Исследование влияния виброакустических колебаний на прогнозирование точности обработки фасонных поверхностей зубчатых колес»

Для надежной работы высокоскоростных станков для протягивания сложнофасонных поверхностей необходима разработка системы диагностики и контроля всей упругой технологической системы. Одним из самых быстроизнашиваемых элементов этой системы является протяжка. На долю отказов режущего инструмента (протяжки) приходится до 60% общего числа отказа технологического оборудования.

На точность обработки существенное влияние оказывает износ инструмента. При обработке сложнофасонных поверхностей методом копирования (в частности, протягиванием) износ режущих зубьев приводит не только к ухудшению шероховатости поверхности, но и к увеличению погрешности профиля, повышению уровня вибраций (вплоть до потери устойчивости процесса резания). При обработке циклических фасонных поверхностей (например, зубчатых профилей) износ инструмента приводит к повышению кинематической погрешности.

Для простых инструментов обрабатывающих простые поверхности существуют системы компенсации износа режущих зубьев [1]. Проблема компенсации износа сложнопрофильных инструментов недостаточно проработана, и для получения заданного качества обработки приходится или корректировать режимы резания или применять систему планово- предупредительной замены инструмента на основе расчетной стойкости. Однако разброс стойкости в одной партии инструмента колеблется от 20 до 40% [1, 2, 4]. Поэтому, если определять время замены инструмента по худшему показателю, то более стойкий инструмент не отработает до 60% своего ресурса, что ухудшит экономические показатели обработки. Без оперативной информации о фактическом ресурсе конкретного, работающего в данный момент на станке, инструмента невозможна оптимизация процесса резания по любому показателю из триады «точность - производительность - себестоимость».

При оперативной диагностике состояния инструмента необходимо решить две взаимосвязанные задачи: контроля состояния режущих кромок и размерного износа инструмента. Все способы контроля можно разделить на два вида: прямые способы (непосредственные геометрические измерения, площадки износа) и косвенные (измерения параметров процесса резания, которые коррелируется с состоянием режущей кромки инструмента, например, измерение силы резания). Недостатки прямых измерений заключаются в необходимости остановки процесса резания для измерений, и в сложности прогнозирования фактической стойкости инструмента.

Косвенные методы позволяют определять фактическое состояние инструмента и прогнозировать его реальное состояние.

Однако, при работе многозубым инструментом (протяжки, фрезы), особенной, работающим с ударом (протягивание) амплитуда колебаний силы (мощности) резания превышает их увеличение по мере износа инструмента [3], что не позволяет применять эти методы для оперативного контроля протяжного инструмента.

Резание сопровождается трением стружки и обработанной поверхности о поверхности инструмента. По мере износа возрастают не только трение, так и вибрации упругой технологической системы. Это возрастание сопровождается ростом энергии излучения в высокочастотном спектре. При приближении к критическому износу энергия излучения проявляется в характерном визге и скрипе инструмента. Наиболее удобными (и наиболее информативными) будут способы акустического контроля. Эти способы относительно просты и не требует сложного переоборудования станка, имеют хорошую информативность, помехоустойчивость и в большой степени безразличны к материалу обрабатываемой детали и инструмента.

Для использования акустического метода контроля состояния инструмента применительно к высокоскоростному протягиванию необходимо иметь данные о характере вибраций протяжного станка. Соответствующие исследования проводились в технологической лаборатории Университета машиностроения [5]. Объектом исследования являлись зубопротяжные станки мод. ПКФ-1 (двух позиционный полуавтомат; Сэус ~ 75кН/мм); КСЗ-2 (двух позиционный автомат; Сэус ~ 132кН/мм) и 5С269 (однопозиционный автомат; Сэус ~ 214 кН/мм); где: Сэус.— жесткость эквивалентной упругой системы (ЭУС). Обработке подвергались зубчатые венцы (Z = 20, т = 4,25 мм, сталь 25ХГТ,

220...240 HB; Z = 31, т = 4,0 мм, сталь 18ХГТ, 200...240 НВ; и Z= 53, т = 3,0 мм, сталь 30ХГСА, 32...35HRC).

Запись виброакустических сигналов проводилась до критического износа режущих зубьев протяжки 0,8 мм.

На рис. 8.12 показаны низкочастотные составляющие колебаний наиболее нежесткого элемента ЭУС протяжного станка (подвижного элемента протяжки).

Низкочастотные гармоники колебаний подвижного элемента протяжки

Рис. 8.12. Низкочастотные гармоники колебаний подвижного элемента протяжки: а - износ по задней поверхности 0,04...0,06 мм; 6 - износ по задней поверхности

0,75...0,8 мм

Анализ спектров низкочастотных колебаний элементов ЭУС протяжного станка показал, что, несмотря на случайный характер спектра, сохраняется общая тенденция изменения амплитудно-частотной характеристики.

