формационных сигналов дает действительный сигнал: р - Ар = = 130,15—10,15 = 120 дБ. Такое суммирование проводится п раз по определенному алгоритму и по специально составленной программе, заложенной в устройстве.
Из результатов экспериментального исследования (см. рис. 2) следует, что полученный разброс звукового давления по частоте можно аппроксимировать по-разному. Считаем наиболее подходящим сигнал в виде треугольника, выдаваемый функциональным генератором. При этом реализация предлагаемого устройства становится проще и эффективнее. В частности, отметим, что в связи с ростом потребности измерения звукового давления разработаны специальные микросхемы для построения импульсных усилителей звуковых частот. Одна из них — микросхема ТДА8920, которая имеет два одинаковых канала, содержащих входные каскады, широтно-импульсные модуляторы, схему управления, выходные ключи и пр. [8].
В заключение отметим, что неравномерность АЧХ измерительной аппаратуры понижается благодаря ее выравниванию с 6—9 дБ до 1—3 дБ на плоском участке характеристики ОУ в рабочем диапазоне частот. Для этого необходимо повысить помехоустойчивость к внешним электромагнитным и синфазным помехам. Целесообразно усилитель заряда 5 поместить в дополнительный экран 6 и связать его с экраном коаксиального кабеля. Защитные цепи (экраны) датчика следует соединить между собой и подключить к экрану УЗ. Сигнальная и защитные цепи, а также электрическая схема источника поляризации должны быть изолированы от земли и испытываемого объекта (см. точку В на рис. 1). Минимальное измеряемое значение пульсаций давления не превышает 0,1 Па (74 дБ). Инерционность датчика, обуслов-
ленная временем поляризации и постоянной времени датчика, не оказывает заметного влияния на результаты измерения пульсаций давления в широком диапазоне звуковой частоты.
Л и т е р а т у р а
1. Казарян А. А. Пленочные датчики давления. М.: Бумажная галерея, 2006.
2. Пат. 2334964 РФ. Измерительный конденсаторный микрофон звукоаого давления и способ его сборки / А. А. Казарян, Н. А. Езеев, А. Н. Шестопалов // Изобретения. Полезные модели. 2008. № 27.
3. Пат. 2281470 РФ. Устройство для измерения звукового давления / А. А. Казарян, Л. М. Москалик // Изобретения. Полезные модели. 2006. № 22.
4. Порта М. и др. Пленочные датчики давления и их применение / Пер. с фр. М.: Всесоюзн. центр переводов, 1983. № Е-32663.
5. Нурберт Г. П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. Л.: Энергия, 1970.
6. Моругин Л. А., Глебович Г. В. Наносекундная импульсная техника. М.: Сов. радио, 1964.
7. Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Л.: Энергия, 1974.
8. Петропавловский Ю. Микросхемы для построения импульсных усилителей звуковых частот в современной звуковой и видеоаппаратуре // Современная электроника. 2009. № 7. С. 16.
Дата принятия 08.04.2013 г.
621.9
Применение информационно-измерительной системы для повышения точности обработки тонкостенных деталей на фрезерных
станках с ЧПУ
А. В. ИСАЕВ, М. П. КОЗОЧКИН
Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», Москва, Россия
e-mail: avisz@yandex.ru; astra-mp@yandex.ru
Рассмотрен принцип контроля вибраций, возникающих в процессе обработки тонкостенных заготовок фрезами с режущей частью из твердого сплава и кубического нитрида бора, при помощи информационно-измерительной системы реального времени. Проведено сопоставление уровня вибраций с геометрическими параметрами и шероховатостью участков обработанной поверхности.
Ключевые слова: вибродиагностика, информационно-измерительная система, фрезерование.
This paper contains a description of a principle of monitoring of vibrations (chatter) that affect machining process of thin-walled parts on the CNC milling machine by milling cutter with solid carbide and CNB teeth, using a measuring information system, and comparison of the values of vibration signals with roughness of machined surface.
Key words: vibration diagnostics, measuring information system, milling.
Вопросы контроля процессов механической обработки тонкостенных изделий имеют большое значение в современном машиностроении. Это связано с наметившейся в
последнее время тенденцией к увеличению номенклатуры тонкостенных изделий (детали турбин и насосов, корпусные детали и т. д.), обусловленной объективными причинами, в
частности, требованиями по снижению массы изделий и улучшению их эргономичности [1]. Известно, что вибрации отображают функциональное состояние процесса резания, являясь его неотъемлемым параметром, непосредственно влияющим на стойкость режущего инструмента, качество и производительность обработки и, как следствие, на экономическую эффективность производства. Один из способов обработки тонкостенных деталей — фрезерование, в процессе которого прогибы поверхностей под действием сил резания могут быть сопоставимы с общим припуском на обработку. Это приводит к погрешностям обработки, зависящим от износа режущего инструмента, режимов резания, параметров технологической системы и пр. [2]. Поэтому на этапе технологической подготовки производства важно знать тенденции изменения погрешностей обработки в зависимости от задаваемых условий операции [3—5].
