Разработка систем диагностирования процесса расточки отверстий по параметру акустического шума

Пермский национальный исследовательски политехнический университет

Аэрокосмический факультет

Кафедра «инновационные технологии машиностроения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разработка систем диагностирования процесса расточки отверстий по параметру акустического шума

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разработал ст.гр. ТМС 11-2м:

Решетов Е.А.

Проверил:  Тарасов С.В.

 

 

 

2013

Оглавление

 

 

 

 

 

Введение

 

Комплексная автоматизация металлообрабатывающего производства требует не только использования прогрессивного оборудования: станков с ЧПУ, многоцелевых станков, роботизированных технологических комплексов и др. Создание на базе этого оборудования автоматизированных производств, а в перспективе заводов-автоматов с управлением от ЭВМ ставит задачу активного технологического диагностирования процесса обработки с целью его оптимизации, контроля и управления. Поэтому проблема создания надежного аппарата технологического диагностирования процесса обработки на прогрессивном и перспективном оборудовании является актуальной.

Очевидно, что эффективность диагностики целиком и полностью определяется информативностью используемых параметров, их зависимостью от условий обработки. Традиционное использование для этой цели силы и температуры резания в ряде случаев оказывается неприемлемым или недостаточно информативным и адекватным. Поэтому в последние годы все большее внимание специалистов привлекает перспектива акустической диагностики процесса резания. Действительно, акустическое излучение всегда сопутствует процессу обработки, его спектр чрезвычайно широк: от десятков герц до сотен килогерц, а многообразие параметров предопределяет успех в выявлении тесных корреляционных связей с технологическими условиями обработки. Кроме того, высокая помехозащищенность акустических сигналов из зоны резания в области частот, превышающих частоты от шумов работающих агрегатов станка, обеспечивает получение надежной информации о таких важнейших параметрах обработки, как износ инструмента, качество поверхностного слоя деталей и др. Именно этот круг вопросов позволяет решить метод акустической эмиссии (АЭ).

 

Источники акустического излучения при резании

 

В технологической системе станок - приспособление - инструмент - заготовка при резании генерируются высокочастотные волны упругой деформации (волны напряжений), параметры и характер появления которых обусловлены динамической локальной перестройкой полей механических напряжений. Основным их источником является зона резания, в которой происходят пластическая деформация и разрушение обрабатываемого материала, разрыв фрикционных связей на контактных поверхностях инструмента. Эти процессы неизбежно связаны с динамической нагрузкой-разгрузкой твердого тела, например резца, имеют различную степень пространственно-временной локализации и порождают волны напряжений, которые распространяются в упругой среде (по элементам технологической системы и несут определенную информацию о тех процессах, в ходе которых они появляются).

Заметим, что если низкочастотные колебания вызываются нестационарностью процесса обработки и зависят от многих внешних факторов, в первую очередь от жесткостных и инерционных характеристик элементов технологической системы, то волны АЭ порождаются доминирующими физическими процессами при обработке резанием (разрушение, трение, пластическое деформирование). Это создает определенные преимущества для построения с помощью анализа зависимости их параметров от условий обработки аппарата технологической диагностики резания.

Прием, преобразование, обработка и регистрация волн напряжений носят название метода акустической эмиссии. Источники АЭ можно условно разделить на внешние и внутренние. К первым относят источники, расположенные на поверхности объекта, например волны напряжений, генерируемые при трении, соударении, обтекании турбулентным потоком жидкости или газа. Процессы лекального динамического перераспределения полей механических напряжений в объеме материала относятся к внутренним источникам АЭ (например, акты пластической деформации, микро- и макроразрушения, фазовые превращения). Рассматривая с этих позиций зону резания, можно сделать вывод о наличии в ней целого ряда источников АЭ, которые будут генерировать волны напряжений разной мощности и спектральной плотности.

Схема измерения параметров АЭ показана на рис. 1. Волны напряжений 1, генерируемые в зоне резания 2, распространяются в упругой среде, например по резцу 3 или заготовке 4, и достигают свободной поверхности, упругие смещения которой фиксируются датчиком 5. Сигнал с датчика поступает в блок обработки 6 и с него — на регистрирующее устройство 7.

Рис. 1. Схема измерения АЭ при резании.

