Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования . 12
1.1. Динамическая система металлорежущего станка по отношению к процессу резания.
1.2. Понятие качества обрабатываемой детали. Исследования, диагностика, управление качеством обработки .
1.3. Эволюция процесса резания. Исследования и диагностика износа режущего инструмента.
1.4. Цель и задачи исследования. 30
2. Исследование взаимосвязи переменных составляющих сил с фазовыми координатами динамической системы процесса резания .
2.1. Постановка задачи 33
2.1.1. Методика разделения движений во взаимосвязанной системе дифференциальных уравнений динамики процесса резания .
2.1.2. Методика идентификации параметров динамической системы станка и переменных составляющих сил резания в вариациях относительно траектории равновесия.
2.2. Идентификация модели станка, приведенного к зоне резания. 51
2.2.1. Общая методика идентификации. 51
2.2.2. Определение порядка модели и идентификация частот и декрементов затухания.
2.2.3. Определение матриц упругости, диссипации и инерции
2.3. Экспериментальная установка для идентификации и изучения циклических составляющих сил и динамической модели станка
2.4. Изучение взаимосвязи сил, действующих на инструмент, с колебаниями.
2.4.1. Методика вычисления силовых потенциалов на основе наблюдения за функциями колебаний.
2.4.2.Предварительный анализ зависимости сил от фазовых координат 114
2.5. Исследование закономерностей изменения сил в фазовом пространстве.
2.5.1. Исследование сил в пределах зоны нечувствительности. 117
2.5.1.1. Исследование зоны нечувствительности во временной области. 119
2.5.1.2. Исследование зоны нечувствительности в пространственной области. 122
2.5.2. Исследование областей вне зоны нечувствительности. 146
2.6. Выводы 149
3. Изучение эволюции износа на основе интегральных операторов . 152
3.1. Взаимодействие износа с координатами состояния процесса резания. 152
3.2. Построение функционала зависимости износа от агрегированных координат
3.3. Методика идентификации ядер интегральных операторов . 161
3.4. Структурная схема программно - аппаратного комплекса управления станком с ЧПУ на основе оценки износа инструмента.
3.4.1. Описание блоков программы. 176
3.4.2. Алгоритм функционирования структурной схемы комплекса.
3.5. Выводы 179
4. Изучение связи вибраций с параметрами точности . 181
4.1. Особенности нелинейного взаимодействия инструмента с обработанной деталью при точении при колебаниях относительно точки равновесия
4.2. Изучение влияния колебаний на динамическую постоянную составляющую смещения точки равновесия .
4.3. Изучение соотношения интегральных и циклических составляющих сил, формируемых в зоне стружкообразования.
4.4. Влияние циклических составляющих сил, действующих по задней грани инструмента, на динамическую постоянную составляющую.
4.5. Реализация системы корректировки глубины резания. 205
4.6. Выводы 209 Заключение и основные выводы. 211
Список использованной литературы
- Понятие качества обрабатываемой детали. Исследования, диагностика, управление качеством обработки
- Методика разделения движений во взаимосвязанной системе дифференциальных уравнений динамики процесса резания
- Методика идентификации ядер интегральных операторов
- Изучение влияния колебаний на динамическую постоянную составляющую смещения точки равновесия
Введение к работе
Актуальность темы. Анализ современных тенденций развития машиностроения показывает, что процессы обработки металлов резанием остаются и еще долгое время будут оставаться основными методами формообразования в производстве. При этом совершенствование ведется в направлении как повышения производительности, надежности и долговечности оборудования, так и повышения качества производимой продукции. Причем в последнее время все бопее актуальным и экономически целесообразным становится средне- и мелкосерийное производство, базирующееся на использовании металлорежущих станков с ЧПУ. Однако традиционные принципы систем ЧПУ далеко не исчерпывают возможности совершенствования металлорежущих станков по параметрам надежности, производительности и качества изготавливаемых изделий. Существуют различные пути для улучшения указанных характеристик, одним из них является раскрытие особенностей динамической системы станка. Ее специфическая предметная область определяется наличием процесса резания, который формирует динамическую связь, объединяющую подсистемы станка со стороны режущего инструмента и обрабатываемой детали в единую систему. Именно наличие процесса резания вызывает отклонение формообразующих движений относительно детали, ответственных за качество изготовления изделий. Кроме этого резание является эволюционным процессом, внешними проявлениями которого является развитие износа режущего инструмента, также влияющего на качество и производительность процесса резания.
