Krzysztof Jemielniak

Automatyczna diagnostyka

stanu narzdzia

i procesu skrawania

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,

Warszawa, 2002

1

Spis treci

1. WPROWADZENIE ................................................................................................................................. 3

2. ZUYCIE I TRWAO OSTRZA ...................................................................................................... 9

2. 1. Zuycie i stpienie ostrza ...................................................................................................................... 9

2. 2. Okres trwaoci ostrza ......................................................................................................................... 11

2. 3. Zaleno okresu trwaoci ostrza od parametrw skrawania ............................................................. 12

2.4. Trwao ostrza przy zmiennych parametrach skrawania ................................................................... 14

3. WIELKOCI FIZYCZNE WYKORZYSTYWANE W DNIPS ......................................................... 18

3. 1. Bezporednie wskaniki zuycia ......................................................................................................... 18

3. 2. Siy skrawania i wielkoci pochodne ................................................................................................... 21

3. 2. 1. Przebieg si skrawania w trakcie naturalnego stpienia ostrza ............................................... 21

3. 2. 2. Przebieg si skrawania w trakcie katastroficznego stpienia ostrza ........................................ 34

3. 2. 3. Wykorzystanie pomiarw si skrawania do wykrywania drga samowzbudnych i kolizji .... 40

3. 3. Emisja akustyczna ............................................................................................................................... 41

3. 3. 1. rda i przebieg emisji akustycznej w procesie skrawania ................................................... 41

3. 3. 2. Zaleno emisji akustycznej od zuycia ostrza ..................................................................... 43

3. 3. 3. Emisja akustyczna w trakcie katastroficznego stpienia ostrza .............................................. 50

3. 3. 4. Inne zastosowania emisji akustycznej .................................................................................... 63

3. 4. Drgania i haas ..................................................................................................................................... 64

3. 4. 1. Nadzorowanie stanu narzdzia ............................................................................................... 64

3. 4. 2. Wykrywanie nadmiernych drga ............................................................................................ 67

4. CZUJNIKI STOSOWANE W UKADACH DNIPS .............................................................................. 69

4. 1. Czujniki si skrawania i wielkoci pochodnych................................................................................... 70

4. 1. 1. Czujniki prdu i mocy silnika................................................................................................... 70

4. 1. 2. Czujniki odksztace i przemieszcze ...................................................................................... 73

4. 1. 3. Czujnik siy posuwowej ........................................................................................................... 75

4. 1. 4. Czujniki si skrawania .............................................................................................................. 76

4. 1. 5. Czujniki momentu skrcajcego ............................................................................................... 86

4. 2. Czujniki emisji akustycznej ................................................................................................................. 88

4. 2. 1. Metodyka badania charakterystyk czujnikw AE .................................................................... 88

4. 2. 2. Charakterystyki wybranych czujnikw AE dostpnych w Polsce ........................................... 90

4. 2. 3. Ocena przydatnoci czujnikw ultradwikowych do diagnostyki stanu narzdzia ................ 94

4. 2. 4. Przemysowe czujniki AE ........................................................................................................ 97

4. 3. Czujniki drgania i ultradwikw........................................................................................................ 99

4. 4. Inne czujniki stosowane w DNiPS .................................................................................................... 101

5. WYBRANE ZAGADNIENIA OBRBKI SYGNAW W DNIPS ............................................... 103

5. 1. Analiza sygnaw z oysk pomiarowych ......................................................................................... 103

5. 2. Obrbka sygnaw AE pochodzcych z procesu skrawania ............................................................. 111

5. 2. 1. Wstpna obrbka sygnaw AE ............................................................................................. 111

2

5. 2. 2. Znieksztacenia sygnau AE .................................................................................................. 115

5. 2. 3. Staa cakowania przy wyznaczaniu wartoci skutecznej ...................................................... 120

5. 2. 4. Wpyw drogi sygnau AE na jego warto i charakterystyk ................................................ 121

5. 3. Aparatura do badania AE stosowana w ITM PW ............................................................................. 123

5. 3. 1. Uniwersalny ukad analogowej obrbki wstpnej sygnau AE ............................................. 123

5. 3. 2. Laboratoryjny Monitor Stanu Narzdzia LMSN-2 ................................................................ 126

6. STRATEGIE NADZORU STANU NARZDZIA I PROCESU SKRAWANIA .............................................. 136

6. 1. Ocena zuycia ostrza ........................................................................................................................ 136

6. 2. Wykrywanie katastroficznego stpienia ostrza ................................................................................. 138

6. 2. 1. Strategie oparte na staych granicach..................................................................................... 138

6. 2. 2. Rozpoznawanie przebiegu si skrawania towarzyszcego KSO ............................................ 141

6. 2. 3. Strategia wykrywania KSO przy toczeniu opracowana w ITM PW ..................................... 144

6. 3. Nadzr procesu skrawania ................................................................................................................ 154

6. 3. 1. Wykrywanie i przeciwdziaanie nadmiernym drganiom ....................................................... 154

6. 3. 2. Wykrywanie kolizji ............................................................................................................... 155

6. 3. 3. Inne zadania ukadw DNiPS ................................................................................................ 157

7. METODY SZTUCZNEJ INTELIGENCJI W DNIPS ..................................................................... 158

7. 1. Budowa i dziaanie sztucznych sieci neuronowych .......................................................................... 158

7. 2. Zastosowanie sieci neuronowych do oceny zuycia ostrza .............................................................. 161

7. 2. 1. Wpyw inicjalizacji sieci na przebieg jej uczenia .................................................................. 161

7. 2. 2. Uczenie z zakceniami ......................................................................................................... 164

7. 2. 3. Badanie efektywnoci wej sieci neuronowej ...................................................................... 168

7. 2. 4. Optymalizacja struktury sieci ................................................................................................ 174

7. 2. 5. Laboratoryjny a przemysowy czujnik si skrawania ............................................................ 176

7. 2. 6. Sie cztero- czy trzywarstwowa? ........................................................................................... 180

7. 2. 7. Przyspieszenie uczenia sieci .................................................................................................. 184

7. 2. 8. Ograniczanie liczby wej ..................................................................................................... 185

7. 2. 9. Oszacowanie zuycia powierzchni przyoenia w strefie rodkowej .................................... 187

7. 3. Logika rozmyta ................................................................................................................................. 189

7. 3. 1. Wybrane aspekty logiki rozmytej .......................................................................................... 189

7. 3. 2. Tworzenie bazy wiedzy do oceny zuycia ostrza .................................................................. 191

7. 3. 3. Przewidywanie zuycia ostrza w oparciu o system logiki rozmytej ...................................... 193

8. PRZEMYSOWE UKADY DNIPS ................................................................................................ 196

8. 1. Czujniki............................................................................................................................................. 197

8. 2. Przekazywanie i obrbka sygnau ..................................................................................................... 197

8. 3. Budowa ukadw przemysowych DNiPS ........................................................................................ 198

8. 4. Strategie monitorowania ................................................................................................................... 202

9. RODZINA UKADW DNIPS BUDOWANA W ITM PW ........................................................................ 206

9. 1. Podstawowe zaoenia rodziny ukadw ADONIS .......................................................................... 206

9. 2. Prezentacja dziaania ukadu ADONIS 3 .......................................................................................... 210

LITERATURA............................................................................................................................................. 218

3

1. WPROWADZENIE

W cigu ostatnich trzydziestu lat bylimy wiadkami dramatycznych zmian w przemyle budowy

maszyn. Denie do obnienia kosztw, zwikszenia dokadnoci, skrcenia czasu wytwarzania

doprowadzio do nieomal wyparcia obrabiarek konwencjonalnych przez nowoczesne systemy produkcyjne

(od linii automatycznych, przez obrabiarki NC, CNC do FMS), nasycone procesorami, czsto wyposaone w

roboty. Zwikszajca si autonomia systemw produkcyjnych oznaczajca ograniczony nadzr operatora

sprawia, e niezbdne staje si wyposaanie tych systemw w ukady monitorujce i diagnozujce ich prac,

a w nastpnej kolejnoci automatycznie reagujce na powstajce zakcenia (ukady nadzorujce). Te

systemy produkcyjne s kosztowne, wane jest zatem moliwie dobre wykorzystanie ich czasu pracy.

Tymczasem jeli by nie stosowa ukadw monitorujcych, postoje w czasie drugiej i trzeciej zmiany, w

czasie weekendw i wit, a take przestoje zwizane z usuwaniem awarii i inne sprawiaj, e z cakowitego

czasu (24 godziny * 365 dni w roku) wykorzystywane jest zaledwie ok. 10%. Wprowadzenie monitorowania

umoliwia znaczne odzyskanie straconego czasu i zwikszenie wykorzystania czasu pracy maszyn do ok..

65% ([220] rys. 1.1). Gwnym celem ukadw monitorujcych jest zatem zabezpieczenie obrabiarki,

narzdzia i przedmiotu przed uszkodzeniami wynikajcymi z nieprawidowego przebiegu procesu skrawania

realizowanego bez cigego nadzoru operatora. Pene zabezpieczenie tego typu byoby moliwe w

przypadku, gdyby podsystem by w stanie z wyprzedzeniem wykrywa nieprawidowoci przebiegu obrbki

lub stanu narzdzia i powodowa okrelon reakcj ukadu sterowania.

rys. 1.1. Wpyw zastosowania ukadw monitorujcych na czas pracy maszyn wg. [220].

W czasie ostatnich dekad minionego stulecia wystpi take (i postpuje nadal) istotny rozwj

materiaw narzdziowych (np. ceramika Si3N4, CBN, diament polikrystaliczny), umoliwiajcych znaczne

4

zwikszenie wydajnoci obrbki. Do ich wykorzystania potrzebne jest stosowanie znacznie wyszych

parametrw skrawania ni przy stosowaniu tradycyjnych materiaw narzdziowych. Ponadto pojawio si

szereg nowych materiaw konstrukcyjnych, trudniejszych do obrbki ni dotychczas stosowane. Nowe

materiay narzdziowe jak i materiay obrabiane s stosunkowo sabo poznane pod wzgldem skrawnoci i

skrawalnoci. Powoduje to, i proces skrawania, a zwaszcza zuycie ostrza stay si znacznie trudniej

przewidywalne. Przy ograniczonym nadzorze operatora trzeba uwzgldni moliwe losowo najbardziej

niekorzystne waciwoci materiau obrabianego, skrajne wymiary przedmiotu czy najkrtszy okresu

trwaoci ostrza, a take o ile to moliwe zabezpieczy si przed katastroficznym stpieniem ostrza (KSO).

Stpienie takie, polegajce na gwatownym przyrocie zuycia, wykruszeniu lub wyamaniu znacznych jego

fragmentw moe wystpi nie tylko na kocu okresu trwaoci lecz take niespodziewanie, nawet w

pocztkowym okresie jego pracy. Niebezpieczestwo to jest szczeglnie due przy trudnych warunkach

skrawania (obrbka przerywana, powierzchnie surowe, materiay trudnoobrabialne). Wymienione czynniki

powoduj, e w praktyce przemysowej czsto stosuje si konserwatywne, zanione parametry skrawania.

Jednake znacznie wyszy koszt nowoczesnych systemw produkcyjnych sprawia, e wykresy zalenoci

kosztw maszynowych i narzdziowych od prdkoci skrawania s znacznie bardziej strome ni przy

stosowaniu obrabiarek konwencjonalnych ([220] rys. 1.2). Wzrost kosztw wytwarzania zwizany z

zanieniem prdkoci skrawania w stosunku do optymalnej, odpowiadajcej minimalnym kosztom jest tu

wic znacznie wikszy i trudny do zaakceptowania. Zastosowanie ukadw diagnostyki narzdzia i procesu

skrawania (DNiPS), wykrywajcych stpienie ostrza i inne zakcenia procesu, umoliwia stosowanie

wyszych, optymalnych parametrw, a co za tym idzie peniejszego wykorzystanie potencjalnych

moliwoci systemu obrbkowego. Ukady takie mog by rwnie stosowane do wspomagania operatora

obsugujcego obrabiark pracujc z wysokimi prdkociami skrawania, z du iloci cieczy chodzco-

smarujcej, gdy przestrze obrbkowa jest z reguy zamknita osonami. W takich warunkach bezporedni

nadzr operatora jest bardzo utrudniony lub wrcz niemoliwy.

