Повышение эффективности обработки материалов резанием непрерывно связано с созданием новых и совершенствованием существующих методов и средств контроля процесса обработки деталей, что должно базироваться на более глубоком представлении о физической сущности процесса резания и исследовании взаимосвязи, естественно возникающих при резании, явлений с износом режущего инструмента.

Постановка задачи

Процесс резания является сложным комплексом физико-химических явлений, таких как механических, тепловых, электрических, диффузионных, адгезионных и др., которые возникают в результате взаимодействия инструмента с деталью.

Исследования

На поверхности контакта инструмента с деталью происходят изменения состояния внутреннего движения атомов и молекул, что и определяет электромагнитные явления [2]. В результате этого на контактных поверхностях совершаются сложные реакции перемещений, разложений и соединений микрочастиц. Любая материальная система всегда стремится к состоянию, которое характеризируется минимумом энергии. Так как процесс резания это прежде всего процесс разрушения, сопровождающийся переходом элементарных частиц из состояния с большим значением энергии в состояние с меньшим значением энергии, то выделяется на первом этапе взаимодействия часть избыточной энергии в виде упругих и электромагнитных волн, а также в виде электрической энергии.

В результате пластической деформации при резании атомы, находящиеся в момент перескока в ядре дислокации, совершают колебания, что сопровождается излучением электромагнитных волн. С другой стороны колебания атомов приводят к появлении так называемых «активных центров» с пониженной работой выхода электронов в окрестностях дефектов структуры. При этом некоторые электроны выходят на границу раздела «инструмент-деталь», появляется разность электрических потенциалов  между контактными поверхностями, что сопровождается генерированием электрических сигналов.

На основании рассмотрения процесса резания на микроструктурном уровне можно сделать вывод о том, что процесс стружкообразования  сопровождается генерированием электрических сигналов и электромагнитным излучением.  В связи с этим электрические сигналы и электромагнитное излучение из зоны резания должны нести информацию о процессах, происходящих на контактных поверхностях режущего инструмента с обрабатываемой деталью. Поэтому, измерение в процессе резания электрических сигналов и потока электромагнитного излучения из зоны резания, например, в инфракрасной области спектра, позволит создать систему контроля работоспособности режущего инструмента.

Измерения ЭДС резания является сложным и до конца еще не решенным заданием. Как правило, измеряют переменную составляющую ЭДС, используя токосъемное устройство [1]. Изолируя режущий инструмент и деталь от массы станка, которые снижают универсальность оборудования, все это приводит к техническим трудностям реализации и, главное, до промышленного внедрения систем контроля изнашивания инструмента на основе ЭДС резания.

Поэтому, было разработанное устройство для измерения ЭДС резания [3] без применения токоснимателя, изоляции инструмента и детали, от массы станка, который даст возможность  широко использовать его в производственных условиях.

Разработанное устройство состоит из магнитного торроидального ферритового сердечника, установленного непосредственно в резцедержателе, что охватывает державку режущего инструмента. Катушка обмотки установлена на другом конце магнитного сердечника, возникающая в процессе резания ЭДС, вызывает протекание в системе переменного тока, при этом саму систему можно представить в виде одного витка первичной обмотки. Переменный ток, который протекает по режущему инструменту, наводит переменный магнитный поток в сердечнике. При измерении используют режим холостого хода трансформатора тока. В этом режиме магнитный поток увеличивается в результате отсутствия тока размагничивания, которое в свою очередь резко увеличивает ЭДС во вторичной обмотке. Электродвижущая сила, которая возникает во вторичной обмотке, зависит от конструктивных параметров сердечника, числа витков вторичной обмотки, силы тока, который протекает по резцу и частоты изменения магнитного потока. Величина частоты изменения магнитного потока пропорциональна частоте изменения тока и соответственно ЭДС резания.

