from 01.01.2020 to 01.01.2022
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
Rostov-na-Donu, Rostov-on-Don, Russian Federation
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
GRNTI 55.35 Металлургическое машиностроение
OKSO 15.06.01 Машиностроение
The paper presents a new measuring complex for assessing the dynamics of machining processes on metal-cutting machines of the turning group. The complex allows conducting research in the field of assessing the dynamics of the deformation movement of the tool, the temperature in the contact zone of the tool and the workpiece, as well as the relationship between the dynamics of cutting and the thermodynamics of metalworking.
Wear, metal turning, processing temperature, tool vibration
ВВЕДЕНИЕ. В современных публикациях посвященным вопросам металлообработки большое внимание уделяется оценке взаимосвязи вибраций с износом режущего инструмента, а также с температурой в зоне контакта инструмента и обрабатываемой детали. Методы проведения таких экспериментов хорошо известны из ряда работ, опубликованных в 20-м веке, но сегодня, с повышением качества измерительных систем с цифровым выходом, такие эксперименты становятся наиболее актуальными для оценки динамики процессов обработки на металлорежущих станках. Измерению подвергаются, как правило, сила резания, которая оценивается с использованием различных средств измерения, таких как динамометр, датчик силы резания или получение значений силы резания на основе различных факторов обработки, таких как отклонение инструмента или вибрация [1]. Такое различие в способах измерения силы резания, основанное на различии в измерительных подсистемах системы резания, обеспечивает достаточно качественное интерпретирование реального сопротивления формообразующим движениям инструмента. Кроме этого, мониторинг силы резания позволяет совершенствовать технологии обработки металлов и технологии производства режущего инструмента, к примеру, использование новых типов покрытий для режущего инструмента [2,3]. В зависимости от способа интерпретации силы резания в качестве измеряемых параметров могут являться ток двигателя, обеспечивающего резание, акустическая эмиссия и/или вибрация [4]. К примеру, в недавней публикации [5], приведен пример косвенного измерения силы резания, в котором значения силы резания достигались на основе отклонения торца инструмента от исходного положения. Датчик перемещения крепился к выходу инструмента в направлении противоположном радиальному и использовался в процессе резания. Данные полученные в эксперименте представляли собой сигнал отклонения, который сравнивался с исходным положением инструмента. Расчетные значения силы резания при этом сравнивали с показаниями динамометра «Kistler 9255B», используя полученные в эксперименте данные. Еще один неплохой вариант измерения усилий резания предложен в работе Постеля и др. [6], где путем измерения проводились путем установки акселерометров на корпусе шпинделя. Широко распространенным способом измерения силы резания является способ использования стандартных датчиков силы, таких как динамометры. Эти методы зондирования используют эффекты, непосредственно связанные с силами резания, такие как механо-магнитные, механо-электрические и механооптические преобразования [7]. Эти датчики варьируются от оптоэлектронных и пьезоэлектрических динамометров до тензометрических датчиков и емкостных систем измерения силы. Они могут использоваться самостоятельно, регистрируя данные о силах резания и позволяют определить оптимальные параметры для снижения силы резания и характеристики износа инструмента [8]. Оценка динамики резания также может проводится, также и через использование специального комплексного измерительного оборудования, такого к примеру как измерительный стенд STD.201-1 [9-11]. Представленный в этих работах стенд, предназначен для изучения динамических и тепловых процессов, протекающих в процессе резания металлов в различных режимах в составе токарных станков. STD.201-1 функционально состоит из: головки – резцедержателя, интерфейсного блока, персонального компьютера и комплекта кабелей. Головка – резцедержатель устанавливается на суппорт станка и включает в себя комплекс датчиков, преобразующих динамическое и вибрационное воздействие на режущий инструмент в электрические сигналы, поступающие на интерфейсный блок через комплект кабелей. Результаты экспериментов позволяют авторам интерпретировать математические модели разработанные авторами и идентифицировать параметры этих моделей по полученным в серии экспериментов данным, в качестве которых выступали: сила резания разложенная по осям деформации инструмента, вибрации инструмента вдоль осей деформации и температура в зоне резания, измеряемая через адекватное интерпретирование естественной теромоэдс формируемой в контакте инструмента и обрабатываемой детали. Достоинством предложенной в работах [9-11] системы измерений является возможность комплексной оценки и сравнения динамики подситем системы резания. Недостатком представленного варианта измерительной системы, выступает именно опора на естественную термоэдс, которая включает в себя все наводимые станком электрические сигналы. Таким образом, проведенный анализ показывает, что существующие подходы к измерению выходных сигналов процесса резания несовершенны, требуется разрабатывать новые подходы к синтезу такого рода систем, в том числе на основе новых современных средств измерения сигналов.