Проблемы динамики технологических машин (металлорежущего станка), взаимодействующих со средой (процессом резания) были и остаются актуальными задачами. Применительно к металлорежущим станкам эта проблема решается под углом зрения изучения устойчивости системы, в результате чего рассматривается динамическая характеристика процесса резания в линеаризованном представлении относительно точки равновесия, задаваемой технологическими режимами, а также изучаются вопросы образования колебаний системы в вариациях относительно точки равновесия. В последнем случае привлекаются различные нелинейные модели процесса резания.
Однако необходимо учитывать, что траектории формообразующих движений определяются программой ЧПУ и лежат в пределах полосы пропускания приводов. Они могут существенно отклоняться в реэуль-
тате действия двух факторов: первым является динамическое смещение точки равновесия за счет нелинейности связей, формируемых процессом обработки, который образуется в результате анализа возмущенных движений системы, второй фактор обусловлен эволюционными преобразованиями характеристики процесса резания, связанных с диссипа-тивными процессами в зоне резания. Учет этих двух факторов характеризует естественное развитие представлений о динамических особенностях функционирования технологических машин взаимодействующих со средой. Раскрытию этих факторов и посвящена настоящая работа.
Изучение смещения формообразующих траекторий за счет нелинейности динамической характеристики процесса резания, а также учет их эволюционных свойств направлены на создание сопроцессора системы ЧПУ, в задачи которого должны входить коррекция программы ЧПУ с целью повышения точности и производительности изготовления изделий.
Таким образом, раскрытие указанных выше особенностей определяет научное и практическое значение настоящего исследования. Рассматриваемые в работе методы, по мнению автора, могут быть распространены на решение проблем динамики технологических машин, взаимодействующих со средой.
Цель работы: раскрытие влияния нелинейных эффектов динамики процесса резания и его эволюционных преобразований на траектории формообразующих движений и на этой основе повышение эффективности функционирования станков с ЧПУ.
Научная новизна работы состоит в том, что
предложен новый подход к представлению динамической модели металлорежущего станка, заключающийся в представлении ее в виде иерархии подсистем;
предложена процедура и алгоритм идентификации параметров динамической системы металлорежущего станка в вариациях относительно точки равновесия на основе использования авторегрессионого анализа и метода наименьших квадратов;
разработана методика, дающая возможность выявлять основные закономерности отображения динамических характеристик процесса резания в фазовых координатах движения инструмента;'
создана модель развития износа инструмента, позволяющая оценивать его текущее состояние и развитие во времени на основании интеграпь-
ных операторов, то есть в функциях всех траекторий координат состояния системы, а не значений этих координат в рассматриваемый момент;
предложена методика идентификации ядер интегральных операторов эволюции износа;
раскрыты механизмы смещения динамической траектории формообразующих движений за счет силовых возмущений, действующих на систему с учетом нелинейной динамической характеристики процесса резания, в частности, показано, что
1) динамическое смещение является функцией сил, формирующихся на
передней поверхности режущего инструмента;
2) имеется связь между харахтеоистиками «зоны нечувствительности» и
износом инструмента;
3) существует взаимосвязь между «быстрыми» движениями в направле-
нии обрабатываемой детали и динамическим смещением инструмента, являющаяся следствием нелинейных эффектов, возникающих на задней поверхности инструмента.
Практическая ценность работы заключается в разработке
методик и алгоритмов, позволивших изучать закономерности эволюции износа режущего инструмента в функции пути, пройденного инструментом, на основании определения агрегированных координат и идентификации ядер интегральных операторов;
методик и алгоритмов, дающих возможность идентифицировать точностные параметры процесса точения на основе изучения нелинейной динамики процессов, происходящих при резании, в частности взаимосвязи динамического смещения с колебаниями;
отдельных блоков автоматической системы динамической диагностики процесса резания на базе процессора обработки сигналов ADSP-2105 и портативной микроЭВМ разработаны и доведении их до практической реализации.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на
- межвузовских научных чтениях «Математические и статистические ме
тоды в экономике и естествознании» в г. Ростов-на-Дону, 1999;
- работа в целом и отдельные ее фрагменты докладывались на
ежегодных научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава ДГТУ.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на Азовском оптико - механическом заводе (АОМЗ), а также используются в учебном процессе кафедры "Автоматизация производственных процессов" Донского государственного технического университета по дисциплине "Методы научных исследований и диагностика объектов и систем управления".
