Косвенные методы диагностики режущих инструментов основаны на контроле изменения сил резания, мощности, температуры и других физических характеристик процесса резания в результате износа или поломки инструмента. Рассмотрим некоторые из таких устройств.
Устройства контроля времени работы инструмента. Принцип действия таких устройств достаточно прост. Перед началом очередного цикла обработки система управления сравнивает реальное время, отработанное инструментом, с постоянным значением, занесенным в память компьютера, и определяет, имеется ли запас стойкости для обработки еще одной детали. Если нет, то подается команда на замену инструмента новым, находящимся во вспомогательном магазине инструментов.
Длительность работы инструмента, определяемая количеством обработанных деталей, также является до некоторой степени характеристикой его износа. О числе обработанных деталей информирует счетчик циклов работы оборудования. По этой информации, устанавливающей период режущей или размерной стойкости, производят принудительную смену инструмента. Для уменьшения количества преждевременных выходов инструментов из строя период стойкости назначают с некоторым гарантийным запасом.
При каждом рабочем цикле автоматической линии или станка соленоид, встроенный в счетчик, получает электрический импульс и через храповой механизм и систему зубчатых колес поворачивает стрелки, отсчитывающие количество циклов. После обработки установленного количества деталей, соответствующего периоду стойкости, контакты счетчика, настроенные на определенное положение, замыкаются.
Соответствующий участок автоматической линии останавливается, зажигается сигнальная лампа, указывающая, какие инструменты нужно заменить. После смены инструмента наладчик устанавливает стрелки счетчика в начальное положение. Обычно счетчик настраивают так, чтобы предварительный сигнал подавался после обработки примерно 90 % общего количества деталей, определяющего период стойкости инструмента.
Устройства, основанные на контроле уровня сил и мощности резания. Известно, что с возрастанием износа инструмента увеличивается уровень сил и мощности, потребной на резание. Поэтому как непосредственно силы резания, так производные от них (мощность, крутящий момент на шпинделе, сила тока двигателей главного движения или движения подачи) можно использовать в качестве источника диагностического сигнала.
Действие устройств контроля мощности резания основано на измерениях силы тока и напряжения в двигателе главного движения или движения подачи. Такие устройства весьма просты, дешевы, не требуют изменений в конструкции станка. Однако надежность их работы зависит от соотношения мощности резания и номинальной мощности двигателя. Если оно невелико, достоверность диагностики резко снижается. Кроме того, эти устройства реагируют на изменения сил, связанные с возрастанием износа инструмента, со значительным опозданием во времени, что не позволяет вовремя среагировать на катастрофический износ и поломки инструмента. Это привело к практически полному отказу от использования таких устройств.
В настоящее время измерение сил осуществляют, используя тензометрические подшипники или оправки, датчики напряжений и деформаций, а также динамометры, встроенные в инструментальную оправку, резцедержатель либо револьверную головку. Во всех случаях важную роль играет место размещения датчиков. Чем ближе оно к зоне резания, тем точнее измерения и выше надежность системы контроля.
Широкое распространение получили подшипники с тензометрическими датчиками, наклеенными в канавке на их наружном кольце. Прохождение шарика (ролика) под датчиком вызывает локальные деформации кольца. Датчик подключен к тензометрическому мосту и генерирует сигналы переменной частоты, зависящей от частоты вращения вала и количества шариков в обойме подшипника. Амплитуда сигналов пропорциональна действию внешних и внутренних (возникших в результате предварительного нагружения) сил.
Для измерения осевой силы (силы подачи) можно использовать тензометрический датчик, представляющий собой обойму для опорных подшипников. Тензометрические элементы, наклеенные на внутреннее кольцо обоймы, защищены от действия СОЖ, масла и т.д.
Пружинящие кольца с наклеенными на них тензометрическими датчиками можно использовать для измерения главной силы резания, монтируя их под основанием револьверной головки.
Весьма перспективно использование для контроля сил резания пьезоэлектрических датчиков. Принцип их действия основан на известном физическом явлении, когда на поверхности некоторых диэлектриков (например, кристаллов кварца) в результате механической деформации генерируется электрический заряд.
Датчик крепится к корпусной детали, резцедержателю или другому элементу станка, в которых под действием сил резания возникают упругие деформации. Очевидно, что в месте размещения таких датчиков не должны действовать дополнительные возмущающие силы, а возникающие деформации должны непосредственно зависеть от силы резания, которую необходимо изменить.
Наряду с одиночными пьезоэлектрическими датчиками используются также плиты, в которые может быть встроено от одного до четырех датчиков. Наиболее часто такие устройства устанавливаются между основанием револьверной головки и поперечным пьезоэлектрических элементов. Пьезоэлектрические датчики типа штифта могут использоваться для контроля сил резания и деформаций путем установки как снаружи, так и внутри контролируемых деталей.
Такие имеют весьма малые габариты (диаметр 9... 10 мм) и достаточно высокую чувствительность (минимальное поперечное сечение стружки до 0,3 мм2).
В большинстве случаев устройства для контроля сил резания и крутящих моментов сориентированы на выявление момента катастрофического износа. В зависимости от уровня электронной поддержки можно контролировать как статическую составляющую силы, так и совместно статическую и динамическую, возникающие в результате колебательных процессов в зоне резания.
Новейшие тенденции в развитии устройств контроля сил резания — появление так называемых «интеллигентных» датчиков, передача первичных сигналов без проводов, использование новых методов измерения, создание датчиков для регистрации наряду с силой резания других характеристик процесса резания.
