7. Методы диагностики состояния режущего инструмента
7.1. Диагностика как средство повышения надежности
Надежность любых технических средств, а тем более средств, работающих в автоматизированном или автоматическом режиме, является одним из основных свойств, по которому оценивается целесообразность применения этих средств в производстве. Надежность (по ГОСТ 27.002-83) - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность состоит из сочетания свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Для количественной характеристики надежности технологического оборудования в настоящее время принято использовать среднюю наработку на отказ (характеризует безотказность) - отношение продолжительности работы восстанавливаемого оборудования к математическому ожиданию числа отказов в течение этой наработки, и коэффициент технического использования (комплексный показатель, характеризующий все свойства надежности) - отношение математического ожидания интервалов времени пребывания в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий интервалов времени пребывания в работоспособном состоянии, простоев, обусловленных техническим обслуживанием, и ремонтов за тот же период эксплуатации.
Функциональный контроль применяют в процессе эксплуатации оборудования, а текстовой контроль, как правило, после изготовления, а также при ремонте. Конечной целью диагностирования является коррекция - устранение дефекта или его последствий. Применительно к ГПС коррекция означает либо исключение из технологического процесса неисправного элемента (сломанного инструмента, вышедших из строя станка, робота и т.д.), либо в случае его параметрического отказа, когда элемент ГПС работоспособен, но его характеристики изменились, перестройку технологического процесса. Например, в случае зафиксированного размерного износа режущего инструмента должна быть изменена управляющая программа обработки детали с учетом изменения размеров. Парирование дефекта может производиться за счет введения структурной или информационной избыточности (в ГПС заранее вводится резервное, избыточное оборудование- транспортная система, магазины инструмента и т. д.).
С целью повышения работоспособности автоматизированного оборудования, обеспечение заданной размерной точности изготовляемых изделий с достаточно низкой шероховатостью поверхности обработки предусматривается введение устройства диагностирования процесса резания.
7.2. Проблема надежности режущего инструмента в условиях автоматизированного производства.
При создании высокоавтоматизированных гибких производительных систем необходимо использовать специальные диагностические устройства, осуществляющие надежный автоматический контроль за состоянием основных узлов и процессов в станке при металлообработке. При этом особое внимание уделяется режущему инструменту и его работоспособности, так как несвоевременное обнаружение отказов инструмента может иметь самые различные последствия - от появления брака до аварии станка и т.д.
В связи с этим необходимо предусматривать контроль текущего состояния режущего инструмента с заменой отказавшего инструмента резервным, а при необходимости и с заменой забракованной заготовки, что предусматривается нормативно – технической документацией.
Автоматический контроль состояния и резервирование режущего инструмента позволяют:
- Повысить надежность процесса металлообработки (определять правильность его протекания, автоматически восстанавливать работоспособность станка при отказах инструмента.
- Уменьшить расход инструмента.
- Улучшить качества обработки и сократить брак.
- Предохранить механизмы и узлы станка от поломки и преждевременной потери точности.
- Повысить режимы обработки.
- Реализовать "безлюдную технологию".
Все это приводит к необходимости использования автоматических систем диагностики состояния инструмента при работе станков автоматических производств.
Этот вопрос может решаться на разных уровнях:
- Создание систем, контролирующих только целостность инструмента перед началом выполнения процесса обработки.
- Непрерывный контроль поломок инструмента в процессе обработки.
- Непрерывный контроль поломок инструмента в процессе обработки и периодическая или непрерывная оценка износа с целью коррекции положения инструмента и прогнозирование оставшегося ресурса работоспособности.
Использование диагностической системы того или иного уровня зависит от требований, предъявляемых к надежности работы станка, точности обработки, экономических показателей и т. д.
Выбор методов и средств контроля и диагностирования режущего инструмента тесно связан с изучением с наиболее распространенных отказов, причин возникновения и возможных последствий. При этом важно выявление таких отказов, которые приводят к большим простоям оборудования и высоким расходам.
Рабочие поверхности режущего инструмента в процессе резания подвергаются действию различного рода напряжений, высоких температур поверхностно-активных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), что уменьшает работоспособность инструмента из-за пластического деформирования, поломок, износа. Происходит износ. При этом конструктивные элементы режущей части инструмента разрушаются в результате постоянно нарастающего износа как по задней, так и по передней поверхности. В связи с этим повышается процент брака при обработке и увеличивается время восстановления нарушений в работе технологической системы (уменьшается производительность). К основным видам нарушений работоспособности режущего инструмента относят: износ, выкрашивание, поломки и скалывание.