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Диссертация изложена на 281 странице, содержит 120 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 250 источников, 9 приложений.
Понятие качества обрабатываемой детали. Исследования, диагностика, управление качеством обработки
В последнее десятилетие наметилось направление повышения качества обработки на МРС на основе диагностики эволюции процесса резания. Сама эволюция процесса резания проявляется в развитии износа режущего инструмента, во всегда имеющих место трендах показателей геометрической точности и качества поверхности. .В этой связи необходимо отметить исследования, проведенные А. А. Аваковым [2], И. П. Третьяковым и А. И. Кашириным [150], Н. Н. Зоревым и Н. П. Вирко [71], Т. Н. Лоладзе [98], Л. Г. Куклиным, В. И, Сагаловым, В. Б. Серебровским и С. П. Шабашовым [150], А. И. Бетанели [9,10], А. Н. Резниковым, М. Д. Смирновым и Г. Г. Яшиным [153], Б. П. Прибыловым [150], В. А. Остафьевым [124], Н. В. Алексеевым [150], Б. Л. Дзамоевым [9], Г. Н. Ткемаладзе, Ф. В. Тотчиевым [101, 206, 207], М. П. Вадачкория [10, 31], Г, Л. Хаетом [168], Г. И. Грановским [150], В.Н. Подураевым и В.Ф.Горневым [133, 135, 136], В. А.Остафьевым [112,125,135,142,165], Б.М.Базровым [5,6] и др. В указанных работах проведены исследования в области прочности тела и режущей части инструмента.
В этих работах проведена классификация видов износа режущего инструмента, а также исследована взаимосвязь между интенсивностью износа и контактирующими материалами и взаимосвязь стойкости инструмента со скоростью резания, глубиной резания, объемом срезаемого материала и др.
Однако необходимо отметить [14], что до последнего времени теория изнашивания была наименее «математизирована», «... что объясняется исключительной сложностью процессов протекающих на контактных поверхностях инструмента в условиях высоких давлений и температур...». Другими словами, до настоящего времени не существует единой динамической модели, позволяющей диагностировать и предсказывать износ и разрушение режущего инструмента. В настоящий момент в связи с увеличением скорости работы ЭВМ возник огромный интерес, связанный с возможностью диагностирования и прогнозирования износа режущего инструмента. При этом диагностики процесса износа инструмента ведется по косвенным признакам, как то: - использование сигнала виброакустической эмиссии (ВАЭ) (в диапазоне частот до 100 кГц и) процесса резания; - использование сигнала акустической эмиссии (свыше 100 кГц) процесса резания; - использование сигнала термоЭДС процесса резания; - использование токов от термоЭДС и др. В связи с этим можно отметить работы следующих авторов: В.Л.Заковоротного [40,44,45, 47-49, 56, 59-62, 64, 67, 68,183, 184, 249], Е.В.Бордачева [17-20, 22-30,51,57,157,184] Г.Г.Палагнюка [50,60,64,65], Б.А.Глаговского, М.Аршанского и др., а из зарубежных исследователей -D.A.Dornfeld [195,190,191,185,204,222], R.Krishnamurthy [196,200,224, 225],T.S.Sankar [182, 214, 219, 227], K.F.Eman [178,197,228,244] и др.
