Разработка алгоритма управления процессом фрезерования титановых сплавов путем автоматизированной оценки текущего состояния режущего инструмента

В настоящее время прогрессивные технологии металлообработки основаны на применении автоматизированного оборудования — станков с ЧПУ, ГПМ и ГПС. Надежная эксплуатация любого автоматизированного технологического оборудования сегодня невозможна без двух составляющих: оценки его состояния — диагностирования и, по результатам оценки, выработки решения об управляющем воздействии.

Режущий инструмент является особым объектом технологии металлообработки — разнообразные условия эксплуатации и, следовательно, нагружения его режущей части вызывают многообразные виды повреждений и отказов, а скорости изнашивания инструмента значительно выше, чем скорости изнашивания деталей и узлов станка. Поэтому надежность инструмента в основном определяет работоспособное состояние технологической системы в целом. Сегодня применение автоматизированных процессов металлообработки практически невозможно без контроля и диагностики состояния режущего инструмента в процессе резания.

Техническая диагностика относительно молодая отрасль знаний. В технологии металлообработки она получила заметное развитие, начиная со второй половины 70-х годов прошлого столетия. В 80-е годы отмечался рост лабораторных и производственных реализаций систем диагностирования. Об этом свидетельствует анализ количества публикаций по диагностике, из которого следует, что пик выполненных работ приходится на конец 80-х годов, причем значительное их число выполнялось в СССР. В эти годы в ЭНИМСе был создан универсальный многоканальный монитор — КДР (что означало: контрольдиагностирование — принятие решений). В НПО «Измеритель» были разработаны датчики, встраиваемые в станок: диагностические подшипники, втулки опор ходовых винтов и др. К сожалению в 90-х годах эти достижения не нашли дальнейшего развития и имели ограниченное применение на действующем отечественном технологическом оборудовании.

Однако все эти годы работы по созданию контрольно-диагностической аппаратуры активно велись рядом зарубежных фирм. Японская фирма Fanuc разработала устройство диагностирования инструмента и процесса резания — Monitor ANational Instrumentинтерфейс системы диагностирования. Ряд фирм предлагают датчики функциональных параметров процесса обработки. Фирма Kistler и Prometec GmbH Aachen — пьезоэлектрические датчики для измерения сил резания и колебанийSandvik — тензометрические втулки ходовых винтовPromess — диагностические подшипники [1].

Актуальность задач разработки станочных систем автоматического диагностирования привела в 90-ые годы экономически развитые страны к участию в реализации единого для всех проекта SIMON (Sensor Fused Intelligent Monitoring System for Machining), который является составной частью программы создания технологий XXI века.

Страны — участники проекта, достигшие развитого индустриального и постиндустриального технологического уклада, могут обеспечить свойственные им пропорции занятости трудоспособного населения за счет использования современных технологий автоматизированного производства. Статистика показывает, что только 10% трудоспособного населения постиндустриальных стран занято в промышленности, а 85% работает в сфере услуг и 5% в сельском хозяйстве. При таких ограничениях достигнуть высоких показателей ВВП и качества продукции можно только за счет многократного повышения производительности по сравнению с производительностью обработки на универсальных станках. На станках с ЧПУ достигается повышение производительности до 5 разв ГАП — до 7,5 разв автоматизированных цехах и участках до 10 и более раз.

1]. Все эти сложные технологические системы требуют постоянного диагностирования их состояния.

Диагностика в качестве приоритетной темы с высокой степенью значимости отмечена в японском прогнозе развития техники и технологии до 2025 года.

Структурный сдвиг в сторону серийного производства высокотехнологичной продукции, который произошел в конце прошедшего века в высокоразвитых странах, произойдет в рамках процесса глобализации и в России. Это вызовет широкое применение упомянутых выше гибких автоматизированных систем, которые непременно будут оснащены диагностическими устройствами.

Сегодня при создании систем управления процессом резания возникает проблема, связанная с отсутствием приемлемых по точности и надежности в условиях производства методов и средств непрерывного контроля состояния режущего инструмента.

Диагностика состояния режущего инструмента в процессе резания является одним из наиболее эффективных способов обеспечения надежной работы автоматизированного станочного оборудования и получения качественной продукции. Особенно это необходимо для тех операций металлообработки, которые создают крайне неблагоприятные условия для работы режущего инструмента. В первую очередь к таким операциям необходимо отнести фрезерование титановых сплавов, детали из которых широко распространены в авиационной технике благодаря своим уникальным эксплуатационным свойствам. Фрезерование титановых сплавов является чрезвычайно сложным и энергоемким процессом, что связано с особенностями физико-механических и теплофизических свойств материалов этой группы. Особенно сложным является процесс фрезерования монолитных деталей из титановых сплавов типа турбинных колес и крыльчаток, которые в последнее время получили широкое распространение в конструкции авиационных двигателей.