 

Обработка сигнала АЭ может быть различна, что связано с информативностью акустического излучения, параметры которого определяются условиями протекания резания, в первую очередь скоростью деформирования обрабатываемого материала — интенсивностью его разрушения и пластического деформирования, а также трением и изнашиванием контактных поверхностей инструмента.

Помимо спектральной плотности, сигналы АЭ имеют ряд информативных параметров, анализ которых позволяет построить график зависимости между условиями протекания исследуемого процесса обработки и характером излучаемой при этом АЭ.

Приведем некоторые определения, наиболее характерных параметров АЭ, используемых при решении задач технологической диагностики. Активность АЭ — отношение числа импульсов акустической эмиссии к интервалу времени наблюдения. Амплитуда АЭ — максимальное значение сигнала АЭ в течение выбранного интервала времени. Амплитудное распределение — распределение амплитуд АЭ за исследуемый интервал времени.

Необходимо отметить, что степень корреляции между различными параметрами АЭ и исследуемой характеристикой резания может изменяться в весьма широких пределах. Однако эта зависимость от условий резания, если она есть, регистрируется достаточно надежно, так как сами параметры обычно взаимосвязаны. Поэтому при проведении экспериментов желательно регистрировать несколько параметров АЭ, например амплитуду (энергетическая характеристика) и активность (спектральная характеристика).

Как показали эксперименты, при построении зависимостей параметров АЭ от условий резания полезно использовать не только сами параметры АЭ, но и их комбинацию, включающую технологические характеристики резания, например:

где — мощность акустического излучения;

 А — амплитуда сигнала АЭ;

 — активность сигнала АЭ;

 — мощность резания.

Хорошие результаты дает обработка сигналов АЭ по критерию

Физически критерий представляет собой импульс упругих волн, генерируемых в зоне резания в единицу времени на единице пути при обработке. Большинство акустических измерений при резании носит сравнительный характер, поэтому на графиках параметры АЭ или технологические критерии, выраженные формулами (1), (2), представляются обычно в относительных или условных единицах, например в миллиметрах отклонения пера самописца. Однако амплитуду АЭ можно задавать в единицах давления. Иногда параметры АЭ приводят по входу датчика; для этого электрический сигнал, снимаемый с регистрирующей аппаратуры, делят на суммарный коэффициент усиления измерительной аппаратуры.

 

Применяемая аппаратура и методика измерений

 

Для приема сигналов АЭ и их регистрации технически более удобно оперировать электрическими сигналами, полученными в результате преобразования части энергии колебаний в электрическую энергию, так как дальнейшая обработка информации может быть выполнена с помощью электронной аппаратуры. Однако это не исключает использование оптических и других бесконтактных методов измерения АЭ, к основным достоинствам которых следует отнести:

1. отсутствие необходимости в акустическом контакте датчика с исследуемым объектом;
2. возможность исследования АЭ при высоких (выше точки Кюри для пьезопреобразователей) температурах;
3. безинерпионность, отсутствие разброса характеристик, малую площадь исследуемого объекта.

Однако на практике наибольшее распространение получили комплекты и приборы для измерения сигналов АЭ, в качестве чувствительного элемента которых используется пьезокерамика, при выборе которой необходимо учитывать температуру Кюри, механическую прочность и другие эксплуатационные характеристики, изложенные в ГОСТ 1392-68.

Анализ показывает, что для измерения АЭ при обработке резанием наиболее полно функциональным требованиям удовлетворяет искусственная пьезокерамика благодаря высокой прочности, стабильности свойств, малой гигроскопичности, сравнительно высокой температуры Кюри. Так как при резании сигнал АЭ обычно достаточно мощный, то керамический элемент в преобразователе может быть задемпфирован, что приводит к более равномерной амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) датчика; в то время как отсутствие демпфирования позволяет на резонансной частоте добиваться более высокой чувствительности измерительной аппаратуры при относительно широкой полосе пропускания.