Указанные исследования направлены на оценивание (классификацию) состояния режущих инструментов (его износ, выкрашивание режущего лезвия, поломку) и определение интенсивности изнашивания как интегральную характеристику процесса резания. С целью идентификации износа при проведении исследований сигнала акустической эмиссии обычно используются статистические методы оценивания сигнала, а в качестве информационных признаков используется, например, вероятность нахождения функции на уровне, и поставленная ей в соответствие величина износа инструмента. Необходимо отметить, что при исследованиях параметров динамической характеристики процесса резания как источника информации о развитии износа режущего инструмента в большинстве случаев пользуются сигналом виброакустической эмиссии. Это направление нашло широкое развитие в нашем институте (работы профессора В.Л. Заковоротного, профессора Г.Г. Палагнюка, профессора Е.В. Бордчева), в Киевском политехническом институте (работы профессора В.А. Остафьева), в ряде работ зарубежных исследовательских центров (Калифорнийском университете в Беркли, США, профессор D.A.Dornfeld, машиностроительном факультете Королевского технологического института в Стокгольме, Швеция, профессор C.M.Nicolescu [194,211]), и трудах других исследователей [198, 201, 202,223]. При этом в основном используются частотные методы анализа [39,50,59-62,64,65,68,93,106,125,165,190,192,230], теория распознавания образов [198], алгоритмы распознавания на основе применения алгоритма адаптивных решетчатых фильтров [195], авторегрессионные модели сигнала [194,211,204], оценивается состояние инструментов при фрезеровании на основе анализа уширения спектральной линии сигнала переменной составляющей, формируемой особенностями обработки каждым зубом фрезы [38]. Однако все эти исследования опираются на формализованный подход к процессу обработки, использующий анализ процесса резания с позиции "черного ящика" без раскрытия физики процесса и, следовательно, без применения моделей, идентификация которых может существенно расширить возможности методов. Кроме этого перечисленный перечень работ никак не анализирует влияние преобразующей системы МРС как канала, по которому передается диагностическая информация, хотя на необходимость такого анализа некоторые исследователи обращают внимание [38].
Отметим, что учет такой информационной составляющей, как силы резания, работа, энергия и мощность, выделяемые при резании, как правило, носит вспомогательный характер при анализе информации по другим информационным потокам, что, с нашей точки зрения, совершенно необоснованно, поскольку процесс развития износа является интегральным и обусловлен как режимами резания, так и соотношением физико-механических свойств материалов, вступающих в контакт [99-101], и так далее. Из сказанного следует, что энергия и мощность, выделяемые при резании, носят более информативный характер, чем просто колебания инструмента и даже силы, возникающие в процессе резания. Таким образом, система диагностики процесса резания, на наш взгляд, должна опираться не на силы резания, как основной информационный канал, а на работу и мощность диссипативных сил, возникающих при резании. Последнее является фундаментальной основой системы диагностики процесса износа режущего инструмента.
Методика разделения движений во взаимосвязанной системе дифференциальных уравнений динамики процесса резания
Можно показать, что в процессе свободных колебаний необходимо, чтобы матрица упругости была положительно определенной. Кроме этого должна существовать некоторая диагональная матрица, элементы которой положительны. При этом базис разложения должен представлять собой, как правило, правую тройку векторов, а углы между осями должны быть равны 90, в частности, эта матрица может представлять собой систему собственных чисел.
Последнее ограничение фактически означает, что в некотором базисе (не обязательно ортонормированном) все диссипативные силы являются положительно определенными, при этом этот базис линейно связан с базисом, в котором мы рассматриваем нашу систему.
Это преобразование можно условно разделить, как и в случае матрицы диссипации, на две части - преобразование нормирования и преобразование поворота координат. Преобразование поворота координат также является ортогональным, а, следовательно, матрица этого преобразования является симметричной. По другому дело обстоит с матрицей нормирования, поскольку исходная система координат может быть достаточно произвольной.
Приведенные соображения не противоречат общей теории колебаний поскольку при выводе использовалось понятие потенциальной энергии, которая тесно связано с понятием радиус - вектора, задаваемого в ортогональной системе координат, выбранной в точке пересечения главных осей виброакустических датчиков. Матрица собственных значений и матрица преобразования для рассмотренного примера приведены ниже. Вектор собственных чисел
Очевидно, что полученная матрица преобразования координат, является определенной, а направление осей не является ортогональным. Кроме этого, в силу того, что колеблющееся тело представляет собой сложную геометрическую структуру, то основные направления датчиков могут не совпадать с основными направлениями сил упругости. Однако приведенный выше метод позволяет моделировать упругие свойства станка таким образом, чтобы ее эффективность была максимальной.