В процессах чистовой и получистовой обработки титановых сплавов в промышленности наибольшее распространение получили режущие инструменты из быстрорежущих сталей. Специфическими особенностями механической обработки титановых сплавов является высокое удельное давление на контактных поверхностях инструмента и повышенные температуры резания, связанные с их низкой пластичностью и теплопроводностью [2,3]. Наибольшие затруднения возникают при обработке титановых сплавов с ав> 1000 МПа к которым относится сплав ВТ-20. Скорость обработки этого сплава быстрорежущим инструментом в 2- 2,5 раза меньше, чем твердосплавным, однако по надежности при прерывистом резании быстрорежущий инструмент обладает заметным преимуществом — имеет значительно больший предел прочности на растяжение. Это предопределяет меньшее количество внезапных отказов инструмента из-за хрупкого разрушения — скалывания и выкрашивания. Доля отказов при фрезеровании твердосплавным инструментом из-за скалывания и выкрашивания составляет 75%, в то время как у инструмента из быстрорежущих сталей этот показатель составляет около 1%-2%. Следует иметь ввиду, что доля отказов концевых фрез из-за скалывания увеличивается при превышении допустимых значений текущего износа рабочих поверхностей, которые снижают прочность зубьев фрезы.

Таким образом, разработка автоматизированных систем оценки (диагностирования) текущего состояния режущего инструмента при фрезеровании поверхностей деталей из титановых сплавов с целью соответствующего управляющего воздействия на процесс резания является очень актуальной проблемой для автоматизированного производства.

На основании вышеизложенного была сформулирована основная цель работы, которая заключается в разработке алгоритма управления процессом фрезерования титановых сплавов путем автоматизированной оценки текущего состояния режущего инструмента по силовым параметрам.

Для решения поставленной цели, в работе были решены следующие задачи:

• исследованы особенности изнашивания концевых быстрорежущих фрез при обработке титановых сплавов и установлен критерия их отказа;

• разработана автоматизированная система измерения физических параметров процесса резания;

• установлена функциональная взаимосвязь и разработаны модели зависимости между критерием отказа и физическими параметрами процесса фрезерования титановых сплавов быстрорежущими концевыми фрезами и выбран косвенный диагностический признак состояния режущего инструмента;

• разработан алгоритм управления процессом фрезерования титановых сплавов путем автоматизированной оценки износа быстрорежущих концевых фрез при фрезеровании криволинейных поверхностей.

При решении перечисленных задач были получены следующие научные и практические результаты.

Научная новизна работы заключается в:

— построении математических моделей зависимости изменения составляющих силы резания от износа концевых быстрорежущих фрез при обработке криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов;

— разработке алгоритма реализации метода управления процессом фрезерования титановых сплавов на основе косвенной оценки износа быстрорежущих концевых фрез.

Практическая ценность работы состоит в:

— разработке рекомендаций по выбору косвенных диагностических признаков оценки состояния инструмента при фрезеровании криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов;

— разработке программы расчета мгновенных значений составляющих силы резания для различных сочетаний факторов процесса фрезерования с учетом износа быстрорежущих концевых фрез.

Результаты работы были доложены на заседаниях кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» МГТУ «СТАНКИН», на Международных научно-технических конференциях «Производство. Технология. Экология — 2003» в Москве, «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технология National Instruments» в Москве, «Интернет-конференция молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения» в Москве. Кроме того, в 2003 году результаты работы были удостоены серебряной медали третьего Московского международного салона инноваций и инвестиций.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки» профессору, д.т.н. С. Н. Григорьеву, а также преподавателям и сотрудникам кафедры «Высокоэффективные технологии обработки» за помощь, оказанную при выполнении работы.

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. В результате исследований установлено влияние износа режущего инструмента на составляющие силы резания. Наибольшим относительным приростом обладает составляющая Fv силы резания при встречном фрезеровании и составляющая FH при попутном фрезеровании. Они могут быть выбраны в качестве косвенных диагностических признаков состояния режущего инструмента при обработке титановых сплавов.

2. Разработанная математическая модель позволяет рассчитывать мгновенные значения составляющих силы резания при фрезеровании криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов для различных факторов процесса с учетом износа инструмента.

3. На основе изучения динамики силовых параметров предложен способ оценки состояния режущего инструмента, заключающийся в измерении амплитуды импульсов силовых параметров с помощью акселерометров.

4. На базе программного обеспечения и аппаратуры ввода-вывода National Instrument (N1) разработана программа, представляющая собой набор виртуальных приборов, которая позволяет отображать информацию о протекании процесса фрезерования.

5. Разработанный алгоритм управления процессом фрезерования титановых сплавов, основанный на оценке текущего состояния концевых быстрорежущих фрез, позволяет обеспечивать надежность процесса фрезерования за счет поддержания работоспособного состояния режущего инструмента.