Obrabiarki konwencjonalne Obrabiarki CNC

Km - koszty osobowe, Kn - koszt narzdzia,

Ks - koszty stae, niezalene od vc, K - koszt cakowity

rys. 1.2. Zaleno kosztw produkcji od prdkoci skrawania dla obrbki konwencjonalnej i na

obrabiarkach CNC (wg [220]).

5

Kolejnym powodem, dla ktrego stosuje si ukadu diagnostyki procesu obrbki jest wzrost

dokadnoci wymiarowo-ksztatowej przedmiotu i zmniejszenie chropowatoci obrabianej powierzchni.

Osiga si to poprzez eliminacj nadmiernych drga, obrbki niesprawnym narzdziem oraz zapewnienie

staoci obcienia i odksztace struktury obrabiarki, przedmiotu i narzdzia.

Omwione wyej wzgldy spowodoway, e ju w drugiej poowie lat osiemdziesitych wikszo

liczcych si producentw obrabiarek oferowaa zainstalowane ukady DNiPS, a poza tym na rynku

pojawiay si oddzielne ukady, ktrych producenci zapewniali o ich skutecznoci. Stosunkowo wiele

ukadw DNiPS zostao zainstalowanych w praktyce przemysowej. Po kilku latach okazao si jednake, i

ich uytkownicy coraz mniej chtnie kupuj nowe ukady, a wikszo ju zainstalowanych przestaje by

wykorzystywana przed upywem roku. Generalnie mona powiedzie, e poza nielicznymi wyjtkami, te

wczesne ukady DNiPS poniosy porak byy zbyt zawodne, zbyt drogie, zbyt trudne w obsudze.

Spowodowao to (poza innymi, niezalenymi czynnikami jak spadek koniunktury) wyrane obnienie

zainteresowania uytkownikw tymi ukadami. Oczywicie nie oznaczao to, bo oznacza nie mogo,

zniknicia obiektywnej potrzeby automatycznej diagnostyki systemw wytwrczych. Zmusio natomiast

badaczy i producentw ukadw do gruntownej analizy przyczyn tego niepowodzenia oraz wytyczenia drg

rozwoju DNiPS. Duy wkad w tym zakresie miaa grupa robocza zajmujca si DNiPS w ramach CIRP w

latach 1992-1995 [25, 45, 141, 144, 145 i in.]. Mimo to, w dalszym cigu trudno problem DNiPS uzna za

rozwizany zaledwie 29% producentw obrabiarek i 38% ich uytkownikw jest zadowolonych z tych

ukadw [136]. Wspczenie intensywne prace zmierzajce do zwikszenia wiarygodnoci dziaania

ukadw nadzorujcych stan narzdzia oraz przeniesienia osigni uzyskanych w laboratoriach do praktyki

przemysowej prowadzone s w ramach wiatowego programu badawczego Sensor Fused Intelligent

Monitoring System for Machining (SIMON) bdcego czci oglniejszego programu Intelligent

Manufacturing Systems.

Podstawowe zadania ukadu DNiPS to [89, 98]:

diagnozowanie stanu narzdzi skrawajcych, w tym:

o wykrywanie katastroficznego stpienia ostrza (KSO),

o diagnostyka zuycia ostrza (wykrywanie koca okresu trwaoci),

wykrywanie nadmiernych drga,

wykrywanie kolizji

inne (np. diagnostyka postaci wira, wykrywanie narostu, powstawania zadziorw, wykrywanie

brakujcego przedmiotu lub narzdzia).

Pierwsze z wymienionych zada diagnostyka stanu narzdzia jest najwaniejsze, i jemu gwnie

powicona jest ta monografia.

Podczas obrbki mog wystpowa drgania wymuszone, wasne, parametryczne i samowzbudne.

Drgania pierwszych trzech rodzajw mog si pojawia podczas biegu luzem i podczas obrbki, natomiast

6

drgania samowzbudne jedynie w czasie skrawania. Z punktu widzenia oddziaywania na efekty obrbki

najistotniejsze s wzgldne drgania narzdzia i przedmiotu obrabianego. Wpywaj one na wzrost

niedokadnoci wymiarowo-ksztatowej, wzrost chropowatoci powierzchni oraz zwikszenie zuycia

narzdzia. Szczeglnie niekorzystne s wystpujce podczas niestabilnej obrbki drgania samowzbudne,

ktrych amplitudy mog rosn do znacznych wartoci groc awaryjnym zniszczeniem narzdzia lub

zespow obrabiarki i praktycznie uniemoliwiajc obrbk. Poniewa wykluczenie a'priori pojawienia si

drga samowzbudnych jest trudne i z reguy zwizane z koniecznoci ograniczenia wydajnoci obrbki,

obrabiarki pracujce bez cigego nadzoru operatora powinny by zabezpieczone przed moliwoci

wystpienia drga samowzbudnych [68, 177, 197, 199, 217, 242, 249, 252].

Pod pojciem kolizji rozumie si nieprzewidziane zderzenie zespow obrabiarki, narzdzia lub

przedmiotu spowodowanych ich wzajemnymi przemieszczeniami. Kolizje mog wystpowa podczas

realizacji cykli automatycznych i ruchw ustawczych sterowanych rcznie. Nastpstwem kolizji s czsto

powane awarie, z tego wzgldu autonomiczne stacje obrbkowe musz by wyposaone w ukady

zabezpieczajce przed wystpieniem i skutkami kolizji. Zgodnie z wynikami bada przeprowadzonych w TH

Monachium redni koszt kolizji mona oceni na sum ok. 18000 DM [173, 201]. Wag tego problemu

podkrela fakt, e w 1982 roku ok. 75% wypaconych w przemyle RFN odszkodowa byo zwizanych z

kolizjami, a redni czas przestoju maszyny w celu usunicia skutkw kolizji wynosi od jednego do dwch

tygodni.

W pracy [173] zestawiono gwne przyczyny kolizji. S to:

bdy w programie NC 13%

ustawianie i zerowanie obrabiarki 21%

bdy obsugi 20%

wybr narzdzi i wprowadzanie wymiarw narzdzi 18%

awarie ukadu sterowania NC i ukadu elektrycznego 26%

nieprawidowe wymiary przygotwki 3%

Wida, e pierwsze cztery grupy przyczyn, obejmujce w sumie 72% wszystkich kolizji s

zawinione bezporednio przez czowieka: programist lub operatora. Niebezpieczestwo kolizji ronie wraz

ze wzrostem stopnia skomplikowania obrabiarki i obrabianego przedmiotu oraz z liczb i rnorodnoci

obrabianych przedmiotw, co jest zwizane z czstotliwoci uruchamiania nowych programw. Mona

wic stwierdzi, e autonomiczne stacje obrbkowe musz by wyposaone w ukady zabezpieczajce przed

niebezpieczestwem wystpienia kolizji lub jej skutkami.

Wymienione tu zagadnienia dotycz jedynie diagnostyki (stanu) narzdzia i procesu skrawania

DNiPS. Nie wyczerpuj one oczywicie caoci problematyki monitorowania, nadzorowania i diagnostyki w

procesach wytwarzania. Przegld zagadnie zwizanych z diagnostyk obrabiarek i urzdze

technologicznych mona znale np. w [58, 152].

7

Ogln struktur ukadu diagnostyki stanu narzdzia i procesu skrawania przedstawiono na rys. 1.3

[89]. Proces skrawania moe by opisywany za pomoc wielu rnych wielkoci fizycznych. Odpowiednie

czujniki przeksztacaj wybrane wielkoci fizyczne (jako wielkoci mierzone) w sygna elektryczny, ktry

moe by poddany zarwno elektronicznemu przetwarzaniu jak i transmisji. Przetwarzanie sygnau moe

by mniej lub bardziej rozbudowane, poczwszy od filtracji (dolno, grno i pasmowo przepustowej),

poprzez analogowo-cyfrow konwersj A/C, szybk transformacj Fouriera (FFT), obliczanie wartoci

skutecznej (RMS), odchyle standardowych, wartoci redniej, kurtozy, stosowanie analizy regresji oraz

wielu innych. Wynikiem jest szereg miar reprezentujcych mierzony sygna. Wybiera naley takie miary,

ktre s wraliwe na zmiany parametrw badanego procesu. Mwimy wwczas o ekstrakcji cech z sygnau

pomiarowego. Na podstawie tak uzyskanego wektora cech i odpowiedniej strategii, generowana jest

decyzja o stanie monitorowanego procesu (zjawiska). Sama strategia powstaje na bazie wiedzy o procesie i

dowiadcze dotyczcych modelowania procesu.

rys. 1.3. Struktura ukadu diagnostyki (stanu) narzdzia i procesu skrawania - DNiPS.

W kolejnych rozdziaach tej ksiki omwione zostan elementy struktury ukadu DNiPS

przedstawione na rys. 1.3. Przedtem jednak, w rozdziale 2 przedstawione zostan podstawowe zagadnienia

zwizane ze zuyciem i trwaoci ostrza oraz konwencjonalne metody rozwizywania problemu okrelenia

jego trwaoci bez zastosowania ukadu DNiPS [83].

8

W pracach badawczych dotyczcych diagnostyki stanu narzdzia i procesu skrawania coraz czciej

stosowane s metody sztucznej inteligencji. Mimo i nie znalazy one dotychczas (do koca XX wieku)

przemysowego zastosowania, s z pewnoci warte uwagi. Powicono im sidmy rozdzia ksiki.

W rozdziale smym przedstawiono przegld komercyjnych ukadw DNiPS, a cilej te dotyczce

ich informacje, ktre nie znalazy si w poprzednich rozdziaach.

Ostatni rozdzia ksiki omawia pokrtce pierwsze dowiadczenia z budowanymi wanie w

Instytucie Technologii Maszyn Politechniki Warszawskiej (ITM PW) ukadami Automatycznej Diagnostyki

Ostrzy Narzdzi Skrawajcych (ADONiS).

Niniejsza ksika omawia przede wszystkim wyniki prac zespou kierowanego przez autora

Niemniej jednak zawarto w niej podstawowy stan wiedzy w omawianej dziedzinie. Inne omwienia tego

stanu wiedzy mona znale np. w [8, 25, 43, 58, 68, 99, 152, 181, 212, 217, 220].

9

2. ZUYCIE I TRWAO OSTRZA

2. 1. Zuycie i stpienie ostrza

Obcienie mechaniczne i cieplne, jakiemu podlega ostrze w czasie skrawania powoduje zmiany

waciwoci ostrza oraz ubytki jego materiau, co pogarsza jego zdolno do wykonywania obrbki

skrawaniem. T postpujc w czasie utrat waciwoci skrawnych ostrza nazywamy zuyciem ostrza.

Naley podkreli, i zuycie ostrza jest procesem trwajcym od pocztku jego pracy, czyli ostrze, ktre

pracowao choby kilkanacie sekund ju jest w jakim stopniu zuyte.

rys. 2.1. Typowe objawy zuycia ostrza

Typowe objawy zuycia ostrza przedstawiono na rys. 2.1. S to: starcie powierzchni przyoenia,

krater na powierzchni natarcia oraz zuycie wrbowe na powierzchni natarcia i przyoenia na kocach

czynnej krawdzi skrawajcej. Wraz ze wzrostem zuycia wyniki pracy ostrza s coraz gorsze, a wreszcie

staj si niezadowalajce. Ponadto zuycie ostrza moe by na tyle due, e grozi cakowitym zniszczeniem

narzdzia i uszkodzeniem przedmiotu obrabianego, co jest nie do zaakceptowania. Stan ostrza, ktry czyni

go nieprzydatnym do dalszej pracy nazywamy stpieniem ostrza. Tak wic o ile zuycie jest wielkoci

zmienn w czasie, stpienie jest okrelon (maksymaln dopuszczaln) wartoci tego zuycia.