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. Чтобы уточнить ранее полученные новые представления о взаимосвязанной динамике процесса токарной обработки металла [1-11], мы разработали новую экспериментальную измерительную систему, которая представлена виде на рисунке 1 (а). Измерительный комплекс, представленный на рисунке 1 (а), включает стандартный держатель 2102-100 с закрепленной на нем съемной 6-гранной пластиной «WNUM 120612 T5K10H30 KZTS», предварительно вырезанной методом электроэрозионной обработки, для размещения в ней искусственной термопары (см. рис. 1(б)). Как видно из рисунка 1 (б), искусственная термопара, запечатанная горячим клеем, фактически вставлена внутрь режущего клина, термопара подключена к АЦП Arduino экранированным кабелем, как показано на рисунке 2 (а). В дополнение к искусственной термопаре экспериментальный комплекс включает в себя три датчика вибрации, которые использовались в качестве датчиков вибрации от «Globaltest AR2081-10» слева и «Globaltest AR2028-100» справа, подключенных к кабелю «Globaltest AR13», показанному на рисунке 2 (б). Эти преобразователи вибрации имеют аналоговый выход с сигналом, имеющим очень высокую собственную частоту среза 48 кГц, сам процесс обработки имеет базовую частоту вибрации в диапазоне от 1 до 4 кГц. Для оцифровки такого сигнала необходимо иметь частоту квантования не менее 8 кГц, а показанный на рисунке 2 (а) АЦП имеет частоту квантования 500 Гц. Для оцифровки этого сигнала требуется АЦП с большим диапазоном квантования сигнала, чем опция, показанная на рисунке 2 (a), например, внешний модуль АЦП компании «L-CARD» E14-440 с кабелем USB 2.0, который показан на рисунке 3. Сам сигнал, снимаемый с виброакселерометров, необходимо усилить до 5 В, для этого требуется специальное согласующее устройство, которым является «Globaltest AG01-3», показанное на рисунке 4.Как видно из рисунка 4, согласующее устройство позволяет преобразовывать сигналы с трех выходов виброакселерометров, сигнал с согласующего устройства подается на АЦП компании «L-CARD», с выхода которого через USB 2.0 сигнал отправляется на регистратор, которым был ноутбук компании «Packard Bell» (с использованием специализированной программы компании «L-CARD»). Для эксперимента по оценке взаимосвязи между температурой и вибрациями инструмента был выбран токарный станок 1K625, который показан на рисунке 5. Экспериментальный комплекс, предназначенный для измерения температуры и вибрации прибора, полностью готов к экспериментам, которые мы проводили в лаборатории ДГТУ. Полученные результаты эксперимента с одновременным определением температуры, а также вибрации показаны на рисунках 6 и 7.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА. На рисунке 6 показан график вибрации, которые были сняты с вибропреобразователя, установленного в направлении резания металла. Как видно из рисунков 7-8, результат внедрения предложенной в работе измерительной системы позволяет получать информацию (данные) о процессе обработки резанием на токарных станках, при этом информация полученная таким образом достаточно адекватно отражает реальную суть процесса резания. Результаты измерений вибраций и спектр вибрационного сигнала полученного по ним, позволяет говорить о возможности оценки динамики деформационного движения инструмента в реальном масштабе времени. Одновременно с вибрационной динамикой процесса резания, предлагаемый авторами измерительный комплекс позволяет измерять термодинамику процесса обработки металлов резанием, что позволит получать верное представление о возможной связи между подсистемами системы резания и интерпретировать эти связи, через не измеряемую, но прогнозируемую силовую реакцию на формообразующие движения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Разработанный экспериментальный комплекс для определения вибраций инструмента при резании и температуры в зоне контакта инструмента и заготовки, позволяет адекватно измерять и сравнивать взаимосвязанную динамику процесса резания на металлорежущем токарном станке. Измерительный комплекс может быть использован для проведения серии экспериментов по оценке динамики процесса токарной обработки металла на токарных станках. Развитие данной научной работы видится в применении экспериментального оборудования для нахождения сложных математических моделей, которые описывают динамику процессов резания на металлорежущих станках.
1. Lapshin, V.P., Turkin, I.A., Khristoforova, V.V. An example of experimental evaluation of tool wear influence on compound cutting forces in lathe turning of metals // STIN, 2020, no. 4, pp. 41 44.
2. Lapshin, V.P., Khristoforova, V.V., Nosachev, S.V. Relationship of Temperature and Cut-ting Force with Tool Wear and Vibra-tion in Metal Turning./Metal Working and Material Science, 2020, vol. 22, no. 3, pp. 44-58. DOI:https://doi.org/10.17212/1994-6309-2020-22.3-44-58