Типовая конструкция пьезопреобразователя схематически показана на рис. 2. Пьезоэлемент 1 из керамики ЦТС в виде диска, поляризованного по толщине, опирается по периметру на кольцевую шайбу 2 из фторопласта для изоляции от корпуса 3. К внутренней посеребренной поверхности керамики подпаян низкотемпературным припоем (например, сплавом Вуда) гибкий проводник 5 диаметром 0,07-0,1 мм. Заряды снимаются с токосъемника 4 шайбы 6, выполненной из фольгированного стеклотекстолита СФ-1. Другая поверхность керамики соединяется с корпусом проводниками 7. Для закрепления керамики по контуру, защиты ее от истирания и механических повреждений, согласования акустических сопротивлений и изоляции от объекта испытаний используется эпоксидный компауд К-115. В другом варианте конструкции корпус изготовляют с металлическим дном, к которому эпоксидной смолой прикрепляют пьезокерамику.

 

Рис. 2. Пьеэопреобраэователь акустической эмиссия.

 

Для анализа АЭ при резании металлов обычно используются многоцелевые комплекты аппаратуры, которые впоследствии могут быть модернизированы для измерения отдельных информативных параметров АЭ или их комплексов и технологических волновых критериев, позволяющих осуществлять диагностику той или иной характеристики механической обработки.

Структурная схема типового комплекта для измерения АЭ включает в себя следующие основные элементы (рис. 3): приемный преобразователь, усилитель, полосовые фильтры, устройство для регулирования порога ограничения (дискриминатор), устройства для измерения параметров АЭ, наблюдения и регистрации сигналов и их параметров. Для уменьшения искажения и ослабления сигнала АЭ, предварительный усилитель необходимо размещать в непосредственной близости от пьезопреобразователя. Однако при резании с высокими скоростями или при шлифовании, измерение АЭ, как показали эксперименты, может проводиться без использования предварительного усилителя из-за достаточной мощности сигналов. Одновременно с измерением параметров АЭ измеряют технологические параметры резания: скорость, силу, температуру и др.

Особо необходимо отметить способ и место крепления акустического датчика. Так как источником электрического сигнала АЭ являются упругие волны, генерируемые в зоне резания, то при их распространении имеют место все волновые явления, в первую очередь затухание и отражение на границе раздела двух сред, причем, чем больше разность акустических сопротивлений в месте контакта, тем большая часть волновой энергии отражается. Поэтому место установки датчика желательно приближать к зоне резания, а если это невозможно, то снижать акустические потери волнового тракта можно путем выбора материалов с минимальной разностью акустических сопротивлений.

 

Рис. 3. Схема измерения сигнала АЭ при резании.

 

1 - пьезопреобразователь; 2 - предварительный усилитель; 3 - блок полосовых фильтров; 4 - дискриминатор; 5 - широкополосный усилитель;       6 — пиковый детектор; 7 - интенсиметр; 8 - регистрирующее устройство;      9 - формирователь импульсов; 10 - амплитудный анализатор;                          11 - цифропечатающее устройство; 12 - запоминающий осциллограф;          13 - анализатор спектра; 14 - блок измерения неакустических технологических параметров резания.

 

Место контакта с элементом технологической системы также должно обладать минимальным акустическим сопротивлением, причем, как показала практика измерения АЭ при резании, эффективным средством решения этой задачи является применение консистентных и жидких смазочных материалов: солидола, веретенного масла и т. п. Если нет возможности установить датчик на неподвижный элемент технологической системы (резец, зажимное приспособление, заготовка), то необходимо использовать различные подвижные контакты, например ртутные, между жесткозакрепленными (приклеенными) датчиком и трактом усиления и обработки сигнала. Очевидно, что место контакта выбирается исходя из удобства его расположения и из условия обеспечения минимальных шумов при измерениях.

Желательно, чтобы во время исследований или в производственных условиях акустическое сопротивление волноводного тракта от места генерирования волн напряжений (зоны резания) до места установки датчика сохранялось постоянным, так как в противном случае необходима специальная градуировка аппаратуры с помощью источников дозированной акустической энергии.

Коэффициенты усиления сигнала должны устанавливаться в соответствии с его мощностью, причем усиление на предварительном каскаде (предусилитель) не должно превышать 40-50 дБ. Динамический диапазон усиления желательно делать с более широкими границами: до 40—60 дБ.

Блоки полосовых фильтров и дискриминаторов обеспечивают селекцию сигнала АЭ по частоте и амплитуде. При этом часть полезной информации, естественно, не обрабатывается, однако обеспечивается практически полная помехозащищенность измерительного тракта от посторонних шумов, например вибраций технологической системы.