Obok wymienionych wyej objaww zuycia narastajcych w sposb cigy, wystpuj

wytrzymaociowe (dyskretne) formy zuycia ostrza. Zakoczenie pracy narzdzia w taki sposb nazywa si

katastroficznym stpieniem ostrza (KSO). Jest ono szczeglnie niebezpieczne przy ograniczonym nadzorze

operatora, moe bowiem prowadzi do cakowitego zniszczenia narzdzia, uszkodzenia przedmiotu

obrabianego, a w skrajnych przypadkach nawet do uszkodzenia obrabiarki. Zawsze powoduje nieplanowan

przerw w produkcji.

Zuycie wytrzymaociowe moe przyjmowa nastpujce formy (rys. 2.2):

a. Pknicia ostrza wystpuj z reguy przy obrbce przerywanej (np. frezowanie gowic) gdy ostrze

naraone jest na wielokrotne, czste uderzenia mechaniczne i cieplne. Zmczenie mechaniczne

powoduje powstawanie pkni rwnolegych do krawdzi, za cieplne prostopadych do niej. Z

10

biegiem czasu pknicia obu typw powikszaj si, a ich poczenie prowadzi do wyamania najpierw

otoczonego przez nie segmentu, a chwil pniej znacznego fragmentu ostrza.

b. Drobne wykruszenia krawdzi (chipping) powstaj w wyniku miejscowego przekroczenia

wytrzymaoci doranej ostrza. Geometria fragmentu ostrza, na ktrym wystpio wykruszenie ulega

gwatownym, niekorzystnym zmianom (znaczny ujemny kt natarcia). Pociga to za sob wzrost

obcienia ostrza w tym rejonie, a wic zwikszon podatno na zuycie oraz kolejne wykruszenia. W

krtkim czasie prowadzi to moe do zupenej destrukcji ostrza jak na rys. 2.2d.

c. Wyamanie ostrza moe mie podobne przyczyny co wykruszanie, jest tylko znacznie wiksze, a wic

oznacza natychmiastow utrat wasnoci skrawnych ostrza. Wykruszenia i wyamania czsto

wystpuj przy nadmiernym jego zuyciu. Jeli pojawiaj si od pocztku pracy ostrza wiadcz o le

dobranych warunkach skrawania (zbyt kruchy materia ostrza, za jego geometria, niestabilna obrbka).

d. W przypadku narzdzi ze stali szybkotncych wzrost temperatury skrawania spowodowany

nadmiernym zuyciem ostrza prowadzi do odpuszczenia materiau ostrza i cicia wierzchoka,

zwanego w tym przypadku spaleniem ostrza

rys. 2.2. Formy wytrzymaociowego zuycia ostrza - pknicia (a), wykruszenia (b), wyamanie (c) i cicie

wierzchoka (d).

Do oceny zuycia ostrza su wskaniki zuycia, przy czym mog by one bezporednie lub

porednie. Te pierwsze, to geometryczne miary zuycia ostrza przedstawionego na rys. 2.1. Najwaniejsze z

nich to:

gboko obka KT mierzona w najgbszym miejscu prostopadle do powierzchni natarcia,

szeroko starcia w strefie rodkowej VBB, o ile jest ono rwnomierne lub maksymalna szeroko starcia

w strefie rodkowej VBBmax, o ile jest ono nierwnomierne,

szeroko starcia w rejonie naroa VBC - czsto bywa wiksze ni VBB.

Naley podkreli, e wymienione tu bezporednie wskaniki zuycia cho podstawowe, nie musz

by jedynymi stosowanymi. Badajc zuycie ostrza naley przyjmowa te wskaniki, ktre decyduj o jego

stpieniu, czyli kocu przydatnoci do pracy. Np. przy frezowaniu stosuje si liczb i wielko pkni.

Porednie wskaniki zuycia to zmiany wielkoci fizycznych spowodowane zuyciem ostrza, na

podstawie ktrych mona oceni to zuycie. Zaliczamy do nich chropowato powierzchni obrobionej,

ksztat i kolor wira, siy skrawania, drgania i haas, emisj akustyczna, temperatur w strefie skrawania i

11

szereg innych odpowiednich dla danych warunkw skrawania. Ukady DNiPS wykorzystuj gwnie

wskaniki porednie i im bdzie powicony nastpny rozdzia.

2. 2. Okres trwaoci ostrza

Typy przebiegw bezporednich wskanikw zuycia w funkcji czasu przedstawiono na rys. 2.3. Po

dotarciu ostrza mona je oglnie opisa rwnaniem:

uw t C = w' (2.1)

Z reguy czas docierania jest bardzo krtki i moe by pominity. Przyjmujc to uproszczenie moemy

cakowit warto zuycia zapisa jako:

uw0 t C+ w = w (2.2)

gdzie w - cakowita warto zuycia,

w0 - warto dotarcia (lub gboko zwijacza wira)

rys. 2.3. Typy przebiegw zuycia w funkcji czasu.

Okres trwaoci ostrza jest to czas skrawania do jego stpienia, tj. do osignicia maksymalnej

dopuszczalnej wartoci okrelonego wskanika zuycia lub np. wykruszenie krawdzi skrawajcej czy

wyamanie znacznego fragmentu ostrza. Te ostatnie zjawiska nazywamy katastroficznym stpieniem ostrza.

Dopuszczaln (krytyczn) warto zuycia ostrza lub jego wykruszenie czy wyamanie nazywamy

kryterium trwaoci ostrza.

Dobr kryterium trwaoci zaley od dwu czynnikw. Po pierwsze powinno ono jak najlepiej

charakteryzowa stan nieprzydatnoci narzdzia do dalszej pracy. Po drugie musi by w danych warunkach

moliwe do okrelenia. Ten drugi, praktyczny wzgld jest z reguy dominujcy. Moemy tu wyrni kilka

sytuacji.

12

1. W pracach badawczych czy w trakcie opracowywania technologii produkcji wielkoseryjnej stosuje si

bezporednie wskaniki zuycia. S one najbardziej obiektywne, mog by zmierzone w najbardziej

pewny sposb, wreszcie w sposb bezporedni opisuj zuycie ostrza. Kryterium trwaoci jest wic w

tym przypadku okrelon wartoci wybranego wskanika zuycia lub kombinacj takich wartoci.

2. W produkcji jednostkowej czy remontowej, tam gdzie nadzr operatora obrabiarki jest stay i

bezporedni, kryteria trwaoci ostrza wynikaj z obserwacji strefy skrawania, czyli s oparte o porednie

wskaniki zuycia okrelane przez czowieka. Moe to by ksztat czy kolor wirw, piski narzdzia

(szczeglnie wierta), stan powierzchni obrobionej i inne wynikajce z dowiadczenia operatora.

3. W produkcji seryjnej nadzr operatora jest ograniczony. Dotyczy to zwaszcza ukadw obrbkowych o

zwikszonej autonomii jak linie automatyczne. W takich przypadkach w trakcie uruchamiania produkcji

dobiera si waciwe warunki skrawania i okrela moliw do wykonania liczb operacji. Naley przy

tym uwzgldni losowy charakter okresu trwaoci.

4. W najbardziej nowoczesnych ukadach zautomatyzowanych jak elastyczne systemy obrbkowe,

stosowane s znw porednie wskaniki zuycia i wynikajce z nich kryteria trwaoci. Tym razem

jednak oparte s one nie na obserwacjach operatora lecz pomiarach wykonanych przez odpowiednie

czujniki, opracowywanych nastpnie przez specjalistyczne ukady diagnostyczne. Zagadnieniom tym

powiecona jest ta ksika.

2. 3. Zaleno okresu trwaoci ostrza od parametrw skrawania

Zaleno okresu trwaoci ostrza od prdkoci skrawania przedstawiono na rys. 2.4. Zaznaczono na

nim dwa zakresy prdkoci, ktrym odpowiadaj opadajce fragmenty krzywej. Z reguy wykorzystywany

jest zakres 2. W niektrych przypadkach (gwintowanie, przeciganie stali stopowych) wykorzystywany jest

zakres pierwszy.

rys. 2.4. Zaleno okresu trwaoci ostrza od prdkoci skrawania.

Taylor stwierdzi, e opadajce czci wykresu T-vc w ukadzie podwjnie logarytmicznym mona

przedstawi w postaci prostej:

y = c + k x (2.3)

13

gdzie y = log T, x = log vc c = log CT

czyli: log T = log CT + k log vc

co po zdelogarytmowaniu daje:

T = CT vck (2.4)

rys. 2.5. Zaleno Taylora.

Staa CT odpowiada (tylko matematycznie!) trwaoci ostrza przy prdkoci

skrawania vc = 1. Jej warto jest bardzo dua, a przez to niewygodna.

Zauwamy, e zaleno T - vc przecina poziom o w punkcie (T = 1,

vc = Cv), czyli Cv jest (znowu tylko matematycznie) prdkoci skrawania

odpowiadajc okresowi trwaoci T = 1. Zachodzi zatem:

kvT

v

T CCClog

Clogk (2.5)

Podstawiajc powysze do (2.4) otrzymamy :

T = Cv-k vc

k (2.6)

a std rwnanie Taylora:

vk

1

c CTv

(2.7)

Rwnanie to wykorzystywane jest w dwu postaciach uytkowych:

k

v

c

C

vT

(2.8)

oraz

k1vc TCv (2.9)

Okres trwaoci ostrza zaley nie tylko od prdkoci skrawania lecz take od innych parametrw

skrawania. Rwnie posuw i gboko skrawania powoduj obnienie okresu trwaoci ostrza, jednake w

stopniu mniejszym ni prdko skrawania. Rwnanie (2.15) mona zatem rozszerzy do postaci:

TT x

p

y

k

v

c afC

vT

(2.10)

Wyznaczajc prdko skrawania z (2.10) otrzymamy rozszerzon posta zalenoci (2.9):

vvTT x

p

yk1v

kx

p

kyk1vc afTCafTCv

(2.11)

gdzie: yv = -yT/k xv = -xT/k

14

Wane praktyczne zastosowanie ma okresowa prdko skrawania, czyli taka prdko, ktra pozwala na

uzyskanie zadanego okresu trwaoci ostrza. Opisana jest ona zalenoci:

vv

T

x

p

y

vcT afCv (2.12)

gdzie: CvT = Cv T1/k

W praktyce zamiast indeksu T wpisuje si okres trwaoci ostrza. Mamy wic np. vc15, vc60 itd.

(pitnastominutow, godzinn itp) prdko skrawania. W poradnikach doboru warunkw skrawania

podawane s tablice vcT w funkcji ap i f, przy czym kada tablica odpowiada okrelonemu materiaowi

ostrza i grupie materiaw obrabianych. Wpyw innych warunkw skrawania, jak geometria ostrza,

uwzgldniany jest przy pomocy wspczynnikw poprawkowych zawartych w oddzielnych tablicach, jako

e wpywaj one gwnie na warto staej Taylora, nie wpywajc zasadniczo na wartoci wykadnikw

potgowych.

2. 4. Trwao ostrza przy zmiennych parametrach skrawania

Przypomnijmy, e oglne rwnanie zuycia w funkcji czasu mona zapisa jako (2.2):

uw0 t C+ w = w

Czas skrawania po ktrym zuycie ostrza w osiga warto rwn wskanikowi stpienia wk jest okresem

trwaoci ostrza T. Rwnanie (2.2) przyjmuje wtedy posta:

uw0k TC+ w = w (2.13)

Przenoszc w rwnaniach (2.2) i (2.13) w0 na lew stron i dzielc je przez siebie otrzymamy:

u

0k

0

T

t

ww

ww

Wystpujcy w tym rwnaniu stosunek czasu skrawania do okresu trwaoci ostrza jest wielkoci

bezwymiarow. Oznaczymy j T i nazwiemy wykorzystan czci okresu trwaoci ostrza:

u1

0k

0

ww

ww

T

tT

(2.14)

Wykorzystana cz okresu trwaoci ostrza przyjmuje z natury rzeczy wartoci od 0 - dla ostrego narzdzia,

do 1 - dla narzdzia stpionego. Zauwamy, e do wyznaczenia T nie jest potrzebna znajomo

dotychczasowego przebiegu pracy ostrza, a jedynie warto zuycia. Bdc niezalena od parametrw

skrawania i odpowiadajcego im okresu trwaoci ostrza T jest wygodn ogln miar wykorzystanych

moliwoci ostrza.