В качестве второго параметра системы контроля используют инфракрасное излучение из зоны контакта резец-заготовка. ИК спектры выпускают возбужденные атомы или ионы при переходах между близко расположенными электронными уровнями энергии, что в нашем случае и происходит в результате адгезии . Для контроля ИК излучения рабочей зоны используют приемники ИК излучения, например , TSOP 4038, TSOP 58038, TSOP 5038, у которых есть цифровой выход и постоянный коэффициент усиления, который обеспечивает стабильность порога срабатывания датчика и его рабочей дальности действия. Сигнал из приемника ИК излучения поступает в цифровой блок обработки информации для сохранения и последующей обработки. Путем сравнения допустимых значений специализированной базы данных со значениями в соответствующих местах измерения рабочей зоны определяется критическим уровнем износа.

Система контроля режущего инструмента [4] состоит из устройства 1 (рис.1) измерения ЭДС резания и устройства 2 измерения потока инфракрасного излучения из зоны резания, которые параллельно подключены через усилители 3 и 4 электрических сигналов к датчику качания 5 и датчику 6 износа режущего инструмента. Первый выход датчика 5 касания и датчика 6 износа инструмента подключены к блоку 7 управления приводом подачи металлорежущего станка. Второй выход датчика 5 касания подключен к входу блока 8 «конец введения» устройства числового программного управления.

Рис.1 Блок-схема системы контроля процесса обработки деталей в условиях автоматизированного производства

            На выходе датчика износа формируються сигналы при условии достижения режущим инструментом величины критического износа. В датчике износа происходит сравнение интегрального уровня сигнала ,заданного на цифро-аналоговом преобразователе и соответствующей величине критического износа режущего инструмента.

Выводы:

На основании рассмотрения процесса обработки деталей приборов в условии автоматизированного производства, можно сделать выводы о том , что с увеличением износа инструмента по задней поверхности увеличивается фактическая  площадь контакта инструмента с деталью, где происходит взаимодействие инструментального и обрабатываемого материалов. В результате этого взаимодействия на поверхности контакта  происходит процесс обмена электронами, что сопровождается возникновением импульса сигнала. Поэтому с увеличением износа инструмента увеличивается фактическая  площадь контакта, растет частота возникновения всплеска сигнала, а также его общий уровень.

Промышленная апробация систем контроля процесса обработки деталей приборов в условии автоматизированного производства на основе ЭДС резания и ИК излучения показала высокую эксплуатационную надежность и точность, что позволяет эффективно использовать их в устройствах автоматического управления процессом обработки материалов на станках с ЧПУ , в условиях «безлюдной технологии».

Быстрое увеличение объемов и темпов производства предъявляет высокие требования к средствам контроля процесса обработки, локализации и устранения неисправностей, а как следствие – повышение качества.

Потеря режущей способности инструмента, то есть его износ, является основной причиной брака продукции и в большинстве случаев – отказ основных узлов станка. Работа чрезмерно изношенным режущим инструментом может привести к потере дорогого инструментального материала. Поэтому своевременный контроль состояния инструмента, а также коррекция производственного процесса в режиме реального времени просто необходимы.[1]

В настоящее время существует достаточно много методов контроля режущего инструмента. Некоторые из них являются устаревшими, некоторые – трудно реализовать, а некоторые требуют совершенствования с целью повышения их скорости и надежности.

Если проанализировать все существующие методы контроля, можно прийти к выводу, что для достижения более точной работы, система диагностики режущего инструмента должна базироваться на измерении и анализе двух и более параметров процесса резания, а именно мощности резания и переменной составляющей ЭДС резанья.

В результате изменения крутящего момента на валу двигателя в результате изменения состояния режущего инструмента меняется его потребляемая мощность. Поэтому регистрация колебания из сети потребляемой мощности приводными электродвигателями может служить параметром, по которому можно оценить износ режущего инструмента.

Такой метод является одним из самых простых для контроля состояния режущего инструмента при резаньи. К преимуществам такого способа контроля можно отнести его простоту, невысокую стоимость, доступность информативного параметра, отсутствие существенной модернизации оборудования.

