АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ (В ТОМ ЧИСЛЕ АЛМАЗОВ)

Технологическая диагностика позволяет получать оперативную, достоверную и достаточную для последующего целенаправленного использования информацию о состоянии всех составляющих звеньев технологического процесса механической обработки в любой текущий момент времени изготовления изделия.

Методы технологической диагностики по энергетическому принципу можно разделить на 2 категории:

1- Методы основанные на использовании дополнительной энергии, подводимой к диагностическому объекту извне. При этом целенаправленно создаются условия для идентификации и оценки контролируемого параметра изделия (ультразвуковой контроль, метод вихревых токов).

2- Методы непосредственного анализа энергетического баланса процесса обработки, путем измерения параметров зоны резания (силы резания, температуры и т.д.)

Применение методов 1-ой группы при операциях механической обработки практически нецелесообразно из-за технических проблем, решение которых повысит сложность и стоимость выполнения операций.

Для технологической диагностики при механической обработки более предпочтительны методы 2-ой группы, т.к. их параметры непосредственно связаны с основными физическими процессами резания: трением, разрушением, и пластическим деформированием материалов.

Из методов этой группы наиболее нашли применение разнообразные способы контроля, устройства для их регистрации и способы управления процессом обработки использующие в качестве основного информативного диагностируемого параметра силу резания, т.к. сила резания является интегральным отображением энергетики процесса формирования, однозначно связана с напряженно-деформируемым состоянием зоны резания и зависит от основных параметров и условий обработки.

Созданы соответствующие устройства, реализующие как непосредственное измерение силы резания, её составляющих и отношения между ними посредством регистрации упругих деформаций элементов технологической системы, так и методы косвенной оценки силовых параметров резания, путем измерения энергетических характеристик приводов технологического оборудования.

Целый ряд отечественного и зарубежного автоматизированного оборудования оснащены соответствующими моментными и силовыми датчиками. В некоторых случаях по силовым характеристикам обработки реализованы и принципы адаптивного управления процессом резания.

Однако вследствие интегрального характера силы резания силовая диагностика имеет и недостатки, наиболее существенным, из которых является ограниченная информативность данного параметра. На практике это приводит к принципиальной невозможности установления причин, вызывающих аномальные отклонения сил резания от их расчетных значений. В свою очередь это приводит к ложному срабатыванию устройств контроля за процессом обработки, отклонениям от оптимальных законов управления в адаптивных системах резания. Кроме того, силовые параметры иногда оказываются «нечувствительными» к появлению брака из-за микросколов режущих лезвий, появлению прижогов при резании композитов и т.д.

Применительно к обработке алмазов из-за уникальности свойств кристаллов алмазов и вариации условий обработки в широких приделах роль силовых характеристик резания весьма ограничена, хотя их принципиально можно использовать в автоматизированном алмазообрабатывающем производстве.

Другим интегральным параметром зоны резания является её температура. Температура характеризует конечную фазу рассеяния затрачиваемой на процесс обработки энергии, которая определяется работой сил резания. При этом на заключительном этапе можно провести анализ теплонапряженности зоны обработки, т.к. основная часть работы сил резания преобразуется в тепло.

Все методы исследования тепловых явлений и их практического использования при решении задач технологической диагностики можно разделить на 2 группы:

1 -Методы, непосредственно связанные с изучением и измерением параметров тепловых процессов в зоне резания (это математические модели тепловых полей, методы оценки теплонапряженности резания по параметрам ИК излучения, цветам побежалости, калориметрирование элементов технологической системы, метод термокрасок и т.д.) Разработаны аналитические модели для расчета температурных полей. Наиболее привлекательным в этой группе методов является то, что при минимальном объеме экспериментальных исследований наиболее совершенные расчетные методики позволяют детально представить тепловую картину резания, что важно для решения некоторых практических задач (например трения, износа, интенсивности диффузионных процессов, фазовых превращений и т.д.). Но по разным причинам эта группа методов не позволяет на их основе создать эффективный аппарат контроля и управления процессами резания алмазов, т.е.для развития технологической диагностики эта группа методов малоэффективна.

2-Методы основанные на положении В.Рейхеля о соответствии между стойкостью инструмента и температурой резания. В работах Макарова сформулировано и доказано положение о постоянстве оптимальной температуры в зоне резания для оптимальных скоростей обработки в случае различных сочетаний режимов резания. Суть этих работ в экспериментальном нахождении оптимальной температуры в зоне резания, сопровождающей оптимальный режим обработки и принятия этой температуры за эталонную на последующих этапах обработки режимов резания.

Недостатком этой концепции является то, что под " температурой резания" понимается некоторая осредненная величина, интегрально характеризующая тепловое поле в зоне резания, хотя известно, что параметры износа контактных поверхностей инструмента характеризуется некоторой локализованной пространственно-временной функцией, которая может принимать различные значения в зависимости от условий резания и времени обработки.

Применительно к алмазам в реальных условиях их обработки наблюдается совокупность процессов изнашивания, которые достаточно сложно оценить по одному интегральному параметру.

