Д.т.н. Б.М. Бржозовский, д.т.н. В.В. Мартынов,

д.т.н. М.Б. Бровкова, к.т.н. Е.П. Зинина

Саратовский государственный технический университет, Россия

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОГО ИНСТРУМЕНТА И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Основным направлением повышения эффективности процессов резания все чаще становится высокоскоростная обработка, реализуемая применением режущего инструмента, изготовленного из новых материалов, свойства которых изменяются с помощью регулирования размеров и формы их структурных элементов (частиц, зерен, кристаллов), а также инструмента из традиционных материалов, рабочие поверхности которого модифицированы с целью повышения прочности и износостойкости.

В Саратовском государственном техническом университете разработана технология модификации рабочих поверхностей режущего инструмента воздействием на них низкотемпературной плазмой комбинированного разряда [1]. Способ существенно отличается от других известных способов, в том числе и тем, что значительно упрощает конструкцию технологического оборудования, делая его недорогим, более простым и экономичным в эксплуатации (потребляемая мощность – менее 2 кВт; время обработки в зависимости от вида, размера и материала обрабатываемого инструмента – 1,5-15 мин.).

Максимальное воздействие скомпенсированного потока заряженных частиц плазмы приходится на различные микронеровности или заостренные кромки рабочей поверхности инструмента, которые в электростатическом поле становятся концентраторами силовых линий. Потоки электронов и ионов, ускоряясь в силовом поле, концентрируются на выступах микронеровностей и кромок и при ударе передают поверхности свою кинетическую энергию, которая имеет значения порядка 10²-10³ эВ, поэтому вызывает разогрев поверхности и расплавление микронного приповерхностного слоя с образованием на вершинах микронеровностей кратеров размером порядка 0,5-1,0 мкм и расстоянием между ними порядка 2-3 мкм.

Исследования, в том числе металлографические и рентгеноструктурные, модифицированной рабочей поверхности позволили зафиксировать у нее свойства, которыми должна обладать износостойкая поверхность: низкая шероховатость, высокая прочность на отрыв, уменьшение зернистости, снижение отношения твердостей контактных поверхностей (обрабатываемого и инструментального материалов).

Исследования режущих свойств модифицированного инструмента показали, что наилучшим образом в условиях высокоскоростной обработки они проявляется при увеличении значений рабочих подач [2]. Однако при этом изменяются динамические свойства обрабатывающей системы (станка), что определяет необходимость поиска такого сочетания параметров технологического режима, при котором влияние этих изменений не будет проявляться значимо. Для этого был реализован подход, основанный на аппаратурной регистрации вибросигналов о колебаниях станка на различных сочетаниях скорости резания и подачи. Результаты программной обработки вибросигналов использовались для формирования оптимальных динамических свойств обрабатывающей системы с целью обеспечения динамической совместимости инструмента и заготовки как замкнутых процессом резания подсистем. Однако при практической реализации подхода необходимо проводить идентификацию неявных соотношений между энергетическими (силовыми) и спектральными (частотными) характеристиками процесса резания. Проведенный анализ позволил установить, что выполнить такую идентификацию можно специализированными методами теории распознавания образов, а в качестве математического аппарата распознавания использовать экспертную систему, построенную на основе искусственной нейронной сети встречного распространения, поскольку, во-первых, ее обобщающая способность позволяет получать правильный выход даже при приложении входного вектора, который является неполным или слегка неверным, во-вторых, она может успешно обрабатывать зашумленную, искаженную или частично поврежденную информацию.

Обучение нейросети проводилось с помощью базы данных экспертной системы, содержащей спектры вибросигналов, характеризующих динамическое состояние станка при обработке заготовок на различных сочетаниях параметров технологического режима инструментом, имеющим различные параметры модифицированной рабочей поверхности: шероховатость по Ra, микротвердость по Виккерсу (HV), электросопротивление (R) [3]. Вектора обучающего множества помимо спектров вибросигналов станка дополнительно содержали значения этих параметров. В процессе обучения вектора подавались и как обучающие на вход сети и как желаемые на ее выход (обучение с учителем). Многократное повторение данной процедуры позволяло адаптивно настраивать весовые коэффициенты синаптических связей сети до тех пор, пока на ее выходе не появлялся желаемый отклик. Практически это означало оптимизацию архитектуры сети по критерию наилучшей классификации вибросигналов; результаты оптимизации оценивались подачей на вход сети векторов тестового (подтверждающего) множества.

В процессе использования обученной нейросети при решении задачи оптимизации процесса резания на ее вход вместо полного вектора подавался вектор, содержащий только спектр вибросигнала. Сеть, благодаря свойству восстановления информации, давала на выходе полный вектор, содержащий помимо усредненного спектра параметры соответствующей ему модифицированной рабочей поверхности инструмента: Ra, HV и R.

Дальнейшая процедура оптимизации осуществлялась в направлении поиска в базе данных экспертной системы тех значений параметров технологического режима (в общем случае v, S и t), обработка на которых инструментом с идентифицированными сетью параметрами модифицированной рабочей поверхности обеспечивает стабилизацию состояния станка по критерию минимизации колебательных процессов в его динамической системе.

Результаты производственных испытаний инструмента c модифицированной рабочей поверхностью (фрезы из твердого сплава ВК6ОМ, сверла и метчики из стали Р6М5, в том числе с покрытием TiN, сменные многогранные пластины из твердого сплава Т15К6, в том числе с покрытием TiN) и оптимизированными параметрами технологического режима в условиях ФГУП «НПП «Контакт» (г. Саратов), ОАО «Саратовский подшипниковый завод», ЗАО «Контакт-Салют» (г. Саратов), ОАО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны) при изготовлении деталей из различных материалов (стали 42ХМФА, 45Г2, 40Х, 40ХН2МА, ХВГ, ШХ-15, Ст.3, 10864-ВИ, медь МОб, чугун ЧВГ, стеклотекстолит фольгированный) на различном оборудовании (станки с ЧПУ, автоматические линии, многошпиндельные полуавтоматы и агрегатные станки) позволили зафиксировать повышение эффективности высокоскоростной обработки, выразившееся как в улучшении параметров качества деталей (стабилизации размерной точности и уменьшение, в среднем, в 2,4 раза, шероховатости поверхности по параметру Ra), так и в повышении (до 3-5 раз) нормативной стойкости инструмента.

Литература:

1. Бржозовский Б.М. Упрочнение режущего инструмента воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. – 176 с.

2. Бржозовский Б.М. Исследование характеристик режущего инструмента, модифицированного воздействием низкотемпературной плазмы / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2010. – №4(16). – С.151-158.

3. Бржозовский Б.М. Повышение эксплуатационной надежности режущего инструмента на основе наноструктурирования его рабочих поверхностей и оптимизации процесса резания / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина // Вестник РГАТА им. П.А. Соловьева. – 2010. – №3(18). – С.121-128.