15

Z zalenoci (2.13) wynika bezporednio wzr na wspczynnik Cw:

u

0kw

T

wwC

(2.15)

Podstawiajc do niego rozszerzony wzr Taylora (2.10) wyznaczy mona:

TuxpTuyuk

cukv0kw afvCwwC

(2.16)

Jak wida, Cw jest funkcj wskanika stpienia i parametrw skrawania, a za porednictwem Cv take

pozostaych warunkw skrawania.

Wanym zagadnieniem jest przewidywanie zuycia i trwaoci ostrza pracujcego z przemiennie

zmiennymi parametrami skrawania. Rozwamy przypadek, w ktrym ostrze pracuje przez czas t1 z

pierwszym zestawem parametrw skrawania, a nastpnie przez czas t2 z drugim (rys. 2.6).

rys. 2.6. Zuycie ostrza przy zmiennych parametrach skrawania.

W czasie pierwszego odcinka czasu jego zuycie przebiega bdzie zgodnie z (2.2) wedug zalenoci:

u1w0 t C+ w = w (2.17)

oznaczonej na rys. 2.6 jako , by na kocu tego czasu osign warto:

u

11w01 t C+ w =w (2.18)

Gdyby narzdzie od pocztku pracowao z drugim zestawem parametrw, jego zuycie przebiegaoby

wedug zalenoci:

uw20 t C+ w = w (2.19)

oznaczonej jako , a zuycie rwne w1 osignite zostaoby po czasie t:

uw201 t C+ w =w (2.20)

16

ktry mona wyznaczy porwnujc ze sob zalenoci (2.18) i (2.20):

1

u1

2w

1w tC

C't

(2.21)

Zuycie po dalszym skrawaniu przez czas t2 wyniesie zatem:

u22w02 t'tCww (2.22)

Przesuwajc poziomo krzyw tak aby jej punkt (t', w1) pokry si z punktem (t1, w1) na krzywej ,

otrzymamy dalszy przebieg zuycia ostrza przy skrawaniu z drugim zestawem parametrw skrawania.

Podstawiajc (2.21) do (2.22) otrzymuje si warto zuycia po skrawaniu z dwoma zestawami parametrw

skrawania:

u

2

u1

2w1

u1

1w0

u

21

u1

2w

1w2w02 tCtCwtt

C

CCww

(2.23)

Wystarczy zauway, e zaleno (2.18) mona zapisa w postaci:

u1u11w01 tCw w

by porwnujc j z (2.23) doj do wniosku, e oglny wzr opisujcy warto zuycia ostrza po skrawaniu

z m zestawami parametrw skrawania ma posta:

u

m

1i

i

u1

i w0 tCww

(2.24)

Wygodnie bdzie do tego wzoru podstawi Cw z (2.15). Otrzymuje si wtedy:

u

m

1i i

i0k0

u

m

1i

i

u1

u

i

0k0

T

twwwt

T

wwww

(2.25)

a pamitajc o wprowadzonej poprzednio wykorzystanej czci okresu trwaoci (2.14), ktr tu oznaczymy

jako Ti otrzymuje si:

u

m

1i

i0k0 Twwww

(2.26)

Czsto stosowane parametry skrawania powtarzaj si cyklicznie, np. przy wykonywaniu powtarzalnych

operacji. Moemy wtedy wprowadzi pojcie czci okresu trwaoci ostrza wykorzystanej w czasie jednej

operacji TO:

17

Om

1j

jO TT (2.27)

gdzie mO - liczba zestaww parametrw skrawania w ramach jednej operacji

Zachodzi oczywicie:

Om

1j

jO

m

1i

i TnT mnm OO

gdzie nO - liczba operacji

Zaleno opisujca warto zuycia po wykonaniu nO operacji przyjmie zatem posta:

uOO0k0 Tnwwww (2.28)

Interesujce bdzie wyznaczenie liczby operacji nT, moliwych do wykonania do stpienia ostrza.

Zauwamy, e po podstawieniu w zalenoci (2.28) wk w miejsce w otrzymuje si wane uproszczenie:

uOT0k

0k Tn1ww

ww

(2.29)

co naley odczyta jako: suma wykorzystanych czci okresu trwaoci ostrza do chwili jego stpienia

rwna jest jednoci. Wynika std bezporednio:

1m

1j j

j

O

T

O

T

t

T

1n

(2.30)

Oznacza to, e do obliczenia liczby operacji moliwych do wykonania danym ostrzem nie jest potrzebna

znajomo rwnania opisujcego przebieg zuycia ostrza (wartoci Cw w0 i u). Wystarcz okresy trwaoci

ostrza odpowiadajce poszczeglnym zestawom parametrw skrawania czyli rozszerzona zaleno Taylora.

Znajomo zalenoci w(t) potrzebna jest jedynie do wyznaczania przebiegu zuycia ostrza lub do okrelania

wykorzystanej czci okresu trwaoci ostrza.

Na zakoczenie naley mocno podkreli, e przedstawione wyej wywody oparte s na zaoeniu o

addytywnoci i przemiennoci zuycia ostrza. W rzeczywistoci po zmianie parametrw skrawania ostrze

zuywa si nieco inaczej, w innych miejscach ni przed t zmiana, a to oznacza, e przeskakiwanie z jednej

krzywej zuycia na drug nie jest zupenie cise. Rozbienoci midzy rzeczywistym przebiegiem zuycia

ostrza, a obliczonym wg wzoru 2.36 zale od rozpitoci parametrw skrawania. Oglnie mona jednak

powiedzie, e rzeczywiste zuycie jest mniejsze ni obliczone, dajc dodatkowy margines bezpieczestwa

[109, 113, 114].

18

3. WIELKOCI FIZYCZNE WYKORZYSTYWANE W DNIPS

Jak stwierdzono w rozdziale 2.1 i 2.2, zuycie i trwao ostrza okrelane s na podstawie

wskanikw zuycia, ktre mog by bezporednie (geometryczne miary zuycia) lub porednie (zmiany

wielkoci fizycznych spowodowanych zuyciem). Podobnie podzieli mona metody oceny stanu narzdzia

stosowane w DNiPS na bezporednie i porednie. Spord tych pierwszych cz to metody laboratoryjne,

opisywane we wczesnych pracach powiconych DNiPS. Wspczenie nie s ju stosowane, zostan wiec

jedynie przypomniane ze wzgldw porzdkowych. Dokadniejszy ich opis mona znale w starszych

przegldach literatury dotyczcej DNiPS, np. [79, 172, 220]. Do powszechnie s obecnie stosowane rne

ukady do zautomatyzowanego ustawiania i korekcji pooenia narzdzia lub wrcz jego obecnoci, a take

do oceny dokadnoci przedmiotw obrabianych. Do pewnego stopnia mog by one take wykorzystane do

oceny stanu narzdzia. Spord porednich metod oceny zuycia ostrza na szczegln uwag zasuguj

oparte na pomiarach si skrawania i wielkoci pochodnych oraz emisji akustycznej te stosowane s

najczciej w praktyce przemysowej, a take powica si im najwicej uwagi w prowadzonych aktualnie

pracach badawczych. Znajd one poczesne miejsce rwnie w niniejszym opracowaniu. Pewne znaczenie

ma wykorzystanie drga zwaszcza do diagnostyki stanu wierte i oczywicie do wykrywania nadmiernych

drga. Inne wielkoci pojawiaj si w literaturze sporadycznie i zostan jedynie wspomniane.

3. 1. Bezporednie wskaniki zuycia

Radioaktywno

Czujniki promieniowania znalazy zastosowanie do oceny ubytku masy ostrza. Moliwe s dwa

rozwizania [172]. W pierwszym ostrze jest aktywowane neutronami lub naadowanymi czsteczkami. W

czasie skrawania wiry unosz materia ostrza. Pomiar ich radioaktywnoci wskazuje wielko ubytku tego

materiau. Metoda jest kopotliwa i stwarza szereg problemw BHP. Druga metoda (mikroizotopowa) polega

na pokryciu radioaktywnymi czsteczkami ostrza w strefie gdzie si ono zuywa. Mierzony jest spadek

radioaktywnoci ostrza, wskazujcy na jego zuycie. Odmian tej metody jest naoenie mikroskopijnej

iloci substancji radioaktywnej w miejscu okrelajcym dopuszczaln warto zuycia powierzchni przyo-

enia [164]. Zanik radioaktywnoci narzdzia oznacza tu jego stpienie. Promieniowanie pochodzce od

narzdzia w drugiej metodzie nie stanowi zagroenia - nie przewysza promieniowania ta [133].

Opr elektryczny

Opr elektryczny jest zaleny od waciwoci przewodnika i pola jego przekroju. Zaleno ta bya

wykorzystywana do oceny pola starcia powierzchni przyoenia, bdcego polem powierzchni styku

narzdzia i przedmiotu obrabianego [164]. Opr tego styku zaley jednak nie tylko od zuycia ostrza lecz

rwnie od innych warunkw skrawania (siy, temperatura), a przede wszystkim jest zakcony przez

powstawanie siy elekromotorycznej co utrudnia pomiary [133].

19

Stosowane take byway oporniki naoone na powierzchni przyoenia (tusz grafitowy lub napylony

na warstw izolacyjn). Dugo opornika zmniejsza si wraz ze wzrostem zuycia ostrza, a wraz z ni

maleje opr bdcy miar zuycia ostrza [172]. Konieczno specjalnego przygotowania narzdzia sprawia,

i metoda ta miaa znaczenie wycznie laboratoryjne.

Temperatura skrawania i sia termoelektryczna

Zuycie ostrza powodujc wzrost si i mocy skrawania oraz tarcia narzdzia o przedmiot obrabiany

pociga za sob wzrost temperatury skrawania. Termopara obca z reguy umieszczana jest pomidzy pytk

wymienn, a oprawk [127]. Ze wzgldu na czas przechodzenia ciepa przez pytk metoda ta uyteczna

przy laboratoryjnych badaniach temperatury skrawania jest nieprzydatna w warunkach produkcyjnych.

Styk narzdzia z przedmiotem obrabianym tworzy termopar naturaln. Pomiar siy

elektromotorycznej wytworzonej przez t termopar jest najwygodniejszym sposobem okrelania

temperatury skrawania i by przez wielu badaczy wykorzystywany przy podejmowaniu prb diagnozowania

stanu narzdzia [164]. Metoda ma dwie gwne wady: wpyw dodatkowych termopar utworzonych

pomidzy innymi elementami oraz trudne wzorcowanie. Przegld innych laboratoryjnych metod pomiaru

temperatury skrawania w celu nadzorowania stanu narzdzia mona znale w [40].

Wymiary przedmiotu obrabianego, odksztacenia i przemieszczenia

W wyniku zuycia narzdzia ulega zmianie gboko skrawania, a co za tym idzie wymiar

przedmiotu obrabianego lub odlego imaka narzdziowego od powierzchni obrobionej [40, 152, 183]. Std

pomiary takie wykonywane ze wzgldu na nadzr dokadnoci obrbki mog by wykorzystane do oceny

zuycia ostrza. Stosowane s metody dotykowe i bezdotykowe (elektryczne, ultradwikowe, pneumatyczne,

laserowe i in.). Stosowane rwnie bywa okrelanie pooenia powierzchni obrobionej w stosunku do imaka

tokarskiego (narzdzia). Podstawow wad tych metod z punktu widzenia oceny zuycia ostrza jest fakt, e

zmiana wymiaru przedmiotu obrabianego lub jego odlegoci od narzdzia pochodzi moe nie tylko od tego

zuycia, lecz rwnie od rozszerzania termicznego narzdzia, odksztace narzdzia pod wpywem si

skrawania czy niedokadnoci obrbki. Miknicie i odksztacenia plastyczne ostrza powodowa mog

wrcz zmniejszenie rednicy toczonego przedmiotu, co przez ukady takie interpretowane bdzie jako

zuycie ujemne [20]. Wady te s istotne przy obrbce zgrubnej. Poniewa nie s to dosownie pomiary on-

line, metody te nie nadaj si do wykrywania KSO.