Также можно выделить направления, в которых упругость будет максимальной и минимальной. Для используемой в станкостроении модели этим значениям соответствуют направления коллинеарного и ортогонального движений.
Изложенный выше материал показывает достаточно сложное распределение упругих и диссипативных сил в суппортной группе металлорежущих станков. В связи с этим важно сравнить полученные результаты с известными представлениями о стандартной упругой системе, которые были введены И. Тлустым[231-233] и В. А. Кудиновым[88]. В дальнейшем эта модель широко использовалась до настоящего времени. Согласно этой модели упругую систему суппортной группы, впрочем, как и упругую систему обрабатываемой детали, можно представить в виде некоторой сосредоточенной массы, подвешенной в пространстве на некоторых упруго -диссипативных подвесках, расположенных в ортогональных направлениях, при чем эти направления не совпадают с направлениями ортонормированного базиса, принятого в станкостроении. Как это следует из изложенного выше, в этом случае преобразование матрицы упругости и матрицы диссипации к ортонормированному базису, принятому в металлорежущих станках, должно приводить к тому, что матрицы упругости и диссипации должны оставаться симметричными. Очевидно, что несимметричную матрицу можно представить в виде суммы симметричной и несимметричной матриц. Приведенные выше материалы показывают, что в отдельных случаях несимметричная матрица может оказывать существенное влияние на поведение системы. Этот результат является естественным, так как динамические свойства реальной системы являются более сложными, чем те которые учитывает та или иная модель. В ней необходимо учитывать, строго говоря, влияние незатянутых соединений, диссипативные свойства которых чувствительны к направлению колебаний смещения. Реальная конструкция является твердым телом, а не сосредоточенной массой, подвески в этой системе вряд ли можно считать ортогональными, более того они сложным образом распределены в пространстве, на конец их проявление зависят от направлений колебаний.
Отрицательные члены матриц диссипации и инерции также как и не симметричность этих матриц не является признаком неустойчивости системы в целом, это можно показать путем построения характеристического полинома и вычисления его корней, которые являются устойчивыми. Это всего лишь следствие выбора места расположения датчиков и особенностей геометрической конструкции суппорта в целом, а также следствие замены непрерывных сил диссипации и упругости их сосредоточенными аналогами. Отрицательные элементы ни в коем случае не нарушают требования к устойчивости системы в целом, т. к. наличие отрицательных элементов может не нарушать необходимое условие устойчивости, а именно положительную определенность матриц упругости и диссипации.
Вторым следствием является то, что нельзя выбрать направление, в котором все матрицы будут диагональными, как это принято в моделях И. Тлустый и В. А. Кудинова.
Рассматриваемая система представляется значительно более сложной, чем модель (2.25), поэтому она является не полной, а, следовательно, найденные матрицы могут быть не симметричными и содержать отрицательные элементы.
Приведенный выше материал позволяет построить достаточно полную математическую модель подсистемы станка приведенную к зоне резания и идентифицировать ее параметры. Важно отметить, что методика идентификации в данном случае имеет достаточно общий характер, например, если на систему наложены дополнительные связи, определяемые динамической характеристикой процесса резания, то методика идентификации остается неизменной, но элементы матриц упругости и диссипации в этом случае уже будут учитывать влияние динамических связей, формируемых процессом резания.
Методика идентификации ядер интегральных операторов
Перейдем к анализу особенностей формирования сил в пределах зоны обработки. Из приведенных выше отображений видно, что фазовую плоскость можно условно разбить на две части, первая представляет собой «зону нечувствительности», образованную силами, действующими в окрестности точки с координатами {0, 0}, вторая зона это совокупность точек, лежащих вне зоны нечувствительности и образовавшаяся в результате действия упругих и диссипативных сил, имеющих зависимость от фазовых координат, близкую к степенной.
Перейдем непосредственно к раскрытию закономерностей изменения сил внутри зоны нечувствительности. Необходимо отметить, что зона нечувствительности представляет собой некоторую область, включающую в себя точку с координатами {0, 0}, в которой не наблюдается корреляции между пространственными колебаниями инструмента относительно детали и силами, действующими на инструмент. Форма зоны нечувствительности сильно зависит от обрабатываемого материала, состояния режущего инструмента и объема пластической деформации. Последний определяется площадью срезаемого слоя, скоростью резания и развитием износа инструмента.