Низкочастотные колебания (0 ... 1500 с'1) не дают полной информации о состоянии режущих кромок инструмента. Низкочастотная часть спектра дает полную информацию о состоянии ЭУС станка и позволяет прогнозировать как точность, так и производительность обработки.

Зону низкочастотных колебаний можно условно разделить на 3 участка: 0...500; 500 ... 800 и 800 ... 1000 с'1.

Вибрации на первом частотной участке приводят к размерной погрешности; на втором - к искажению макрогеометрии, на третьем - к ухудшению микрогеометрии.

При этом увеличение жесткости ЭУС станка приводит к уменьшению максимумов амплитуд и их смещению в сторону уменьшения частот. Наиболее опасным, с точки зрения производительности обработки, является зона второго участка. Вибрации в этой зоне приводят к появлению волнистости обработанной поверхности (рис. 8.13, а).

Внешний вид обработанной поверхности

Рис. 8.13. Внешний вид обработанной поверхности: а - волнистость; б - следы потери устойчивости процесса резания

При высоком уровне колебаний происходит отрыв передней поверхности зуба инструмента от обработанной поверхности (рис. 8,14 б), что приводит к заклиниванию режущего зуба и его поломке. Снижение уровня этих колебаний возможно за счет повышения жесткости ЭУС станка или снижения скорости резания.

Косвенной характеристикой состояния режущей кромки могут быть колебания третьего участка. В качестве критерия состояния режущих кромок часто используется величину износа при которой наблюдается резкое ухудшение шероховатости обработанной поверхности (рис. 8.14).

Профиллограмма обработанной поверхности

Рис. 8.14. Профиллограмма обработанной поверхности: а - износ по задней поверхности 0,04...0,06 мм; б - износ по задней поверхности 0,75...0,8 мм

Анализ высокочастотного спектра колебаний ЭУС протяжного станка (рис. 8.14) показал, что:

  • • уровень колебаний более устойчив;
  • • некоторые участки спектра имеют характерные максимумы, пропорциональные величине износа по задней поверхности режущих зубьев протяжки (рис. 8.15).
Высокочастотные гармоники колебаний подвижного элемента протяжки

Рис. 8.15. Высокочастотные гармоники колебаний подвижного элемента протяжки: 1 - износ по задней поверхности - 0,08...0,1 мм; 2 - износ по задней поверхности 0,75.. .0,8 мм (станок - 5С269).

Влияние износа по задней поверхности режущих зубьев круговой протяжки на изменение участка высокочастотных гармоник показано на рис. 8.16.

Из него видно, что участок высокочастотных колебаний 5 ... 12 кГц (зона акустических колебаний) дает более полную информацию о состоянии режущих зубьев протяжки.

Надо отметить, что недостатком акустического метода является наличие двух ограничений:

  • • размещение датчика как можно ближе к зоне резания;
  • • между датчиком и зоной резания должно быть минимум подвижных стыков.
Влияние износа по задней поверхности режущих зубьев протяжки на изменение участка высокочастотных гармоник (5 ... 12 кГц)

Рис. 8.16. Влияние износа по задней поверхности режущих зубьев протяжки на изменение участка высокочастотных гармоник (5 ... 12 кГц): а - износ 0,2 мм; б - 0,4 мм; в - 0,6 мм; г - 0,8 мм

Несоблюдение этих ограничений приводит к уменьшению чувствительности датчиков.

Выводы

Виброакустические измерения позволяют без остановки процесса резания проводить достаточно полную диагностику процесса резания и состояния режущих кромок инструмента. Замер низкочастотного спектра колебаний ЭУС протяжного станка позволяет прогнозировать точность обработанной заготовки и предотвращать отказ инструмента из-за потери устойчивости процесса резания. Высокочастотный спектр позволяет оперативно оценивать состояние режущих кромок инструмента, достаточно надежно определять время замены инструмента, а следовательно, эксплуатировать его с учетом реальной стойкости.

Контрольные вопросы
  • 1. Что может служить исходными материалами для выполнения семестровой учебно-исследовательской работы?
  • 2. Каким образом осуществляется согласование темы учебноисследовательской работы?
  • 3. В каких основных направлениях студент может осуществлять выполнение задания?
  • 4. Какой общий методологический подход можно рекомендовать для выполнения исследований?
  • 5. Какие рекомендации следует соблюдать при работе с научно- технической литературой?
  • 6. Как следует оформлять семестровую работу?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >