Дослідження надійності твердосплавних пластин для токарних різців з надтвердих матеріалів

При збільшенні глибини різання t від 0,05 мм до 0,30 мм усадка стружки зменшувалася в 1,5 рази для всіх досліджених матеріалів. Необхідно відзначити, що глибина різання впливає на усадку стружки через величину поперечного переріза отриманої зворотної стружки.

Ступінь пластичності матеріалу також впливає на усадку стружки. Збільшення вмісту кремнію в силуміні знижує його пластичність, а це призводить до зниження усадки стружки. При точінні найбільш пластичного серед експериментальних заготовок чистого алюмінію, були отримані максимальні значення усадки стружки ? 5,25 при глибині різання 0,05 мм. При точінні силуміну з найбільшим вмістом кремнію (18,4%) одержали мінімальну усадку ? 2,75 при глибині різання 0,30 мм.

Численні експерименти по точінню силумінів показали, що на конфігурацію спектру обвідної сигналу АЕ впливає вміст кремнію та знос різця при незмінних інших факторах (режими різання, геометрія різця, верстат, акустичне обладнання). Це дозволило висунути гіпотезу про зв'язок сигналів АЕ з процесами в зоні контакту різця та заготовки і можливість оцінки зносу різця та шорсткості обробленої поверхні шляхом аналізу спектрів цих сигналів.

Разом з тим, дуже важко візуально визначити частини спектру обвідної сигналу АЕ, які б відповідали саме за знос різця hз та шорсткість обробленої поверхні Ra. Тому в роботі для аналізу сигналів АЕ вперше було застосовано перспективний математичний апарат - штучні нейронні мережі (ШНМ), особливості застосування якого викладено у четвертому пункті. Обраний підхід аналізу всього спектру сигналу АЕ, а не його частини, означає спроможність використання розробленої методики для інших умов різання, тобто для інших інструментальних й оброблювальних матеріалів та верстатів.

4. Аналіз отриманих результатів

Визначення зносу різця й шорсткості обробленої поверхні за даними АЕ здійснювали за спеціально розробленою методикою із застосуванням штучних нейронних мереж. Методика включала реєстрацію сигналів АЕ із зони різання, виділення обвідної АЕ з первинного сигналу, розкладання її в спектр із застосовуванням згладжування на часовому інтервалі тривалістю 2 сек по методу Блекмана-Харріса, після чого ми отримували 2046 значень амплітуд спектру у смузі частот до 22 кГц. Отриманий спектр зіставлявся за допомогою ШНМ із контрольованими показниками надійності: шорсткістю оброблюваної поверхні заготовки й зносом РІ.

ШНМ можна представити як спрямований граф зі зваженими зв'язками, а вузлами в ньому є штучні нейрони. Нейрон характеризується вектором вагових коефіцієнтів і видом активаційної функції. Вектор вхідних сигналів перемножується з вектором вагових коефіцієнтів wj та перетворюється відповідно до функції активації - сигмоідальна функція виду f(х) = (1+е-бx)-1, де б характеризує «нахил» сигмоіду. Результат роботи ШНМ залежить від вагових коефіцієнтів сінаптичних зв'язків. Процедура визначення цих коефіцієнтів (навчання ШНМ), полягала в пред'явленні ШНМ відомих як вхідних, так і вихідних даних.

«Входи» - конфігурація спектра обвідної сигналу АЕ (тобто значення амплітуд спектра - 2046 значень), режими різання (v, t), процентний вміст кремнію в заготовці. «Виходи» - вимірювані традиційними способами числові значення зносу різця hз та шорсткості обробленої поверхні Ra, що відповідають поточному «входу». Під час багаторазового навчання (90 ітерацій), ШНМ по внутрішньому алгоритму стабілізувала вагові коефіцієнти при заданій межі помилки 0,5%. Повний час навчання по 228 прикладам склав 1 хв. 18 сек. (на комп'ютері Dell із процесором 1,5 МГц).

Виведене значення виходу нейрона yj(n) у кожному шарі n має вигляд:

,

де M - число нейронів у шарі n-1, yi(n-1) - «вихід» i-го нейрона, wij(n) - матриця вагових коефіцієнтів шара n. Відзначимо, що для кожного наступного шару «входами» є «виходи» попереднього шару: yi(n-1)=xij(n) - i-ий «вхід» нейрона j шару n.

Для оптимізації структури ШНМ були проаналізовані наступні типи мереж: багатошаровий перцептрон зі зворотним поширенням помилки, генералізованний багатошаровий перцептрон, модульний, мережа Джордона-Элмана, рекурентна мережа. Головним обмеженням був час (не більше 2 сек.) роботи навченої ШНМ по визначенню зносу й шорсткості. Таке обмеження пов'язане з необхідністю забезпечувати періодичність контролю шорсткості й зносу кожні 2 сек. Серед розглянутих мереж найбільшу швидкодію показала ШНМ типу багатошаровий перцептрон зі зворотним поширенням помилки.

Крім типу ШНМ була визначена кількість прихованих шарів та кількість нейронів у кожному шарі. Було встановлено, що ШНМ із одним прихованим шаром не має необхідну точність, а при кількості шарів більше 2-х мережа мала низьку швидкодію. Тому для аналізу сигналів АЕ застосовували ШНМ із двома прихованими шарами. У підсумку була отримана наступна оптимальна структура ШНМ: 2049/20/20/2, тобто 2049 елементів у вхідному шарі, по 20 у прихованих та 2 у вихідному шарі.

На основі розробленої методики оцінки зносу й шорсткості обробленої поверхні по даним АЕ за допомогою системи моніторингу РІ «MNAS-2» була створена навчальна вибірка у вигляді матриці з розмірністю [K, N], що містила необхідні дані для навчання ШНМ, а саме: параметр шорсткості Ra, значення зношування hЗ, швидкість v і глибину різання t, відсоток кремнію в силуміні Si і значення амплітуд А спектра сигналу АЕ, отримані для кожного експерименту з точіння.

Відповідно до алгоритму навчання сформовану вибірку застосовували для навчання попередньо оптимізованої ШНМ. Для оцінки точності роботи навченої ШНМ було проведено 16 експериментів, під час яких точили силумінові заготовки та записували сигнали АЕ у пам'ять комп'ютера. У підсумку були сформовані «входи» тестової вибірки для ШНМ. Після кожного експерименту вимірювали знос АТП і шорсткість обробленої поверхні традиційними способами для подальшого порівняння.

У результаті роботи ШНМ на «виході» були отримані значення зносу різця й шорсткості обробленої поверхні. Похибка результатів визначення шорсткості розробленою системою склала ~8% і лежала в межах похибки виміру шорсткості на самому приладі «Surtronic-3». Похибка визначення значень зносу різця до 0,30 мм за допомогою системи «MNAS-2» при різних значеннях швидкості різання v у порівнянні з безпосередніми вимірами на мікроскопі «МБС-10» не перевищувала 6%.

Розроблені методики реєстрації та аналізу сигналів акустичної емісії із зони різання пройшли дослідно-промислову перевірку на Державному підприємстві Міністерства оборони України “Луцький ремонтний завод «Мотор»”. Реалізований в системі «MNAS-2» контроль зносу різця й шорсткості обробленої поверхні при заданих граничних показниках надійності (hЗ = 0,30 мм й Ra =1,25 мкм) дозволяє у виробничих умовах вчасно замінити РІ та зменшити кількість браку.

Таким чином, була розроблена методика та створена система для визначення двох з трьох показників надійності різців з НТМ - зносу різця та шорсткості обробленої поверхні. Останній показник надійності - ймовірність руйнування різця, розглянутий у наступному розділі.

5. Розрахунки значень напружень та ймовірності руйнування різця за результатами вимірів сил різання

В основі методики розрахунку ймовірності руйнування різця покладена робота Девіна Л.М. і Вільгельма М., де автори досліджували процеси точіння загартованих сталей різцями на основі кубічного нітриду бора із прямим лезом. Внесені нами зміни в існуючу методику стосуються геометрії РІ - в даній роботі застосовували різець із круглою АТП, тобто із криволінійним ріжучим лезом. При точінні під дією сил різання в ріжучому клині виникають напруження SR розтягу (додатні) та стиску (від'ємні), які характеризуются середньоквадратичними відхиленнями уSR (за рахунок неоднорідності властивостей матеріалу деталі й нестаціонарності процесу стружкоутворення). Напруження SR на передній і задній гранях різця розраховували за допомогою відповідних формул Лоладзе Т.М. і Бетанели А.І. Разом з тим, ріжучі пластини в партії мають різну міцність і тому напруження характеризували середніми значеннями при розтягу - SP і при стиску - SC, а також відповідними їм середньоквадратичними відхиленнями Sp, Sc. Якщо припустити, що закон розподілу значень SR, SP й SC є нормальним, тоді ймовірність руйнування різця Р геометрично дорівнює площі фігури, утвореної перетинанням кривих функцій f(SR) і f(SP) або f(SC) залежно від знака напружень (додатні або від'ємні), що діють на ріжучу пластину.

Вихідними даними для розрахунку ймовірності руйнування різця були експериментальні значення сил різання, а також режими різання, геометрія різця, значення усадки стружки, межі міцності на розтяг та стиск для партії АТП. За допомогою розробленої в середовищі «MathCAD» програми були розраховані напруження в АТП та ймовірності руйнування різця. Встановлено, що найнебезпечніші напруження в АТП виникали при зносі на задній поверхні hЗ ? 0,30 мм. При цьому виникала найбільша ймовірність руйнування ріжучої кромки, яка була пов'язана із дією на різець максимального навантаження. Тому дослідження напружень у різці та ймовірності його руйнування залежно від режимів різання й вмісту кремнію в заготовках проводили при зносі різця hЗ = 0,30 мм. У цілому було проведено 80 експериментів при варіюванні режимів різання: швидкість різання v змінювали від 65 м/хв. до 400 м/хв., глибину різання t задавали як 0,05; 0,1; 0,2; 0,3 мм, а подача становила 0,1 мм/об. На основі експериментальних даних розраховували значення напружень на передній SП та задній SЗ поверхнях ріжучої пластини.

В умовах промислового виробництва одним різцем до його затуплення обробляють тисячі деталей. Тому в роботі прийнято, що припустимою ймовірністю є руйнування одного різця зі ста за період його стійкості. Відповідно, для забезпечення безвідмовної роботи різця, що доводиться на період точіння однієї деталі, припустима ймовірність руйнування P складає не більше одного різця зі ста тисяч (P ? 10-5).

У результаті експериментальних досліджень і розрахунків було встановлено, що при точінні силумінів навіть найвищі (до 850 МПа) напруження стиску (від'ємні) не призводили до небезпеки руйнування (P << 10-5). Це пояснюється тим, що межа міцності АТП при стиску (~3400 МПа) набагато перевищує діючі на різець напруження SR. Однак, напруження розтягу (додатні) є небезпечними й були зафіксовані з боку задньої поверхні ріжучої пластини. У збільшеному масштабі показана зміна ймовірності руйнування різця P - площі перетинання кривих розподілу діючих напружень при розтягу SR і міцності АТП SP. Зі збільшенням швидкості різання від 70 м/хв. до 370 м/хв. крива SR (1) зміщувалася вправо, що означало збільшення небезпечних напружень розтягу. Крім того, ця крива ставала «ширше» за рахунок збільшення дисперсії сил різання при більш високих напруженнях розтягу. Це призводило до збільшення ймовірності руйнування РІ. Аналіз впливу режимів різання на напруження на передній SП і задній SЗ поверхнях різця та ймовірність руйнування різця P наведено далі.

Незалежно від швидкості різання v та глибини різання t, небезпечних для АТП напружень розтягу на передній поверхні різця SП не виникало. Проте, на задній поверхні різця з ростом швидкості різання v від до 370 м/хв. при глибинах t ? 0,1 мм збільшувалися напруження розтягу та, відповідно, і ймовірність руйнування різця P. Поряд з цим, при глибині різання t > 0,1 виникали лише напруження стиску, які зменшувались із ростом швидкості різання v.

Такий вирішальний вплив глибини різання пов'язаний з кутом 0 напрямку дії рівнодіючої сили різання R. Проведені розрахунки свідчать, що в межах кута 0 від 28° до 51° небезпечні напруження розтягу не виникають. При глибині різання 0,1 мм і менше кут 0 ставав менше 28°, що викликало появу напружень розтягу на задній поверхні АТП та, відповідно, зростання ймовірності руйнування різця P. Отже, для різця, оснащеного АТП, найнебезпечнішою є чистова обробка силумінів при глибинах різання t ? 0,1 мм та чим більшою є швидкість різання, тим більше зростає ймовірність руйнування різця. На цих засадах та з урахуваннями малого впливу глибини різання t на шорсткість обробленої поверхні при всіх досліджених режимах різання й значеннях зносу різця зроблено рекомендацію щодо вибору t > 0,1 мм для збільшення ресурсу РІ.