В свою очередь, внимательное рассмотрение зоны нечувствительности показывает, что она не является однородной, в ней наблюдаются некоторые периодически повторяющиеся изменения сил, не связанные с координатами движения инструмента относительно детали и зависящие от координат выбранного фазового пространства. Изучению подлежат как общие тенденции изменения сил при отклонении координат состояния зоны резания от зоны нечувствительности, так и особенности изменения сил в пределах последней. Раскрытие закономерностей формирования зоны нечувствительности можно проводить как во временной, так и в пространственной областях.
Раскроем наше представление о пространстве состояния динамической системы резания (рис. 2.64). Пространство состояния динамической системы резания, определяется координатами движения относительно обрабатываемой детали {X , Y , Z }, которая рассматривается в вариациях относительно точки равновесия системы (точка А), именно для этих приращений и существует зона нечувствительности. Однако необходимо учесть, что точка равновесия системы сама движется в пространстве металлорежущего станка {X, Y, Z}, и эти движения соответствуют движениям стружки относительно передней грани режущего инструмента и движениям обрабатываемой детали относительно режущего инструмента. Эти движения и характеризуют пространственную область, которая задается соответствующими скоростями и перемещениями суппорта, скоростью резания и скоростью движения стружки.
О существовании зоны нечувствительности говорил еще В. Л. Заковоротный на основе анализа временных реализаций процесса резания. На наличие зоны нечувствительности указывают следующие экспериментальные данные, полученные при малых отклонениях движения инструмента от траектории равновесия. В этом случае спектральные составы колебаний подсистем обрабатываемой детали и режущего инструмента являются различными, что свидетельствует о слабой связи подсистем резца и детали через процесс резания. Однако при увеличении амплитуды колебаний спектры подсистем детали и инструмента объединяются, что свидетельствует об объединении указанных динамических систем.
Заметим, что из теории колебаний известно, что единой динамической системе соответствует единый характеристический полином, который отвечает за частоты стационарного спектра. В данном случае речь идет о линеаризованном представлении динамической системы, рассматриваемой в вариациях относительно точки равновесия. Однако полное раскрытие свойств зоны нечувствительности на основе анализа временных реализаций чрезвычайно затруднено, поэтому для анализа особенностей формирования и раскрытия свойств было предложено использовать фазовое пространство. Кроме этого необходимо отметить, что целый ряд свойств зоны нечувствительности, как это было показано выше, находится в зависимости от координат перемещения инструмента вдоль детали по направлению скорости резания, на что указывают периодичности в формировании сил внутри зоны нечувствительности, речь о которых пойдет ниже. Необходимо также отметить, что в процессе резания инструмент большую часть времени находится внутри зоны нечувствительности, что объясняет затруднения в исследовании этой зоны по временным реализациям. Заметим, что изучение зоны нечувствительности, формируемой процессом резания, по нашему мнению имеет большое значение для осмысления показаний качества изготавливаемых изделий, так как позволяет раскрыть самостоятельные процессы, протекающие в зоне резания и влияющие на свойства поверхности обработанной детали.
Для исследования зоны нечувствительности был построен ряд спектров для разных скоростей резания и произведен их анализ. На рис. 2.65 - 2.70 приведены временные реализации и частотные спектры этих реализаций для двух скоростей резания. Резание производилось инструментом Т15К6, материала 20Х
Изучение влияния колебаний на динамическую постоянную составляющую смещения точки равновесия
Рассмотрим систему координат, положенную в основу моделирования процесса развития износа и его прогнозирования во времени.
1. Квазипостоянные значения сил резания. Под квазипостоянными значениями сил резания будем понимать значения сил, которые обусловлены изменениями траекторий формообразующих движений в вариациях припуска и физико механических свойств материала, это составляющие сил, лежащие в пределах от 0 до 50 Гц, т. е. они определяются управлением формообразующих движений, связанных с полосой пропускания приводов металлорежущих станков и определяется значениями частоты вращения шпинделя.