Экспериментальная часть работы заключается в контроле вибраций, возникающих при фрезеровании тонкостенных алюминиевых заготовок, последующем измерении полученных изделий на современном контрольно-измерительном оборудовании и установлении зависимостей между параметрами процесса резания, уровнем вибраций и геометрическими характеристиками обработанных поверхностей, такими как толщина стенок и шероховатость их поверхности.
Исследования проводили на фрезерном обрабатывающем центре MIKRON VCE 1000 Pro в Государственном инжиниринговом центре МГТУ «СТАНКИН». Для измерения вибраций использовали информационно-измерительную систему (ИИС) [6], в состав которой входит акселерометр KD35, установленный в горизонтальной плоскости по направлению подачи фрезы, усилитель ВШВ-003 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) E-440 фирмы L-CARD [7, 8]. Система позволяет регистрировать сигнал виброускорения с частотой до 39 кГц в диапазоне (0,01—50)g с чувствительностью 100 мВ на 1g и погрешностью не более 0,001g. Она построена на базе системы сбора данных LTR, обладающей модульной структурой, собственным сигнальным процессором (семейство Blackfin) и использующей операционную систему (ОС) реального времени (FreeRTOS) для обработки результатов измерения. Применение этой ОС позволяет интегрировать ИИС с другими системами реального времени, например, с числовым программным управлением (ЧПУ) станка по протоколу обмена Modbus. Как показано в [9], по мере износа обрабатывающего инструмента уровень вибраций в наибольшей степени возрастает в октавной полосе со средней геометрической частотой 2 кГц. Именно в этом частотном диапазоне обычно находятся собственные частоты колебаний технологической системы для фрезерных станков, аналогичных рассматриваемой модели. Если для оценки состояния инструментов сравнивать амплитудные значения в указанной октавной полосе, то можно значительно упростить систему контроля процесса резания при фрезеровании. Для этого в ИИС можно ввести аналоговый модуль, выделяющий из сигнала вибраций октавную полосу и формирующий на выходе огибающую ее амплитудных значений. Значения такой огибающей, поданные на АЦП системы ЧПУ станка, можно оцифровывать с частотой не более 1 кГц, что упростит организацию работы по управлению станком. Подробное описание ИИС приведено в [10].
Измерения толщины стенок готовых деталей проводили на координатно-измерительной машине DEA Global Performance 05.05.05, а параметров шероховатости обработанных поверхностей — на профилографе Hommel Tester T8000.
Результаты исследований показали, что направление фрезерования (попутное или встречное) значительно влияет на уровень вибраций в процессе обработки и, как следствие, на точность и шероховатость обработанной поверхности [11—16]. Попутное фрезерование характеризуется совпадением направлений подачи заготовки и вектора скорости резания, а встречное — их противоположной направленностью.
На рис. 1, а показан эскиз обрабатываемой детали. Радиусы внутренних углов заготовки выбраны таким образом, что два из них равны радиусу чистовой фрезы, т. е. Гфр = 6 мм, а два другие вдвое превышают его. Были проведены серии экспериментов по обработке заготовок с номинальной тол-
щиной стенок t сТ = 1,5; 1,0; 0,5; 0,3 мм. Для удобства каждой из стенок был присвоен номер 1—4. Параметры резания: скорость 188 м/мин, подача 0,03 мм/зуб, глубина 0,5 мм, ширина фрезерования 3,6 мм. Заготовки обрабатывали последовательно сверху вниз за пять проходов цельными твердосплавными и составными фрезами, оснащенными напайными режущими элементами из кубического нитрида бора (КНБ). На рис. 1, б представлена схема измерения толщины стенок в точках 1—6, а на рис. 2 даны графики изменения толщины стенок в этих точках для изделий с предельными номинальными значениями t ст = 1,5 и 0,3 мм.
Из анализа рис. 2 можно сделать вывод, что при относительно толстых стенках имеется тенденция к увеличению их толщины с приближением к основанию заготовки, и она больше проявляется для встречного фрезерования. Объясняется это тем, что по мере приближения к основанию заготовки жесткость стенок растет, и на фрезу начинают действовать силы со стороны ранее обработанной поверхности, на которой происходят процессы трения и микрорезания. Следовательно возрастает отклонение тела фрезы и увеличивается толщина стенок. Попутному фрезерованию менее свойственны процессы трения в зоне резания при входе и выходе зубьев, что обеспечивает меньшие деформации тела фрезы и отклонения толщины стенок.
С уменьшением толщины стенок, т. е. их жесткости, ситуация меняется. В этом случае деформации перераспределяются в сторону обрабатываемой стенки. При попутном
Рис. 1. Эскиз экспериментальной детали с номерами 1—4 стенок заготовки (а) и схема расположения точек измерения 1—6 толщины стенок (б)
Рис. 2. Результаты измерения толщины стенок по высоте изделия в зависимо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.