Zmieniajce si pod wpywem zuycia ostrza siy skrawania powoduj odksztacenia, czy zmiany

wzajemnych pooe elementw obrabiarki. Rwnie drgania samowzbudne powoduj wzgldne

przemieszczenia narzdzia i przedmiotu obrabianego. Pomiar tych przemieszcze moe by utrudniony ze

wzgldu na ruch obrotowy przedmiotu lub narzdzia [117, 215]. Wspczenie oferowane czujniki

pozwalaj zmierzy niewielkie odksztacenia elementw obrabiarki i wykorzysta je do wykrywania

przynajmniej znaczniejszych zmian si spowodowanych katastroficznym stpieniem ostrza [25, 52, 180].

20

Obraz narzdzia

Metody optyczne oparte s na analizie obrazu powierzchni ostrza, ktra ulega zuyciu. Stosowane

bywaj kamery telewizyjne przesyajce obraz na ekran lub do komputerowego analizatora obrazu, dziki

czemu moliwa jest ocena jego zuycia i rozpoznanie wykruszenia (wyamania ostrza) [54, 164, 172].

Wspominane ukady maj na razie charakter laboratoryjny. Przemysowe zastosowanie znalazy natomiast

mniej zoone urzdzenia oparte na ocenie dugoci narzdzi trzpieniowych jak wierta czy gwintowniki,

przy pomocy fotokomrek lub kamer (patrz punkt 4.3) w czasie przerw w obrbce. Mona w ten sposb

wykry zamanie narzdzia i nie dopuci go do dalszej pracy.

Pooenie krawdzi skrawajcej

Wspczenie szeroko (znacznie szerzej ni ukady diagnostyki stanu narzdzia) s

rozpowszechnione laserowe lub dotykowe ukady pomiarowe, suce do dokadnego okrelania pooenia

krawdzi skrawajcej w ukadzie wsprzdnych obrabiarki, w celu utrzymania dokadnoci wymiarowej

obrbki. Przy okazji mog one z powodzeniem wykrywa wyamania tej krawdzi (lub caego narzdzia), a

niektrzy ich producenci utrzymuj, i da si przy ich pomocy oceni zuycie ostrza (freza). Trzeba jednake

zauway, e pooenie krawdzi skrawajcej w wikszym znacznie stopniu ni od zuycia ostrza zaley od

innych zakce, jak odksztacenia cieplne obrabiarki [213].

Istnieje szereg dostpnych handlowo czujnikw indukcyjnych, ktrych sposb dziaania podobny jest

do opisanego wyej w czujnikach dotykowych, z tym e pomiar dokonywany jest tu bezdotykowo. Inaczej

dziaa ukad oferowany przez firm Euchner wykrywajcy zamanie wierta [70]. Nad tulejkami

prowadzcymi w uchwycie wiertarskim umieszczone s piercienie z cewkami, dla ktrych wierto jest

rdzeniem. Przy rozpoczynaniu wiercenia ukad stwierdza czy wierto nie jest za krtkie (zamane podczas

poprzedniego zabiegu), za po zakoczeniu wiercenia sprawdza czy wierto nie pozostao w otworze.

Chropowatoci powierzchni obrobionej

Zuywaniu si narzdzia po jego naturalnym dotarciu towarzyszy wzrost chropowatoci powierzchni

obrobionej. Zjawisko to bywa wykorzystywane do kontroli zuycia ostrza w czasie obrbki [164].

Najczciej stosowane s metody optyczne (lub laserowe). Pomiar chropowatoci powierzchni moe by

celowy przy obrbce dokadnej, gdy chropowato ta jest technologicznym wskanikiem zuycia. W innych

przypadkach uzyskanie zadowalajcej korelacji pomidzy chropowatoci a zuyciem ostrza w rnych

warunkach obrbki jest na tyle kopotliwe, e metoda jest nieprzydatna w warunkach przemysowych.

Drgania samowzbudne odwzorowuj si w charakterystyczny sposb na powierzchni skrawania i

powierzchni obrobionej przedmiotu. Na podstawie ich ladw mona okreli czstotliwo i amplitud

drga samowzbudnych [68,143] oraz otrzyma szereg informacji diagnostycznych na temat stanu obrabiarki

i narzdzia [194]. Wykrywanie drga samowzbudnych na podstawie oceny stanu powierzchni przedmiotu

wydaje si by atrakcyjne ze wzgldu na bezporedni zwizek stanu powierzchni z drganiami

21

samowzbudnymi oraz moliwo uzalenienia dopuszczalnego granicznego poziomu tych drga z

dopuszczaln chropowatoci powierzchni przedmiotu.

3. 2. Siy skrawania i wielkoci pochodne

Zuycie narzdzia skrawajcego polega na ubytkach materiau ostrza, a co zatem idzie - na zmianach

jego geometrii. Zmiany te pocigaj za sob zmiany si skrawania dziaajcych na ostrze, a obserwacja

(pomiar) si jest najczciej wykorzystywana w diagnostyce stanu narzdzia [44, 79, 145, 164, 168, 217 i

in.]. Z tego punktu widzenia naley wyrni wyranie dwa odrbne zagadnienia. Pierwsze to naturalne

stpienie ostrza polegajce na stosunkowo powolnym i rwnomiernym w czasie zuywaniu si ostrza a do

osignicia wartoci dopuszczalnej wskanika stpienia. Odrbnym problemem jest katastroficzne

stpieniem ostrza (KSO) polegajce na nagym wykruszeniu lub wyamaniu ostrza (patrz punkt 2.1). Oba te

zjawiska rni si znacznie pod wzgldem skali czasu, rne te s wymagania dotyczce czujnikw si

skrawania i strategii ukadw nadzorujcych, std bd omawiane oddzielnie.

3. 2. 1. Przebieg si skrawania w trakcie naturalnego stpienia ostrza

Na rys. 3.1 przedstawiono kilka przykadowych przebiegw zuycia ostrza (pomiary wykonywano w

czasie przerw w obrbce) i si skrawania przy rnych materiaach obrabianych i materiaach ostrza [125].

Po trwajcym nie duej ni jedn minut naturalnym docieraniu ostrza, w trakcie ktrego

intensywno zuycia powierzchni przyoenia jest stosunkowo dua (na rysunku VBC, lecz dotyczy to

take zuycia pod prostoliniow czci krawdzi skrawajcej VBB patrz rys. 2.6), nastpuje okres

rwnomiernego, powolnego wzrostu zuycia ostrza. Towarzyszy mu mniej lub bardziej rwnomierny wzrost

si skrawania. W niektrych prbach proces ten trwa a do osignicia przez zuycie ostrza nawet bardzo

znacznych wartoci, bez istotnych zmian intensywnoci zuycia czy si skrawania. Takie stpienie ostrza

mona nazwa naturalnym. Jeeli warto graniczna wskanika stpienia ostrza (dopuszczalna warto

zuycia) ustalona jest odpowiednio nisko, a warunki skrawania nie s szczeglnie trudne, wikszo ostrzy

osiga stpienie w ten wanie sposb. Charakterystyczny jest znacznie wikszy wpyw zuycia ostrza na

siy Ff (posuwow) i Fp (odporow) ni na Fc (obwodow) potwierdzany w wielu doniesieniach litera-

turowych, np. [6, 11, 31, 90, 93, 199, 217].

Na podstawie dowiadcze prowadzonych midzy innymi w laboratoriach WZL TH Aachen [148],

Queen's University of Belfast [165], Instytucie Technologii Mechanicznej PW [81,125] oraz opisanych w

innych pracach z tego zakresu (np. [30, 66, 79]), mona wyrni kilka charakterystycznych sposobw

poszukiwania porednich wskanikw zuycia ostrza, opartych na pomiarach si skrawania. Najprostszym

sposobem jest bezporednie korelowanie si skrawania ze zuyciem ostrza. Jak wspomniano, szczeglnie

czua na przyrost zuycia jest sia posuwowa Ff. Mimo wyranej korelacji tej siy ze zuyciem nietrudno

zauway, e posugiwanie si bezporednio siami lub ich przyrostami bezwzgldnymi jest niewygodne,

22

poniewa wielkoci takie w bardzo duym stopniu zale od wszystkich warunkw skrawania,

wpywajcych na warto si. Wyraone s one w jednostkach si lub sygnaw reprezentujcych siy (np.

wolty). Sprawia to, i zmiana jakichkolwiek warunkw skrawania powoduje konieczno ponownego

wyznaczania krytycznych wartoci si, przy ktrych ostrze uznawane jest za stpione. Na rys. 3.2

przedstawiono przebiegi zuycia powierzchni przyoenia w rejonie naroa (a) i siy posuwowej (b) w

funkcji czasu uzyskane w dziewitnastu prbach, w ktrych stosowano zblione pod wzgldem skrawnoci

materiay obrabiane (40HNMG i 45) lecz rne parametry skrawania. Widoczne na rys. 3.2c zalenoci siy

Ff od zuycia ostrza wyranie wskazuj na niedogodno bezporednich wartoci siy. Znaczne uoglnienie

tych wartoci osign mona stosujc wzgldne przyrosty si skrawania (rys. 3.2d):

rys. 3.1. Przebiegi zuycia ostrza i si skrawania dla rnych materiaw obrabianych i materiaw ostrza .

Narzdzie: CSRNR 2525-12, SNUN; ap = 2.5 mm, f = 0.33 mm/obr [125].

fo

foff

F

FFdF

(3.1)

gdzie Ffo - sia posuwowa na pocztku pracy ostrza.

Mimo bardzo rozbienych wartoci siy Ff, przebiegi dFf s do zgodne i powtarzalne. Obserwacja

ta jest bardzo istotna, oznacza bowiem e przebieg dFf w funkcji zuycia ostrza jest niezaleny od

23

ustalonych (ale rnych) parametrw skrawania, a wic nie wymaga okrelania nowych wartoci

krytycznych dFf po ich zmianie. Analogiczny wskanik zuycia ostrza mona zbudowa w oparciu o si

odporow (dFp).

Warto podkreli, e wartoci tych miar si skrawania odpowiadajce stpieniu ostrza zale od

zestawu materia obrabiany - materia ostrza. Wg [6, 140] mog one przyjmowa wartoci z zakresu 0.32.7.

Powstawanie obka na powierzchni natarcia czsto powoduje obnianie si wartoci si skrawania ze

wzgldu na zwikszenie kta natarcia. Z drugiej strony, starcie na powierzchni przyoenia zwykle pociga

za sob wzrost si. Std w niektrych przypadkach oba te wpywy niweluj si wzajemnie i przyrost si

skrawania spowodowany zuyciem ostrza jest nieznaczny. Wysze przyrosty uzyskiwane s, gdy

dominujc postaci zuycia ostrza jest starcie na powierzchni przyoenia.

rys. 3.2. Przebiegi zuycia ostrza (a) i siy posuwowej (b) w funkcji czasu, oraz zaleno Ff (c) i dFf (d) od

zuycia ostrza przy obrbce z rnymi parametrami skrawania.

rys. 3.3. Zaleno Ff (a) i dFf (b) od zuycia ostrza przy obrbce w rnych warunkach skrawania, w

ktrych dominuje zuycie powierzchni przyoenia.