Как показывает практика и эксперименты поломки вызывают большое число отказов в начале и середине работы инструмента. В начальный период работы инструмента идет повышенный размерный износ, затем, стабильный период нормального износа, практически пропорциональному пути резания.
У большинства металлорежущих инструментов нарушения работоспособности при выполнении различных технологических операций составляют: 10% - скалывание, 12% - отделение режущей части, 21% - поломоки, 22% - выкрашивание и около 35% - износ. При этом затраты времени на обнаружение и удаление вышедших из строя металлорежущих инструментов составляют около 10% от времени работы металлорежущих систем.
Таким образом, диагностированние износа режущего инструмента имеет большое значение для повышения надежности автоматизированного оборудования.
7.3 Классификация методов контроля состояния режущего инструмента
Существующие методы активного контроля состояния режущего инструмента можно разделить на прямые и косвенные (рис. 27):
Рис. 27. Методы измерения износа режущего инструмента
а) прямые методы измерения. Эти методы предусматривают непосредственное измерение параметров износа, при этом контролируется износ (по лунке, образующейся на передней поверхности), расстояние от режущей кромки до центра лунки, глубина лунки, ширина ленточки износа по задней поверхности, уменьшение объема или массы инструмента, размерный износ режущей кромки, разброс размеров деталей в партии и т.д. Указанные параметры могут быть определены радиоактивными, оптико-телевизионными, лазерными, электромеханическими, ультразвуковыми или пневматическими методами.
Радиоактивный метод основан на применении радиоактивных датчиков. Режущая пластина облучается нейтронами, и в процессе резания небольшие радиоактивные частицы инструмента отходят вместе со стружкой. Стружка проходит через измерительную головку, где измеряется уровень радиоактивности. Уровень радиоактивности стружки зависит от объема унесенного инструментального материала и, следовательно, от полного износа инструмента. Радиоактивные частицы предлагается размещать по границам зоны износа (рис.28) или на задней грани на уровне величины критического износа (hзкр). Падение радиоактивности означает, что зона износа распространилась дальше мест расположения радиоактивных частиц.
Рис.28. Режущий инструмент, оснащенный радиоактивными частицами
Недостатками данных способов являются низкая точность, сложная измерительная аппаратура, невозможность работы с переточенным РИ, необходимость работы с радиоактивными веществами. Поэтому несмотря на относительную простоту реализации данного способа, он практически не получил распространения.
Оптические и оптико-электронные устройства измерения износа основаны на том, что с изменением износа изменяется отражательная способность задней грани инструмента.
Рис.29. Оптико-электронный датчик:
1 - державка инструмента, 2 - режущая пластина, 3 - осветитель, LL - фокусирующие линзы, Pт - фотосопротивление.
В устройстве (рис.29) оптико-электронный датчик фокусирует изображение на оптическую щель, за которой располагается катод фотоусилителя. Датчик обладает высокой разрешающей способностью: 0,0025 мм. Существует еще несколько схем применения подобных датчиков. На рис.30 показана схема контроля износа шлифовального круга, особенностью которого является низкая отражательная способность. Поэтому на круг закрепляют две светоотражающие пластинки, одна из которых уменьшается в размерах с износом круга. Износ круга измеряется, как уменьшение отражательной способности этой пластины.
Учитывая развитие современной оптоволоконной техники, позволяющей упростить процесс измерения и высокую точность получаемых результатов, следует отметить перспективность применения данного метода измерения износа режущего инструмента. Недостатком способа является высокая чувствительность к внешним условиям эксплуатации (запыленность воздуха, влияние СОЖ и т.д.), что является существенным препятствием для его внедрения в производственных условиях.
Рис.30. Схема блока измерения износа инструмента с низкой отражательной способностью:
1 - осветители, 2 - объектив, 3 - полевая диафрагма, 4 - конденсатор, 5 - два фотосопротивления, 6- блок сравнения, 7 - регистратор износа, 8 - отражающий элемент, находящийся вне зоны износа, 9 - отражающий элемент, находящийся в зоне резания, 10 - шлифовальный круг.