В основу целого ряда методик диагностики и оптимизации процесса резания положен метод естественной термопары.

Но применительно к механической обработке нетокопроводящих материалов, к которым относятся алмазы, эти методы неприменимы и диагностику процесса обработки алмазов по температурным параметрам можно осуществить другими способами, что в техническом отношении трудновыполнимо.

Таким образом, анализ основных термосиловых методов контроля и оптимизации процесса механической обработки материалов резанием показал их ограниченные диагностические возможности, применительно именно к обработке алмазов. Для создания современного автоматизированного алмазообрабатывающего производства перспективные методы технологической диагностики должны учитывать многопараметрический характер процессов формообразования, в первую очередь их динамическую природу, которая обусловлена самой физикой процессов трения, разрушения и пластического деформирования.

Одним из способов перераспределения энергии, подводимой зоне формирования в процессе резания являются динамические процессы, которые реализуются в виде упругих колебаний элементов технологической системы и окружающей среды с различными амплитудами и широким частотным спектром. Вибрации оказывают существенное влияние на основные показатели, характеризующие качество продукции и зависят от условий функционирования технологического оборудования.

Проведенные исследования, выполненные по анализу динамики резания условно можно разделить на два основных направления:

1-Изучение причин возникновения колебаний с целью разработки практических рекомендаций по снижению их уровня.

2-Разработка основ вибрационной диагностики резания, которая включает в себя изучение зависимости параметров колебаний с целью получения полезной информации о состоянии элементов технологической системы.

Однако не все возникающие в процессе резания колебания можно использовать для решения вопросов диагностики процесса обработки алмазов резанием. В этом плане определенный интерес представляют колебания, которые непосредственно сопровождают процесс резания. К ним относятся автоколебания. В работах д.т.н. В.А.Кудинова и И.С. Тлустова развита теория координатной связи, которая объясняет природу автоколебаний при резании. В последствии она была дополнена структурной теорией автоколебаний. Однако в выполненных исследованиях при решении проблемы возникновения и развития колебаний в технологической системе использовался классический теоретический аппарат анализа, объясняющий и формирующий поведение изучаемого объекта только на основании общих законов механики без учета физических аспектов вариаций нагрузок на режущий клин инструмента. Для их учета обычно вводились эмпирические зависимости, которые вводились в уравнение упругих сил, приближая теоретические исследования к реальным условиям обработки. Это затрудняло использование параметров колебаний для диагностики процесса резания и контроля условий обработки.

Анализ работ о влиянии износа инструмента на параметры колебаний показывает, что посредством регистрации колебаний можно обосновано судить о некоторых физических условиях обработки.

Вибрационная диагностика использует в качестве информативных признаков различные характеристики колебательных процессов: механические колебания, акустическое излучение, динамические деформации и т.д. Вибрационные параметры имеют широкий частотный диапазон и быстро реагируют на применение функционального состояния технологической системы. Они относительно просто преобразуются в электрические сигналы, алгоритмы обработки достаточно хорошо развиты, что имеет большое значение при автоматизации процесса диагностирования.

Следовательно, использование методов и средств вибрационной диагностики более перспективно для решения задач по экспресс-оптимизации и обеспечению надежности процессов механической обработки, чем традиционных термосиловых параметров резания.

Самым важным вопросом вибрационной диагностики, от правильности и полноты решения которого зависит достоверность и точность результатов является выбор наиболее информативного частотного диапазона измерений параметров колебаний. Выбирая рабочий диапазон регистрируемых частот, необходимо учитывать не только информативность того или иного параметра колебаний, но и защищенность измерений в лабораторных и производственных условиях от помех, а также сложность и стоимость аппаратурной реализации метода.

Разграничение динамических процессов резания на вибрационные и акустические является непринципиальным, т.к. по своей природе эти процессы связаны с превращением упругой энергии в другие виды энергии и в первую очередь тепловую.

Анализ работ в области акустической и виброакустической диагностики показал, что практически все основные системы контроля сводятся к двум основным типам:

1. Использование абсолютных значений амплитуды колебаний на некоторой фиксированной частоте или сравнительно узком диапазоне частот в качестве основных информативных параметров. Контроль осуществляется приборами простейшего порогового типа, в которых управляющий сигнал вырабатывается в случае превышения или снижения регистрируемого электрического параметра относительно заранее заданного значения.

2. Использование отношений амплитуд колебаний на различных частотах.

Рассмотренные принципы акустической спектрометрии не имеют ясного физического обоснования, а математические модели описывающие эти процессы построены на основе достаточно искусственных допущений о процессах, которые порождают широкий спектр вибрации в технологической системе.

Т.о. анализ информативности динамических процессов резания показал, что хотя динамические процессы и имеет более широкие возможности методов диагностики условий обработки, основанных на изучении вибраций технологической системы, чем диагностика формообразования на базе изучения статических интегральных параметров резания, в полном объеме решить поставленную задачу по диагностике процессов обработки алмазов не представляется возможным из-за отсутствия обобщенных процессов диагностики, формализующий данный аппарат исследования процесса резания.