Na rys. 3.3a zestawiono porwnanie zalenoci Ff i dFf od VBC uzyskane w prbach prowadzonych

przy dwu materiaach obrabianych (34HNM i ZL25M), dwu geometriach ostrza (pytki SNUN i TNMG)

oraz czterech materiaach ostrza (TC35, KV, S30S i NT25). W prbach tych tworzenie si obka na

24

powierzchni natarcia byo stosunkowo niewielkie. Jak wida, w tym przypadku wskanik dFf osiga znacz-

nie wysze wartoci, a jego przebiegi w funkcji zuycia ostrza s dobrze skupione. Oznacza to, e jedna

zaleno dFf(VBC) moe by okrelona nie tylko dla rnych parametrw skrawania, ale take dla pewnego

zakresu materiaw obrabianych oraz materiaw i geometrii ostrza. Uatwia to znacznie jej zastosowanie w

diagnostyce stanu narzdzia.

Korzyci z zastosowania tego wskanika w porwnaniu ze zliczaniem czasu pracy ostrza ilustruje

rys. 3.4, na ktrym przedstawiono wyniki tych samych prb co na rys. 3.3. Jak wida rozproszenie zuycia

przebiegw zuycia ostrza jest znacznie mniejsze w funkcji wzgldnego przyrostu siy posuwowej ni w

funkcji czasu.

Dotychczas opisywano wyniki bada, w ktrych poszczeglne ostrza pracoway ze staymi

parametrami skrawania. W praktyce produkcyjnej zdarza si jednak czsto, e to samo ostrze wykonuje

przemiennie zabiegi z rnymi parametrami skrawania. Naley zatem znale tak miar si skrawania, ktra

jest dobrze skorelowana ze zuyciem ostrza, a jednoczenie niewraliwa (lub mao wraliwa) na zmiany tych

parametrw. Zmiany prdkoci skrawania i posuwu s z natury rzeczy znane. Trudniejszy problem stanowi

zmiany gbokoci, ktre mog by przypadkowe, wynikajce ze zmiennoci naddatku pwyrobu.

rys. 3.4. Porwnanie przebiegw zuycia ostrza w funkcji czasu skrawania (a) i dFf (b).

Niej przedstawione zostay wyniki bada [125], w ktrych warunki skrawania odpowiaday

wykonywaniu dwu zabiegw (rys. 3.5). W pierwszym z nich posuw wynosi 0.21 mm/obr, a gboko

skrawania 1.5 mm. Drugi zabieg rozpoczynano w tym samym miejscu co pierwszy, z posuwem 0.33 mm/obr

i gbokoci 2.5 mm. Po przejciu narzdzia wzdu osi przedmiotu odcinka obrobionego w pierwszym

zabiegu, napotykao ono gboko zwikszon do 4 mm. Drugi zabieg przebiega zatem ze staym posuwem

i prdkoci obrotow (w przyblieniu ze sta prdkoci skrawania) oraz ze zmieniajc si w jego trakcie

gbokoci skrawania. Przypadek taki jest wany z punktu widzenia nadzoru zuycia ostrza, a zwaszcza

katastroficznego stpienia ostrza, mona bowiem przyj, e zmiana gbokoci wystpia w sposb

niekontrolowany.

Z caego przebiegu si skrawania dla pojedynczego operacji dwuzabiegowej wybierano sze

punktw - na pocztku i na kocu kadego z trzech odcinkw skrawania odpowiadajcych poszczeglnym

zestawom parametrw skrawania (litery AF na rys. 3.5). Na rys. 3.6 przedstawiono dla przykadu uzyskane

w ten sposb wyniki prby oznaczonej numerem 250 (toczenie stali 34HNM noem hR 110.16 z pytk

25

SNUN TN35, prdkoci skrawania 125 i 100 m/min, czasy skrawania - pierwsze przejcie 12 s, drugie 16 s)

wraz z uzyskanymi w czasie przerw w skrawaniu wynikami pomiarw zuycia ostrza.

rys. 3.5. Posuwy (f) i gbokoci skrawania (ap) stosowane w prbach prowadzonych ze zmiennymi

parametrami skrawania oraz przykadowy przebieg si skrawania.

rys. 3.6. Przebiegi si skrawania i zuycia ostrza w prbie D10.

Zamy na pocztek, e parametry te s znane, co odpowiada obrbce przedmiotw wstpnie

obrobionych. Z wielu analizowanych miar si skrawania, ktre prbowalimy wykorzysta jako wskaniki

zuycia ostrza, tu zostan przedstawione jedynie najbardziej charakterystyczne, ilustrujce sposb

rozumowania, otrzymane dla prby D10.

Jak stwierdzono poprzednio, korzystn miar si skrawania, dobrze skorelowan ze stanem

narzdzia, by wzgldny przyrost siy posuwowej (dFf). Przed prb jej zastosowania do nadzoru zuycia

ostrza przy obrbce ze zmiennymi parametrami skrawania, naley ustali, ktr warto siy Ff uznaje si za

warto pocztkow (Ffo w zalenoci 3.1). Przyjmujc, e jest to pierwsza zmierzona warto siy

posuwowej otrzymujemy wskanik dFfo:

fo

fof

foF

FFdF

(3.2)

gdzie Ffo - pierwsza zmierzona warto siy posuwowej (tu w punkcie A w czasie obrbki pierwszego

przedmiotu)

26

Jak mona si byo spodziewa, przebieg dFfo w funkcji zuycia ostrza (rys. 3.7a) rni si od przebiegu

siy jedynie bezwymiarow skal, zachowujc siln zaleno od parametrw skrawania. Naley zatem

inaczej zdefiniowa warto pocztkow.

rys.3.7. Zalenoci dFfo, dFfI i dFfIo od zuycia ostrza w prbie D10 uzyskane przy zaoeniu, e zmiany

gbokoci byy znane.

Niezaleno wzgldnego przyrostu siy posuwowej dFf od parametrw skrawania, gdy byy one

ustalone dla pojedynczego ostrza, (rys. 3.2) podsuwa odnoszenie biecego wyniku pomiaru siy do wartoci

uzyskanej w tym samym miejscu przedmiotu (przy tych samych parametrach skrawania) w czasie obrbki

pierwszego przedmiotu. Otrzymana w ten sposb wskanik dFfI ma posta:

fI

fIffI

F

FFdF

(3.3)

gdzie: Ff - sia posuwowa w okrelonym punkcie przedmiotu (tu jest to jeden z punktw AF)

FfI - sia Ff w tym samym punkcie w czasie obrbki pierwszego przedmiotu.

Na rys. 3.7b przedstawiono przebieg dFfI w funkcji zuycia ostrza uzyskany w prbie D10. Jak

wida jej zaleno od parametrw skrawania jest bardzo silna. Wynika to z faktu, e przy obrbce z

przemiennymi parametrami skrawania, przyrost si wynikajcy ze zuycia ostrza nie jest proporcjonalny do

siy pocztkowej dla tych parametrw (jak to byo przy staych dla ostrza parametrach skrawania - rys. 3.1a),

lecz w przyblieniu taki sam dla wszystkich stosowanych zestaww f/ap (patrz rys. 3.6). A zatem w celu

wyeliminowania wpywu zmiennoci parametrw naley od biecej wartoci siy odejmowa warto, ktra

wystpia w tym samym miejscu w czasie obrbki pierwszego przedmiotu. Bezwymiarowo dFfI,

zapewniajc jej pewn uniwersalno, uzyska mona przez dzielenie przez pierwsz zmierzon warto

siy. Otrzymuje si w ten sposb dFfIo:

fo

fIffIo

F

FFdF

(3.4)

Na rys. 3.7c przedstawiono przebieg tego wskanika w funkcji zuycia ostrza uzyskany w prbie

D10. Jak wida, jej zaleno od parametrw skrawania jest niewielka, mniejsza ni spodziewany naturalny

rozrzut wynikw.

27

Na rys. 3.8 przedstawiono przebiegi dFfIo uzyskane przy toczeniu staliwa OHN3MA i stali 34HNM

narzdziami o dwu geometriach ostrza (pytki SNUN i TNUN) i rnych materiaach ostrza. Widoczne jest

dobre skupienie przebiegw dFfIo, przy czym wystpuje wyrane rozbicie na dwie grupy. Dla pytek pokry-

wanych (TN35 i NT25) nachylenie wykresw jest wysze ni dla konwencjonalnych (S30S). Oznacza to

jedynie tyle, e krytyczne wartoci dFfIo musz by dobierane oddzielnie dla tych dwu grup materiaw

ostrza.

rys. 3.8. Przebiegi dFfIo w prbach prowadzonych w rnych warunkach skrawania.

Zajmijmy si obecnie zagadnieniem trudniejszym czyli obrbk pwyrobu o przypadkowo zmiennej

gbokoci. Przedstawione tu rozwaania i wyniki bada traktowa naley raczej jako wskazwk czy

propozycj wstpn ni gotowe rozwizania. Przeprowadzone eksperymenty umoliwiaj analiz takiego

przypadku w do skrajnej postaci - zmiana gbokoci skrawania w drugim zabiegu z 2.5 do 4.0 mm jest

blisko dwukrotna. Poszukujc odpowiednich miar si skrawania przyjto, e nie bdzie si wykorzystywa

informacji o gbokoci skrawania. Miary opisane w poprzednim punkcie nie speniaj tego warunku,

poniewa wykorzystywane w nich byy wartoci si skrawania w czasie obrbki pierwszego przedmiotu z

uwzgldnieniem punktu pomiaru siy, a wic take gbokoci skrawania.

Poniewa sia Fc w znacznie mniejszym stopniu ni pozostae zaley od zuycia ostrza, w literaturze

(np. [30, 158, 159, 165]) spotka mona sugesti, e dobre wyniki w rozpatrywanych warunkach mona

uzyska dziki stosunkowi siy posuwowej do gwnej:

cfcf FFF (3.5)

Na rys. 3.9a przestawiono zaleno Ff/c od zuycia ostrza w prbie D10. Jak wida, dla

VBC

28

cofo

cofocfcf

FF

FFFFdF

(3.6)

przebiega podobnie jak Ff/c, majc wiksz dynamik i skal wzgldn (rys. 3.9b). Jeszcze korzystniejszy

przebieg ma stosunek przyrostu siy posuwowej wzgldem pierwszej zmierzonej wartoci Ff (Ffo) do

aktualnej siy gwnej:

rys. 3.9. Zalenoci Ff/c, dFf/c i DFf/c od zuycia ostrza w prbie D10 uzyskane przy zaoeniu, e zmiany

gbokoci byy nieznane.

c

fofcf

F

FFDF

(3.7)

Warto tej DFf/c (rys. 3.9c) reaguje wprawdzie na zmiany gbokoci skrawania przy ostrym

narzdziu (wzrost gbokoci powoduje wzrost DFf/c), jednake reakcja ta maleje wraz ze zuyciem ostrza,

ulegajc odwrceniu dla VBC>0.5 mm. Dla VBC ok. 0.8 (w kocu prby) zmiany DFf/c wywoane zmianami

gbokoci skrawania s znacznie mniejsze ni zmiany dFf/c. Mimo i DFf/c w wyranie mniejszym stopniu

zaley od posuwu, zaleno ta jest na tyle istotna, e nadzr naley prowadzi dla kadego posuwu

oddzielnie, co przedstawiono na rys. 3.9d.

Na rys. 3.10 przedstawiono naoone na siebie zalenoci DFf/c od VBC uzyskane w prbach

prowadzonych przy rnych materiaach obrabianych oraz materiaach i geometriach ostrza. Podobnie jak w

przypadku dFIo (rys. 3.8) przebiegi te maj dla pytek pokrywanych (rys. 3.10a) nachylenie wiksze ni dla

pytek konwencjonalnych (rys. 3.10b).

rys. 3.10. Przebiegi DFf/c w prbach prowadzonych w rnych warunkach skrawania.

29

Przedstawione wyniki potwierdzaj przydatno DFf/c do nadzoru zuycia ostrza przy zmiennej

przypadkowo gbokoci skrawania. Warto podkreli, e wskanik DFf/c nie stanowi konkurencji dla dFfIo,

ktry jest korzystniejszy dla warunkw skrawania, w ktrych zmiany gbokoci s znane. Z porwnania

rysunkw 3.7c i 3.9c (a take 3.8 i 3.10) wynika znacznie wikszy wpyw posuwu na DFf/c ni na dFfIo.