Пневматический метод основан на зависимости сопротивления истечению воздушной струи от расстояния между соплом датчика и контролируемой поверхностью. В таком методе измерения износа резца в качестве измерительного устройства используется пневматический датчик (рис.31). Предлагается сопло располагать в режущей пластине инструмента. С ростом износа инструмента сокращается расстояние между соплом и поверхностью резания детали. Это приводит к изменению сопротивления истечению воздушной струи.
Измеряя изменение этого сопротивления можно судить о размерном износе инструмента. Данный способ не лишен существенных недостатков. К ним необходимо отнести, во-первых, сложность практической реализации, связанную с необходимостью применения специальных конструкций инструмента с пневмоканалами, а также с обеспечением подачи воздуха при автоматической смене инструмента; во вторых, зависимость результатов измерения от точности и шероховатости поверхности "заслонки". Поэтому данный способ целесообразно применять только на отделочных операциях.
В ряде работ приведены описание и результаты испытаний системы непрерывного контроля износа инструмента при точении. Система основана на использовании дифференциального бесконтактного пневматического датчика, сопло которого расположено на державке резца в непосредственной близости от режущей пластины со стороны обработанной поверхности. Перед началом обработки давление в измерительной цепи балансируется таким образом, что нулевое показание регистрирующего прибора соответствует положению вершины резца, обеспечивающему получение требуемого диаметра детали.
Pис.31. Устройство для измерения радиального износа режущего инструмента:
1 - державка резца, 2 - опорная пластина, 3 - режущая пластина, 4 - измерительное сопло, 5 - пневмоканал, 6 - дроссель, 7 - индикатор, 8 - регулятор, 9 - фильтр, 10 - питающая сеть, 11 - уплотнитель.
По мере износа инструмента увеличивается зазор между соплом и обработанной поверхностью, что соответствует положительному рассогласованию измерительной системы. Предлагаемая система может быть использована а станках с адаптивным управлением и автоматической сменой инструментов.
Электромеханический метод обеспечивает измерение износа инструмента в рабочем пространстве станка с помощью контактных датчиков при установке суппорта в позицию, определяемую конструктивным расположением измерительного устройства. В большинстве случаев измерительные устройства размещаются непосредственно на станке и в период измерительного цикла станок работает в режиме координатно-измерительной машины. При этом методе датчик располагают на задней бабке токарного гидрокопировального станка или закрепляют на передней стенке коробки скоростей. В приведенных системах измерение износа производится при подводе инструмента к датчику. Датчик преобразует перемещение щупа, движущегося по инструменту, в электрический сигнал, а о величине износа судят по разности измеренных сигналов датчика до и после обработки.
Достоинством этого способа является отсутствие влияния условий обработки на результат измерений. Однако данный способ может быть использован далеко не на всех станках, поскольку наличие в рабочем пространстве станка дополнительного устройства снижает универсальность станка и уменьшает его надежность. Стружка, смазка и СОЖ в ряде случаев делают этот способ не пригодным. К тому же необходимо учесть, что из-за лишних перемещений, необходимых для контроля износа инструмента, снижается производительность станка.
Ультразвуковой метод обеспечивает диагностирование состояния режущего инструмента, основанное на измерении длины режущего лезвия, за счет определения времени прохождения ультразвуковой волной заданного расстояния. Зная скорость и время распространения ультразвука в среде, легко определить известный путь.
Ультразвуковые колебания в среде в виде импульса возбуждаются пьезоэлектрическим источником. Если эти импульсы наталкиваются на препятствие, то часть энергии излученной волны отражается и возвращается к источнику излучения в виде эхо-импульса. В этот момент времени пьезопреобразователь переходит из режима излучения в режим приема.
Время между передним фронтом передаваемого импульса и передним фронтом эхо-импульса является временем прохождением импульсом расстояния передатчик-отражатель-приемник, которое может быть измерено с точностью до 1 нс. Установлено, что методом ультразвукового контроля можно измерить разницу пути с точностью +-2 мкм.
б) Косвенные методы измерения износа режущего инструмента. В связи со сложностями использования в производственных условиях прямых методов определения состояния режущего инструмента, в нашей стране и за рубежом проводились и проводятся многочисленные работы, направленные на использование возможности оценки состояния инструмента по измерению различных параметров процессов, сопровождающих резание. При использовании косвенных методов датчиками принимаются сигналы, поступающие от определенных участков инструмента, машины, заготовки и содержащие информацию о размерах и скорости износа инструмента.