Рассматриваемый метод может беспрепятственно использоваться в условиях автоматизированного производства, но по сравнению с выше рассмотренными методами имеет низкую достоверность данных о состоянии режущего инструмента на основе которых трудно точно оценить величину износа.

В процессе обработки станок выполняет определенную работу. В зависимости от его мощности, выполняемая работа может быть выполнена за разное время. Мощность станка характеризуется работой, которую он выполняет за одну секунду.

Мощность в общем случае равна мощности технологического процесса, для выполнения которого и создается повод. Потребляемая мощность электродвигателя определяется по формуле:

 (1.1)или, (1.2)

где P – механическая полезная мощность на валу (указана на электродвигателе);

η - коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя;

f - угол между активной и полной мощности (Рис. 1.1);

U – напряжение источника питания, В;

I – сила тока, А;

Pa – активная мощность, кВт;

Q – реактивная мощность, ВА.

Рисунок 1.1 – Векторное представление мощностей электродвигателя

Активную мощность электродвигателя можно рассчитать по формуле:

 (1.3)или (1.4)

В то время реактивная мощность рассчитывается по формуле:

 (1.5), [2]

При проведении обработки происходит изменение нагрузки на привод станка может быть вызвано изменением режимов резания, износом режущего инструмента, поломкой станок, и тому подобное. Изменение нагрузки можно легко отслеживать по изменению активной мощности электродвигателя измеряя приложенное напряжение (U) и силу тока (I), проходящего через двигатель в определенный момент обработки.

Данный метод позволяет получить информацию из зоны резания о состоянии режущего инструмента непосредственно путем измерения ЭДС резания что генерируется в зоне скользящего контакта инструмента с обрабатываемой деталью.

Данный метод является наиболее распространенным в производстве и наиболее теоретически обоснованным.

Метод контроля состояния режущего инструмента на основе измерении ЭДС резанья позволяет очень точно оценивать состояние инструмента и может быть использован в условиях автоматизированного производства. Но несмотря на это все у данного метода есть один весомый недостаток, а именно невозможность использования при обработке неметаллических материалов.

ЭДС резания можно выразить формулой, полученной на основе экспериментов (1.6)

 (1.6)

где U – контактная разность потенциалов, B,

d – средний диаметр пятна контакта инструмента с деталью, мм,

to - постоянная стружкообразования, c.

Наиболее мощный источник электричества локализовано на задней поверхности инструмента, так как Электрическая проводимость на задней поверхности выше по сравнению с проводимостью на передней поверхности. Поэтому, электрическое напряжение, что фиксируется измерительным прибором, представляет собой в основном электрическое напряжение, возникающее на задней поверхности режущего инструмента при резке.

Исследования Зорева Н. Н. и Полетики М.Ф. показывают, что на задней поверхности инструмента присутствует упруго-пластический контакт, возникает в результате волны упругого восстановления. Принимая форму контакта инструмента с деталью в виде сферы, получим c1 = 3. Подставляя величину Sr с в, а также учитывая, что

 (1.7)

где f – частота контакта микровыступов инструмента с деталью, можно выразить величину износа режущего инструмента по задней поверхности в следующем виде (1.8)

_, (1.8), [3]

Система контроля износа режущего инструмента (рис.1.2) состоит из датчика измерения ЭДС 1, сигнал от которого через усилитель 2 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 5. На этот же АЦП через усилитель 4 поступает сигнал от датчика мощности 3. Далее сигнал поступает на блок сравнения 6. Этот блок, с учетом корректирующих параметров, что содержаться в базе данных 9 передает информацию об отклонениях от нормы на блок принятия решений 7. Данный блок передает сигнал корректировки на исполнительный механизм, который меняет значения скорости вращения шпинделя и подачи в процентном соотношении. В случае невозможности дальнейшей корректировки, исполнительный механизм включает аварийный останов, что повлечет за собой вызов оператора и смену инструмента.

Рис 1.2 – Структурная схема системы контроля износа режущего инструмента