Ponadto warto zauway, e jeli na okres trwaoci ostrza przypada wicej ni ok. 10 przedmiotw

obrabianych (operacji), nadzr zuycia ostrza mona prowadzi w jednym miejscu przedmiotu,

najkorzystniej dla najniszego posuwu.

Wszystkie omwione wyej miary si skrawania mog by wykorzystane w diagnostyce stanu

narzdzia, o ile siy te s zalene od zuycia ostrza. Tym niemniej, o ile w pewnych warunkach mog one w

wyniku stpienia ostrza wzrasta nawet o kilkaset procent, w innych warunkach wzrastaj nieznacznie,

czasem niewiele wicej ni rozproszenie wynikw [81, 165]. Wybr miar, ktre dostarczaj istotnych

informacji o zuyciu ostrza i mog by uznane za symptomy zuycia, nie jest zatem oczywisty. Temu

wanie zagadnieniu powicono niej opisane eksperymenty [107,108, 126].

Badania si skrawania przeprowadzono podczas toczenia wzdunego prtw ze stali 45 (180 HB)

noem oprawkowym CSRNR 2525-12 z pytk SNUN 120408 gatunku S30S lub NT35. N by

umieszczony w trjskadowym siomierzu tokarskim 9263 firmy Kistler (rys. 3.11).

rys. 3.11. Trjskadowy laboratoryjny siomierz tokarski 9263 firmy Kistler.

W celu zbadania zalenoci miar si skrawania od stanu narzdzia, postanowiono przeprowadzi

klasyczne prby trwaoci ostrza. Wiadomo jednake, i miary te zale nie tylko od zuycia ostrza lecz

take od parametrw skrawania. Std te prby prowadzone z ustalonymi parametrami skrawania,

oznaczonymi jako z0, przerywano kilka razy w celu wykonania pomiarw zuycia ostrza oraz

przeprowadzenia krtkich skrawa z zestawami parametrw, oznaczonymi jako zi (tablica 3.1). Pomiary

30

skadowych si skrawania prowadzono przez 0.5 s, a wyniki przeksztacano na posta cyfrow z

czstotliwoci prbkowania 2000 Hz. Uzyskane 1000 prbek zapisywano w pliku w celu dalszej obrbki.

Dla kadego zapisu okrelano nastpnie wartoci rednie (Fc, Ff, Fp) i odchylenia standardowe (Sc, Sf, Sp).

Tablica 3.1. Parametry skrawania zastosowane w prbach S01S08.

Zestaw S01 i S02 S03 i S04 S05 i S06 S07 i S08

S30S NT35 f vc f vc f vc f vc

z0 0.33 200 0.33 200 0.33 220 0.33 240

z1 180 180 0.20 200

z2 0.33 200 200 0.24 240

z3 240 0.33 240 0.33 220 0.30 280

z4 240 280 0.37 315

z5 0.24 200 280 0.42 315

z6 180 0.24 240 0.42 280

z7 ---- ---- 200 0.37 180 0.37 240

z8 ---- ---- 180 0.20 200

Na rysunku 3.12 przedstawiono zalenoci midzy miarami si skrawania a gbokoci obka na

powierzchni natarcia dla prb S08 i S05, ktre s reprezentatywne odpowiednio dla ostrzy nie pokrywanych

i pokrywanych. Wynika z nich, e dla kadego z materiaw ostrza inne miary si wydaj si by

skorelowane ze zuyciem ostrza. Dla ostrzy pokrywanych (NT35) miarami tymi s zarwno wartoci rednie

si posuwowej i odporowej jaki i ich odchylenia standardowe. Sia gwna zarwno dla pytek pokrywanych

jak i niepokrywanych nie wykazuje istotnego powizania ze zuyciem, co jest potwierdzeniem znanych

wczeniej obserwacji, np. [165]. Zaleno si skrawania od zuycia ostrza dla pytek konwencjonalnych

(S30S) jest wyranie odmienna. Wraz ze zuyciem wyranie rosn zmienne skadowe siy posuwowej i

odporowej. Pozostae miary nie wydaj si by skorelowane z KT. Zaleno zmiennej skadowej siy

odporowej od zuycia jest wyranie silniejsza dla mniejszych posuww. Due posuwy wpywaj

stabilizujco na proces skrawania redukujc wpyw zuycia ostrza na skadow dynamiczn siy.

Wartoci rednie si skrawania w decydujcym stopniu zale od przekroju warstwy skrawanej.

Eliminacj tego wpywu mona uzyska stosujc wzgldne przyrosty si opisane wyej (wzr 3.1)

Miar tak postanowiono wyznaczy dla pytek pokrywanych (NT35). W przypadku S30S uznano to

za niecelowe, jako e wartoci rednie (statyczne) si niezbyt zale od stanu narzdzia. Jednake jak ju

wspomniano, w tym przypadku bardzo wyrazista wydaje si by zaleno skadowej dynamicznej

wyraonej odchyleniem standardowym. Std te tu postanowiono zbada wspczynniki zmiennoci, bdce

wzgldn miar zmiennych skadowych si skrawania:

F

SV (3.8)

gdzie S - odchylenie standardowe siy,

F - warto rednia siy.

31

materia ostrza NT35

materia ostrza S30S

rys. 3.12. Zalenoci midzy miarami si skrawania a gbokoci krateru KT.

Rysunek 3.13 przedstawia przebiegi odpowiednich przyrostw i wspczynnikw zmiennoci w

funkcji gbokoci obka.

32

Materia ostrza: NT35 S30S

rys. 3.13. Zalenoci midzy wzgldnymi miarami si skrawania a gbokoci krateru KT.

Tak wic wyrniono cznie po dziewi miar si skrawania dla kadego materiau ostrza. W celu

racjonalnego wyboru jednej z nich jako symptomu stanu narzdzia, a przynajmniej redukcji liczby miar,

naley przeanalizowa ich powizanie (korelacj) ze zuyciem ostrza. Wpyw ten (lub jego brak) jest

widoczny na przedstawionych wyej rysunkach, niemniej jednak jest raczej trudny do opisania prost

funkcj, a ocena jego istotnoci na oko moe by mylca. Pomimy tu wpyw parametrw skrawania jako

nie bdcy przedmiotem tego opracowania, skupiajc si jedynie na wpywie stanu narzdzia na wybrane

miary.

Do okrelenia stopnia powizania midzy zmiennymi (tu miary si skrawania i KT) przy pomocy

wspczynnika korelacji w zasadzie potrzebne jest zaoenie o postaci funkcji korelacyjnej. Czasem

zaoenie o liniowej korelacji czynione jest niewiadomie. Rysunki 3.113.13 wiadcz dobitnie, i tu

zaoenie takie jest nie do przyjcia. Znalezienie jednej funkcji, ktra dobrze oddawaaby zaleno miar si

skrawania od gbokoci obka wydaje si do kopotliwe, a ponadto zbdne. Rozwamy oglnie korelacj

y(KT) gdzie y jest dowoln miar si skrawania. Wspczynnik korelacji mona zdefiniowa jako [238]:

c

rc

S

SSr

(3.9)

gdzie 2

sric yyS cakowita (pierwotna) suma kwadratw,

33

2

i,oszir yyS resztkowa suma kwadratw,

ysr , yosz,j rednia i oszacowana na podstawie korelacji warto y.

Jak wida problem sprowadza si do wyznaczenia wartoci yosz,j. W przypadku takim jak wanie

rozwaany, gdy oglna posta funkcji korelacyjnej y(KT) jest trudna do zdefiniowania, a zaley nam jedynie

na okreleniu powizania midzy miarami si skrawania i gbokoci obka, mona wartoci y pogrupowa

wzgldem KT, a nastpnie yosz,j zastpi rednimi w grupach. Grupowanie to wykonano w oparciu o podane

wyej przedziay wartoci KT odpowiadajce kolejnym, charakterystycznym etapom pracy ostrzy:

1. narzdzie ostre: KT< ~0.1 mm dla S30S i KT0.25 mm dla S30S i KT>0.15 mm dla NT35.

Wyniki zestawione w tablicy 3.2 w duym stopniu, aczkolwiek nie cakowicie, potwierdzaj

poczynione obserwacje. Dla pytek pokrywanych wartoci wspczynnikw korelacji dla Ff, df, Sf, dp i Fp

zdecydowanie przewyszaj pozostae. Korelacja przyrostw wzgldnych jest podobna lub troch lepsza,

jednak wynika to z maego zrnicowania posuww dla prb z ostrzami pokrywanymi. Moliwo

zastosowania przyrostw wzgldnych jako symptomw zuycia jest w pewnym stopniu ograniczona

koniecznoci pamitania wartoci redniej siy dla nowego ostrza. Z kolei wyznaczanie zmiennych

skadowych si skrawania wymaga wikszej czstotliwoci prbkowania, a nade wszystko siomierza o

odpowiednio dobrych wasnociach dynamicznych, co czyni Sf mniej atrakcyjn miar. Za najlepsze miary

mona zatem uzna rednie wartoci si Ff i Fp, z uwzgldnieniem si skrawania.

Tablica 3.2. Wspczynniki korelacji midzy miarami si skrawania a KT

NT35 Fc dc Sc Ff df Sf Fp dp Sp

r 0.536 0.511 0.662 0.774 0.757 0.776 0.753 0.789 0.638

S30S Fc Sc Vc Ff Sf Vf Fp Sp Vp

r 0.087 0.797 0.427 0.173 0.727 0.729 0.590 0.598 0.476

W przypadku ostrzy S30S silne skorelowanie z KT wykazuj Sc, Sf. Odchylenie standardowe siy

odporowej nie wykazao takiego skorelowania, jednake bardzo silnie zaley ono od posuwu, co poprzez

wzrost sum kwadratw odchyle wartoci Sp od rednich w przedziaach powoduje gorsz korelacj tej

miary ze zuyciem ostrza. Wspczynniki zmiennoci okazay si podobnie lub gorzej skorelowane ze

zuyciem. Wartoci rednie si jako sabo skorelowane ze zuyciem, s w tym przypadku zupenie

nieprzydatne do jego oceny. Jako najkorzystniejsze miary mona zatem wybra odchylenia standardowe

34

skadowych si skrawania. Pamita naley, e niezbdne jest uwzgldnienie parametrw skrawania, z

ktrymi miary te s silnie zwizane.

Zmiany si skrawania zwizane ze stanem narzdzia s wykorzystywane oczywicie nie tylko przy

toczeniu, lecz take przy innych sposobach obrbki. Oglnie powiedzie mona, e zuycie ostrza powoduje

wzrost si skrawania, cho do czsto jest on niezbyt jednoznaczny, jako e, na siy skrawania wpywa cay

szereg innych poza zuyciem ostrza czynnikw, jak np. trudne do kontrolowania niewielkie zmiany

geometrii wierte, zwaszcza o maych rednicach. Powoduje to, i zmiany si spowodowane zuyciem ostrza

mog by nie do wyrane by mona byo je wykorzysta w diagnostyce stanu narzdzi. W [137]

przedstawiono wyniki porwnania siy posuwowej i momentu skrcajcego uzyskanych przy wierceniu

wiertami 2.6 mm. Wykorzystano 6 wierte ostrych i 30 uznanych w produkcji za stpione. Widoczny na

rys. 3.14 bardzo duy rozrzut wartoci starcia powierzchni przyoenia VBB wiadczy o pewnej

przypadkowoci wycofywania narzdzi z produkcji, na podstawie arbitralnej oceny operatora. Waniejszy

jest brak istotnej rnicy midzy sygnaami otrzymanymi przy zastosowaniu narzdzi ostrych, a

pochodzcymi od narzdzi stpionych. Rozrzut mierzonych wartoci si i momentu siga kilkudziesiciu

procent. Podobne wyniki otrzymano dla zuycia naroy i ysinek.

rys. 3.14. Siy osiowe i momenty obrotowe uzyskane przy uyciu wierte ostrych i stpionych wg [137].