Измерение размеров заготовки. Существует достаточно большое количество способов косвенного измерения параметров в процессе обработки, основанных на измерении заготовки. При механическом косвенном измерении контроль размеров осуществляется с помощью щупов. Анализируются различные методы измерения деталей непосредственно на станке. Деталь может измеряться с помощью щупа, закрепленного в инструментальной головке, которая с помощью УЧПУ перемещается относительно детали. Этот метод требует значительных дополнительных затрат, а также высокой точности станка и его измерительной системы. Рассматриваются вопросы применения контактных датчиков, оснащенных щупами, на станках с УЧПУ типа CNC. Контактные датчики используются в цикле обработки, но не во время процесса резания. Использование такого способа на операциях настройки инструмента дает экономию времени до 95%.
Кроме механического способа измерения существует ряд других способов (пневматических, оптических, индуктивных, емкостных, фотоэлектрических, электронных) для определения размерных характеристик заготовки, которые могут использоваться и для косвенных измерений параметров износа инструмента. Но точность измеренных параметров износа невысокая, так как она зависит от ошибок при изготовлении элементов системы обработки, ошибок, вызванных упругими деформациями в системе обработки, погрешностей вследствие температурных деформаций и т.д. Возможно использование и лазерных датчиков для косвенного измерения износа или длины инструмента, так как они относятся к классу датчиков высшего качества, точности и надежности измеренных параметров заготовки.
Измерение шероховатостей обработанной поверхности. Шероховатость обработанной поверхности зависит от геометрических характеристик режущей части инструмента. Одной из таких характеристик является износ инструмента. Анализ показывает, что шероховатость трудно использовать в качестве контролируемого параметра в силу его нестабильности, т.е. работа такой системы будет мало надежной. В то же время измерение шероховатости характеризуется большой сложностью, требующей применения точного оборудования.
Измерение температуры резания и электрических характеристик зоны резания. Метод косвенного измерения параметров износа инструмента путем непрерывного или периодического измерения температуры резания в процессе обработки основывается на зависимости между температурой резания и параметрами износа инструмента для заданного сочетания материала заготовки и инструмента и для данных условий и режимов обработки.
В качестве критерия износа используется интенсивность тепловыделения в зоне резания. Считается, что одним из наиболее простых и надежных методов автоматического контроля износа инструментов в условиях малолюдной технологии является измерение теплового потока в инструменте, определяемого перепадом температур в двух точках корпуса инструмента в близи режущих кромок.
Существует устройство для непрерывного контроля тепловыделения инструмента в процессе обработки резанием. Твердосплавная режущая пластина впаивается в медную оправку, в теле которой имеется сквозное отверстие. Оправка с пластиной устанавливается с помощью изолированной прокладки или покрытия на резце. Через отверстие в оправке в процессе обработки непрерывно протекает вода, играющая роль теплоносителя.
В период изнашивания режущей кромки твердосплавной пластины разность температур входящего и выходящего потоков воды непрерывно возрастает и достигает своего максимального значения при полном износе пластины. Разность температур потоков воды измеряется мостовым методом непрерывно в процессе обработки. Недостатками метода является: малая точность, необходимость специального инструмента.
Измерение Т.Э.Д.С. (термо-электродвижущей силы резания) позволяет получить информацию из зоны резания о состоянии режущего инструмента непосредственно путем измерения Т.Э.Д.С., генерируемой в зоне скользящего контакта режущего инструмента с обрабатываемой деталью. Существуют результаты при исследовании влияния технологических режимов, а также износа инструмента на параметры Т.Э.Д.С. (постоянную и переменную составляющие), интенсивность колебаний в различных частотных диапазонах, измеренные методом естественной термопары. Показано, что износ инструмента, в основном, влияет на переменную составляющую Т.Э.Д.С.
Для измерения ее величины необходимы токосъемник и изолирование режущего инструмента от станка, что в реальных условиях эксплуатации вызывает ряд дополнительных трудностей. Надо отметить и тот факт, что в литературе нет строгих зависимостей между термоэлектрическими явлениями и износом режущего инструмента.