2. Циклические составляющие сил, из которых необходимо выделить диссипативные силы, для этого будем считать, что нам известна иммитационная модель динамики процесса резания и уравнение, записанное в вариациях относительно точки равновесия, задаваемое интергральными значениями сил, т. е. уравнением вида
Будем считать, что нам известны параметры т, с и h, а также определена структура линеаризованных относительно точки равновесия значений характеристики процесса резания, т. е. матрицы dF _ дх _ и dF _ дх _ таким образом, наблюдая за колебательными скоростями и принимая во внимание значения имеется возможность оценивать текущие значения диссипативных сил не вообще, а тех ее составляющих, которые обусловлены процессом резания. 3. Интегральные и циклические составляющие ТЭДС. Составляющие, определяемые процессом преобразования материала заготовки в стружку. Постоянную составляющую ТЭДС, определяемую накопление и отвод энергии из зоны стружкообразования, можно представить уравнением вида задней поверхности инструмента, к(х - т) - коэффициент, характеризующий запаздывание изменения интенсивности тепловыделения относительно координат перемещения инструмента относительно обрабатываемой детали. Заметим, что при определенных значениях этого параметра изменяются физико-механические свойства режущего инструмента, что ведет либо к повышению износостойкости материала, либо к ее снижению, в зависимости от материала резца. Переменная составляющая ТЭДС, определяемая изменением площади контакта инструмента с обрабатываемой деталью, сильно зависит от колебаний инструмента относительно точки равновесия и может быть определена из решения системы дифференциальных уравнений путем добавления оператора запаздывания.
Необходимо учитывать, что все методы диагностирования износа есть его моделирование в некоторых координатах состояний. В отличие от этого здесь рассматривается моделирование в виде функционала, т. е. износ есть результат действия всей функции по пути, но не текущих значений координат, а агрегированных координат, построенных на базе множества наблюдаемых и регистрируемых параметров резания, а также включающих их производные и интегральные подмножества. Фактически ставится новая проблема по моделированию развития износа, поэтому представленный материал не может претендовать на полноту исследования, а лишь определить новые направления в изучении износа режущего инструмента. Такой подход в равной мере распространяется на моделирование других эволюционных процессов при резании.
Однако, как было указанно ранее, не имеет смысла рассматривать непосредственную зависимость износа инструмента от сигнала ВАЭ или ТЭДС, поскольку непосредственная связь между ними скрыта, поэтому для раскрытия развития износа имеет смысл рассматривать помимо сил, возникающих в процессе резания, работу и мощность сил диссипации, а также квазипостоянных сил. Поскольку на наш взгляд в этих параметрах непосредственно отражается износ инструмента. В связи с этим необходимо принять во внимание следующие факторы:
1. При одних и тех же силах, но при разных скоростях возрастает выделение энергии в единицу времени на поверхностях контакта стружки и обрабатываемой детали это подтверждает известный факт зависимости температуры от скорости относительного скольжения. Причем, эта энергия выделяется на поверхности режущего инструмента, но не в единицу пути вдоль обрабатываемой детали, т.к. работа остается неизменной по пути. При этом работа сил на диспергирование не меняется, а меняется только энергия, выделяемая на поверхности инструмента. Температура является основным сопровождающим фактором, подтверждающим увеличение мощности диссипативных сил, однако, не единственным.
2. Энергия, выделяемая в единицу времени, не только преобразуется в тепло и характеризует ее рассеяние в неравновесной термодинамической системе резания, но она одновременно является конструктором образования всех вторичных диссипативных структур, оказывающих влияние на интенсивность изнашивания. Известно, что по мере роста скорости резания чисто механическое взаимодействие, характеризующееся преимущественно абразивным изнашиванием, вначале приводит к образованию адгезионных связей, одним из проявлений которых является формирование устойчивого нароста. При обработке углеродистых сталей твердосплавным инструментом, диапазон скоростей, при которых формируется нарост, определяется от 40 до 80 м/мин. По мере дальнейшего увеличения скорости, а, следовательно, мощности диссипативных сил происходит разрушение нароста и формируется новая диссипативная структура, которая называется застойной зоной, это некоторый вязко пластический слой, который отделяет поверхность режущего инструмента от движущейся стружки.
Похожие диссертации на Разработка математических алгоритмов и программ для динамической диагностики процесса резания