Таким чином, в результаті виконання роботи була розроблена методика та створені дві системи для визначення й контролю трьох показників надійності різців з НТМ: зносу різця й шорсткості обробленої поверхні - «MNAS-2» та ймовірності руйнування різця - «АСПВР-1». Ці розробки використовуються у навчальному процесі студентів Національного технічного університету України «КПІ» і Національного авіаційного університету, а також пройшли дослідно-промислову перевірку на Державному підприємстві Міністерства оборони України “Луцький ремонтний завод «Мотор»” та показали доцільність використання цих розробок на виробництві для зниження собівартість виробів, за рахунок максимального використання ресурсу РІ, зменшення часу простою устаткування й кількості браку, що підтверджено відповідними актами.

Висновки

В роботі вирішене актуальне науково-технічне завдання ефективного визначення надійності різців з алмазних композиційних НТМ шляхом реєстрації та аналізу спектру обвідної високочастотного сигналу (від 100 кГц до 2 МГц) акустичної емісії з зони різання, що дозволяє максимально використовувати ресурс різального інструменту та запобігати браку оброблюваних виробів.

1. Доведено, що показники надійності РІ - величини зносу різця й шорсткості обробленої поверхні в процесі різання можливо визначити шляхом аналізу конфігурації спектра обвідної високочастотного (від 0,1 до 2 МГц) сигналу АЕ із зони різання за допомогою попередньо навченої й оптимізованої штучної нейронної мережі.

2. Для зменшення похибки визначення зносу hз АТП та параметра шорсткості Ra, розроблена та запатентована нова конструкція різця з вбудованим в прихват датчиком АЕ з високим відношенням амплітуд сигнал/шум в діапазоні частот від 100 кГц до 2 МГц.

3. Розроблено мобільну систему моніторингу «MNAS-2» для контролю надійності різців з алмазних композиційних НТМ за показниками зносу різця та шорсткості обробленої поверхні в процесі різання. Тестові експерименти по точінню силумінів різцями, оснащеними АТП, показали, що середня відносна похибка системи «MNAS-2» при визначенні зносу hз АТП склала 6 %, а параметру шорсткості Ra - 12% у порівнянні із прямими вимірюваннями.

4. За допомогою системи моніторингу «MNAS-2» встановлена найкраща оброблюваність силумінового сплаву із вмістом кремнію 12,8%, при точінні виробів з якого досягається низька шорсткість Ra = 0,5-1,25 мкм у всьому діапазоні досліджуваних режимів різання й зносу різця hз до 0,30 мм включно у порівнянні із іншими силумінами з вмістом кремнію до 18,4%, де шорсткість Ra < 1,25 мкм досягалася лише при зносі hз до 0,15 мм.

5. Встановлено, що при точінні силумінових заготовок на малих глибинах (менш 0,1 мм) в АТП виникають небезпечні напруження, що обумовлює зниження надійності різця за показником ймовірності руйнування.

Література

1. Девин Л.Н. Применение метода акустической эмиссии для оценки работоспособности резцов из АТП при точении алюминиевых сплавов / Л. Н. Девин, НЕ. Стахнив, А.Г. Найденко // Резание и инструмент в технологических системах: междунар. научн.-техн. сб. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2002. - Вып. 62. - С. 44-47.

2. Девин Л.Н. Анализ акустической эмиссии при точении алюминиевых сплавов резцами из АТП с использованием нейронных сетей / Л.Н. Девин, А.Г. Найденко // Резание и инструмент в технологических системах: междунар. научн.-техн. сб. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2003. - Вып. 64. - С. 53-58.

3. Девин Л.Н. Особенности применения акустической эмиссии для исследования точения алюминиевых сплавов / Л.Н. Девин, А.Г. Найденко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения: сб. науч. трудов. - К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля, 2004. - Вып. 7. - С. 283-288. эмиссии для поиска диагностических признаков в анализе процесса точения алюминиевых сплавов резцами из АТП / Л.Н. Девин, А.Г. Найденко //

Страницы: 1, 2