Пример конструкции «интеллигентного» датчика, встроенного в инструментальную оправку для крепления сверл и метчиков. Она включает комплект тензометрических датчиков, первичный усилитель сигнала, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, которые размещены в корпусе оправки. В комплект входят также радиопередатчик и приемник сигналов. Такое устройство может контролировать крутящий момент или осевую силу.
Магнитострикционный датчик для измерения крутящего момента также не изменяет жесткости исследуемой конструкции. Длинные и тонкие металлические пленки, обладающие хорошими ферромагнитными свойотвами, располагаются слоями в противоположных направлениях на периферии цилиндрической поверхности инструментальной оправки под углом 45°. Наружные индукционные катушки наводят в пленках магнитное поле. Деформации оправки под действием крутящего момента приводят к изменениям магнитной проницаемости пленок, что, в свою очередь, изменяет силу тока индуктивности в катушках. Такие датчики могут использоваться во вращающихся инструментах типа торцовых фрез, а также встраиваться в шпиндельные узлы станков.
Комбинированные датчики имеют более широкие технологические возможности и характеризуются надежностью работы. Так, датчик, позволяет одновременно контролировать уровень сил резания и акустическую эмиссию.
Устройства, основанные на контроле уровня колебаний. Известно, что в процессе резания генерируются колебания различных частот и амплитуд, которые в значительной степени зависят от состояния режущих лезвий.
Колебания в диапазоне звуковых и околозвуковых частот регистрируются с помощью датчиков ускорения (как правило, пьезоэлектрических). Исследования показывают, что по мере затупления инструмента возрастает энергия (амплитуда) высокочастотных колебаний. Объектом контроля в этом случае служит соотношение энергий высоко- и низкочастотных колебаний, определяемое путем измерения интенсивности колебаний или звукового давления в определенном диапазоне частот.
При принятии решения об использовании колебаний для контроля работоспособности инструмента следует учитывать, что в ряде случаев на изменения спектра звуковых и прочих видов колебаний существенное влияние оказывают непосредственно изменения режимов резания.
В этом случае необходимо сначала выделить составляющую амплитуды, генерируемую в результате изменения режима резания, а затем идентифицировать оставшуюся часть сигнала.
Практика показывает, что более достоверную информацию обеспечивает измерение не непосредственно амплитуд колебаний, а соотношений амплитуд в том или ином направлении действия сил по мере изнашивания инструмента. Установлено, что такие соотношения в значительной степени зависят от направления действия сил резания.
Устройства, основанные на измерении акустической эмиссии. Под акустической эмиссией понимают процесс расхождения волн, возникающих в результате освобождения энергии упругости материала при его деформации, разрушении или структурно-фазовых превращениях. К ним следует добавить зоны износа инструмента, образования выкрашиваний и сколов, а также все прочие зоны, в которых возможно выделение механической (коробки скоростей подач, ходовые винты) ици электромагнитной (реле, контакторы) энергии.
Акустическая эмиссия расходится в материале аналогично ультразвуковым волнам, подвергаясь отражениям и всевозможным изменениям. Поэтому для использования такого сигнала необходима тщательная электронная поддержка, фильтрация и т.д.
Встречаются два основных типа сигналов:
1) постоянный с малой амплитудой, генерированный в результате пластических деформаций материала и трения на контактных площадках;
2) импульсный значительной амплитуды, связанный с образованием микротрещин в инструменте, стружке и поверхностном слое детали.
Сигналы первого типа характерны для обработки материалов, дающих сливную стружку; их амплитуда возрастает при возрастании износа задней поверхности инструмента и скорости резания. Сигналы второго типа характерны для обработки хрупких материалов; в этом случае импульс, возникший в результате скола элемента стружки, накладывается на сигнал первого типа, генерируемый в результате процессов трения и изнашивания.
Для регистрации сигналов могут использоваться пьезоэлектрические датчики, пленочные датчики и др.
Устройства, основанные на измерении температуры и термоЭДС. В качестве контролируемых параметров можно использовать:
- температуру сходящей стружки, измеряемую с помощью оптико-электронного устройства, которое сфокусировано на зону струж-кообразования;
- смещение верхней границы скоростей наростообразования; в данном случае используется явление резкого изменения полной ЭДС резания при исчезновении нароста);
- термоЭДС, которая регистрируется с помощью естественной термопары;
- изменение электрического сопротивления цепи, в которую входит режущий инструмент. *
Принципиальная схема устройства для контроля электрического сопротивления цепи в зоне резания. На резец между слоями диэлектрика наносится тонкая пленка проводника, имеющая заданные параметры электрического сопротивления. При обработке детали на резце появляется площадка износа по задней поверхности инструмента и уменьшается сопротивление пленки. Фиксируя изменения силы тока, можно определить износ.
Устройства, основанные на контроле формы стружки. Такие устройства позволяют регистрировать изменения формы стружки по мере износа инструмента (как правило, токарного резца). Такой контроль можно обеспечить, фиксируя инфракрасное излучение из зоны обработки. Его интенсивность будет зависеть от количества находящейся там разогретой стружки. Аналогичным образом действуют и камеры тепловизоров. Изображение с камеры делится компьютером на участки с одинаковой интенсивностью теплового излучения, что позволяет определить характер образующейся в данный момент стружки.
Для контроля образующейся стружки можно использовать также контактные датчики. Они устанавливаются на передней поверхности инструмента и позволяют регистрировать изменения условий стружкообразования по мере износа резца (изменения радиуса кривизны стружки, направления ее схода и т.д.).