Виброакустические измерения. Ряд исследований посвящен определению зависимости между вибрациями станков и износом инструмента. Все работы в этом направлении можно разделить на 2группы:
- Использующие в качестве сигнала волны акустической эмиссии, колебания генерируемые в зоне резания, в диапазоне частот, больших 100 КГц;
- Использующие в качестве сигнала параметры колебаний технологической системы и колебаний, генерируемых в зоне резания в диапазоне от 20 Гц до 60 КГц, включающем звуковой диапазон.
При исследовании колебаний технологической системы станка с износом инструмента связывают и соотношение между высокочастотными и низкочастотными колебаниями технологической системы.
При исследовании сигналов акустической эмиссии используют спектральный анализ, интегральные характеристики, а также амплитудный анализ сигналов.
Вибрационный метод, основан на регистрации характеристик вибрации инструмента в процессе обработки. Предлагается разлагать виброакустический сигнал на низкочастотные и высокочастотные составляющие, по соотношению которых судят об износе инструмента.
Судить о достоинствах и недостатках данного метода сложно, так как в разных источниках приводятся самые разные данные по распределению спектра вибраций и, соответственно, предлагается использовать различные его участки для диагностирования состояния режущего инструмента.
Интенсивность высокочастотных волн напряжений (полоса частот обычно 200-1200 КГц) может быть использовано в качестве диагностического сигнала о состоянии инструмента, обрабатываемости материала, и для оптимизации скорости резания и геометрии инструмента. Основным недостатком метода является то, что датчик для регистрации процессов акустической эмиссии необходимо располагать непосредственной близости от зоны резания. Во всех публикациях отмечено, что датчик наклеивался непосредственно на резец, т.к. даже неподвижный стык ослабляет регистрируемый сигнал более, чем в 10 раз.
Силовые измерения. Одним из наиболее известных косвенных способов контроля состояния режущего инструмента является способ, основанный на измерении сил резания и крутящего момента.
Сила резания является наиболее информативным параметром, характеризующим непосредственно взаимодействие режущего инструмента и детали. Дело в том, что уже давно было замечено возрастание составляющих сил резания с ростом фаски износа инструмента по задней грани. Если измерять степень затупления резца шириной фаски износа по задней грани, то все составляющие силы резания растут.
Поскольку о величине сил резания судят на основании измерения деформаций элементов технологической системы, нагруженных этими силами, то предпринимались попытки измерять деформации элементов, достаточно удаленных от зоны резания. Это делалось для того, чтобы не снижать универсальность станков и упростить конструкцию динамометрической системы. Но в этом случае не удается избежать конструктивных сложностей.
С изменением износа режущего инструмента изменяется сила резания, что приводит к изменению крутящего момента в процессе резания. Поэтому регистрация крутящего момента может служить параметром по которому можно оценить износ, поломку или целостность инструмента. В качестве контролируемого, параметра предлагается использовать электрический ток в цепи привода подачи и в электродвигателе главного привода, который пропорционален крутящему моменту. Отмечается запаздывание токового сигнала на 40-80 мс от сигнала датчика в трехкомпонентном резцедержателе при ступенчатых изменениях глубины резания. Поэтому такой сигнал может быть использован для контроля поломок инструмента при черновых операциях.
Измерение мощности резания. В результате изменения крутящего момента на валу двигателя вследствие изменения состояния режущего инструмента изменяется его потребляемая мощность. Поэтому регистрация колебания потребляемой из сети мощности приводными электродвигателями может служить параметром, по которому можно оценить износ режущего инструмента. Такой метод измерения является одним из наиболее простых для контроля состояния режущего инструмента в процессе резания. К достоинствам данного способа контроля следует отнести его простоту, невысокую стоимость, доступность информативного параметра, отсутствие существенной модернизации оборудования.
С помощью электронных устройств контроль целостности инструмента может осуществляться путем измерения мощности, развиваемой электродвигателем. Ограничением для использования таких устройств являются случаи обработки инструментами малого диаметра, при которых мощность, развиваемая приводным электродвигателем, практически не отличается от мощности холостого хода.
Другой существенный недостаток способа заключается в том, что датчики, следящие за величиной крутящего момента и мощностью, развиваемой электродвигателем, недостаточно эффективны, так как изменение крутящего момента и мощности происходит недостаточно быстро.
Устройство контроля состояния инструмента по току электродвигателя главного привода позволяет зафиксировать износ инструмента при превышении уровня тока, например на 20%, и поломку инструмента при его возрастании на 50%, выдавая команду на остановку станка.