки визначення зносу h>з> АТП та параметра шорсткості Ra, розроблена та запатентована нова конструкція різця з вбудованим в прихват датчиком АЕ з високим відношенням амплітуд сигнал/шум в діапазоні частот від 100 кГц до 2 МГц.

3. Розроблено мобільну систему моніторингу «MNAS-2» для контролю надійності різців з алмазних композиційних НТМ за показниками зносу різця та шорсткості обробленої поверхні в процесі різання. Тестові експерименти по точінню силумінів різцями, оснащеними АТП, показали, що середня відносна похибка системи «MNAS-2» при визначенні зносу h>з> АТП склала 6 %, а параметру шорсткості Ra – 12% у порівнянні із прямими вимірюваннями.

4. За допомогою системи моніторингу «MNAS-2» встановлена найкраща оброблюваність силумінового сплаву із вмістом кремнію 12,8%, при точінні виробів з якого досягається низька шорсткість Ra = 0,5–1,25 мкм у всьому діапазоні досліджуваних режимів різання й зносу різця h>з> до 0,30 мм включно у порівнянні із іншими силумінами з вмістом кремнію до 18,4%, де шорсткість Ra < 1,25 мкм досягалася лише при зносі h>з> до 0,15 мм.

5. Встановлено, що при точінні силумінових заготовок на малих глибинах (менш 0,1 мм) в АТП виникають небезпечні напруження, що обумовлює зниження надійності різця за показником ймовірності руйнування.

Література

1. Девин Л.Н. Применение метода акустической эмиссии для оценки работоспособности резцов из АТП при точении алюминиевых сплавов / Л. Н. Девин, НЕ. Стахнив, А.Г. Найденко // Резание и инструмент в технологических системах: междунар. научн.-техн. сб. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2002. – Вып. 62. – С. 44–47.

2. Девин Л.Н. Анализ акустической эмиссии при точении алюминиевых сплавов резцами из АТП с использованием нейронных сетей / Л.Н. Девин, А.Г. Найденко // Резание и инструмент в технологических системах: междунар. научн.-техн. сб. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2003. – Вып. 64. – С. 53–58.

3. Девин Л.Н. Особенности применения акустической эмиссии для исследования точения алюминиевых сплавов / Л.Н. Девин, А.Г. Найденко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: сб. науч. трудов. – К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля, 2004. – Вып. 7. – С. 283–288. эмиссии для поиска диагностических признаков в анализе процесса точения алюминиевых сплавов резцами из АТП / Л.Н. Девин, А.Г. Найденко //