3. 2. 2. Przebieg si skrawania w trakcie katastroficznego stpienia ostrza

Katastroficzne stpienie ostrza (KSO) to jego wykruszenie lub wyamanie czy wrcz (jak w

przypadku narzdzi trzpieniowych) zamanie. Pogorszenie jakoci krawdzi skrawajcej najczciej

powoduje (w przypadku wykrusze) wzrost si skrawania. Np. na rys. 3.15 przedstawiono przebieg momentu

skrcajcego przy wierceniu wiertem 10 [219]. Jak wida, w czasie wiercenia 337 otworw moment ten

zmienia si nieznacznie. Pod koniec 338-go otworu wystpi wyrany wzrost, pogbiony wyranie w czasie

obrbki nastpnych otworw, co wiadczy o uszkodzeniu krawdzi skrawajcej. W trakcie wiercenia 340

otworu nastpio zniszczenie wierta, ktrego mona byoby unikn, gdyby zastosowano ukad ledzcy

pokazany tu moment skrcajcy.

35

rys. 3.15. Przebieg momentu skrcajcego przy wierceniu wiertem 10 (DIN338) w stali 42CrMoS4V,

n = 700 obr/min, f = 0.18 mm/obr [219].

Jeli wyamanie ostrza jest znaczne, siy skrawania w wyniku spadku pola przekroju poprzecznego

warstwy skrawanej mog spa, nawet do zera. W przypadku narzdzi frezarskich, powoduje ono wyrane

zmiany cyklicznego przebiegu si skrawania (rys. 3.16a), co pociga za sob zmiany rnych miar sygnau,

np. jego widma amplitudowego, w ktrym po KSO znacznie wzrasta skadowa zwizana z prdkoci

obrotow freza, maleje natomiast skadowa zwizana z czstoci wchodzenia poszczeglnych zbw

(rys. 3.16 b i c, [142]).

a)

b)

c)

rys. 3.16. Przebieg siy skrawania przy frezowaniu w

czasie katastroficznego stpienia ostrza (a)

oraz gsto widmowa mocy sygnau siy

skrawania dla freza ostrego (b) i

stpionego (c) wg [29,142].

36

Podobnie jak w przypadku monitorowania zuycia ostrza, alternatyw dla wartoci siy skrawania

moe by jego skadowa dynamiczna. Na rys. 3.17a przedstawiono widmo mocy sygnau momentu

obrotowego tu przed oraz po wykruszeniu ostrza wierta [182]. Jak wida, wykruszenie spowodowao

pojawienie si w sygnale momentu skadowej o czstotliwoci 21.7 Hz, zgodnej z prdkoci obrotow

wrzeciona. Przebieg tej skadowej w trakcie wiercenia wszystkich otworw przedstawiono na rys. 3.17b. Jej

jednoznaczny wzrost powyej zaoonego poziomu progowego moe by wykorzystany do wykrywania

wykrusze ostrza.

rys. 3.17. Widmo mocy sygnau momentu obrotowego przed i po wykruszeniu ostrza wierta (a) oraz

przebieg skadowej 21.7 Hz (b); wierto HSS 5 mm, n = 1300 obr/min, f = 0.1 mm/obr, mat. obr.

stal 45, l = 10 mm [182].

Znacznie atwiejsze do ledzenia, a przez to lepiej poznane s przebiegi si skrawania towarzyszce

katastroficznemu stpieniu ostrza przy toczeniu. Moe ono przyjmowa trzy zasadnicze formy. Pierwsza z

nich to przyspieszone stpienie ostrza, ktre polega na znacznym zwikszeniu intensywnoci jego zuycia i

stosunkowo szybkim wzrocie si skrawania (rys. 3.18). W czasie kilkunastu - kilkudziesiciu sekund

zuycie powierzchni przyoenia w rejonie naroa przyrasta o kilka dziesitych czci milimetra, a przyrost

si skrawania (szczeglnie siy posuwowej i odporowej) moe przekracza 100%. Czsto zwizane jest to z

odksztaceniem plastycznym ostrza co moe wyraa si w zmniejszeniu gbokoci obka na powierzchni

natarcia - jak na rys. 3.18b. W rezultacie VBC osiga warto powyej 1 mm, a kontynuowanie obrbki

prowadzi do cicia naroa. Ten typ KSO rni si zatem od stpienia naturalnego jedynie skal czasu. W

obu przypadkach nie wystpuj nage (milisekundowe) zmiany rednich wartoci si skrawania.

37

rys. 3.18. Wygld ostrza po jego przyspieszonym stpieniu (a) oraz przebiegi zuycia ostrza i si skrawania

czasie takiego stpienia wg [85, 125]; mat. obrabiany stal 45, ostrze SNUN NT25, f=0.33

mm/obr, ap=2.5 mm, vc=200 m/min

Dwa pozostae typy KSO to wykruszenie ostrza i wyamanie znacznego fragmentu ostrza. Wedug

bada przeprowadzonych w WZL TH Aachen [6, 145, 148], wielokrotnie pniej cytowanych przez

innych autorw np.: [79, 153, 200, 221], KSO towarzyszy chwilowy znaczny wzrost si skrawania, a

nastpnie spadek do zera w cigu 1-3 ms (rys. 3.19). Ponowny wzrost si skrawania wystpuje najwczeniej

po jednym obrocie przedmiotu obrabianego, przy czym mog one osign wwczas wartoci kilkakrotnie

wysze ni przed KSO. Dzieje si tak przy bardzo znacznych uszkodzeniach ostrza. Gdy ubytek materiau

ostrza jest mniejszy, spadek si nie osiga zera, a pniejszy wzrost nie jest tak znaczny. W zalenoci od

rozmiarw KSO nowe wartoci si mog by wysze od 30 do 600 %. Chwilowy wzrost si skrawania

powodowany jest rozkruszaniem wyamanego materiau narzdzia. Dotyczy to szczeglnie ostrzy z

wglikw spiekanych. Przy ostrzach ceramicznych rozkruszanie to jest na tyle szybkie, e moe nie

wystpowa wyrany wzrost si. Drobnym wykruszeniom krawdzi skrawajcej towarzyszy skokowy

niewielki wzrost si skrawania.

rys. 3.19. Przebieg siy skrawania w czasie wyamania ostrza wg WZL TH Aachen [6, 145, 148].

Obszerne badania przeprowadzone w ITM PW [78, 85, 92, 125, 179] potwierdziy w oglnym

zarysie przedstawiony charakter zmiennoci si skrawania towarzyszcej KSO, uzupeniajc i ucilajc te

informacje. Przykadowe wyniki tych bada przedstawiono na rys. 3.20 i 3.21. Stosowano w nich noe

skadane z kwadratowymi lub trjktnymi pytkami wymiennymi (SNUN lub TNMG) przy posuwie

f = 0.33 mm/obr i gbokoci skrawania ap = 2.5 mm. Materia ostrza, materia obrabiany i prdkoci

38

skrawania podano pod rysunkami. Na rysunkach tych kropkowymi liniami zaznaczono chwil, w ktrej

wystpio KSO oraz kolejne obroty po KSO. Siy skrawania mierzone byy siomierzem Kistler 9263

(rys. 3.11), a czstotliwo prbkowania wynosia 5 kHz.

rys. 3.20. Wygld ostrza po jego wykruszeniu (a) oraz przykadowe przebiegi si skrawania w czasie

wykruszania (bd) wg [85, 125], (vc=180 m/min, mat. obrab: stal 45, ostrza: b i c SNUN S30S, d:

TNMG NT25).

Wykruszeniom ostrza (rys. 3.20) towarzyszy skokowy wzrost siy posuwowej i (lub) odporowej -

zalenie od miejsca, w ktrym ono wystpio - oraz niewielki spadek siy gwnej. Siy skrawania utrzymuj

si na nowym poziomie przez 1 obrt przedmiotu obrabianego (PO). Po tym obrocie ostrze napotyka uskok

pozostawiony na powierzchni skrawania w czasie wykruszenia. Usuwanie tego uskoku powoduje skokowy

przyrost zuycia powierzchni przyoenia pod wykruszeniem i pozostawienie kolejnego, tym razem

mniejszego ladu na powierzchni skrawania. Towarzyszy temu skokowy wzrost si Ff i Fp oraz powrt Fc do

wartoci sprzed wykruszenia. Zjawisko to powtarza si dokadnie co jeden obrt PO, a do ponownego

ustabilizowania si rednich wartoci si. Czas trwania tej stabilizacji (liczba obrotw PO, w ktrych

wystpuj skokowe zmiany si) moe by rny. Np. w prbie przedstawionej na rys. 3.20b wartoci si

ustabilizoway si po czterech obrotach, za w prbie z rys. 3.20c ju po dwch. Dalsza obrbka moe by

kontynuowana w miar "normalnie", przy pogorszonej jakoci powierzchni obrobionej lub nawet z

niewielkim zwikszeniem rednicy PO. Naley jednake podkreli, i siy Ff i Fp nie powracaj do stanu

sprzed wykruszenia. Osabione ostrze jest zatem dodatkowo znacznie bardziej obcione. Std najczciej po

upywie krtkiego czasu nastpuje kolejne wykruszenie, powodujce wiksze uszkodzenia ostrza. W prbie

przedstawionej na rys. 3.20d (toczenie przerywane) drugie wykruszenie nastpio zanim ustabilizoway si

siy po pierwszym.

39

Takie powtarzajce si wykruszenia prowadz do destrukcji krawdzi skrawajcej - cicia

wierzchoka noa do wielkoci VBC nawet do 2-3 mm (rys. 2.5d). Towarzyszy im wyrane iskrzenie, a na

powierzchni obrobionej pojawia si wyrany ciemny lad i uskok.

rys. 3.21. Wygld ostrza po jego wyamaniu (a) oraz przykadowe przebiegi si skrawania w czasie

wyamania (bd) wg [85, 125] (b, c: mat. obr. stal 45, vc=180 m/min, SNUN S30S; d: mat. obr.

34HNM, vc=355 m/min, ceramika Al2O3+TiC)

Groniejszym typem KSO jest wyamanie znacznego fragmentu naroa obejmujcego ca

wysoko pytki (rys. 3.21). Jest ono czsto podcite dziki czemu nowo utworzony fragment ostrza ma

dodatni kt przyoenia. Takiemu KSO towarzyszy spadek si skrawania trwajcy jeden obrt przedmiotu

obrabianego. Podobnie jak w przypadku wykrusze ostrza, wielko zmian si zaley od ksztatu

uszkodzenia ostrza. Warto podkreli, e wrd kilkudziesiciu prb przeprowadzonych w ITM PW, w

ktrych wystpio KSO, ani razu nie zaobserwowano spadku si do zera, opisywanego w [6, 148] jako

charakterystyczny. Ponadto mimo znacznej czstotliwoci prbkowania tylko w nielicznych prbach

zaobserwowano wyrany chwilowy wzrost si w czasie wyamania ostrza. W prbie przedstawionej na

rys. 3.21b wyamanie wystpio gwnie od strony pomocniczej krawdzi skrawajcej. Spowodowao to

trwajcy ok 1 ms wzrost siy Fp od ok. 1300 N do ponad 2000 i nastpujcy po nim spadek do ok. 900 N.

rednia warto siy Ff zmienia si nieznacznie. Silne zakcenia przebiegu tej siy przed KSO pochodz od

wira amanego o powierzchni przejciow. Wyamanie naroa spowodowao zmian sposobu

ksztatowania si wira na czas trwania dwu obrotw PO. Utworzona w wyniku wyamania ostrza krawd

skrawajca jest zawsze nierwna, bardzo ostra i podatna na zuycie. lad pozostawiony przez KSO na

powierzchni przejciowej, reprodukowany w kolejnych obrotach PO, wywoywa skokowe przyrosty

zuycia nowej krawdzi. Na wykresach si objawio si to kolejnymi, coraz agodniejszymi wzrostami.

40

Nastpia stabilizacja stanu ostrza i si skrawania, a obrbka zostaa przerwana w kilka sekund pniej -

natychmiast po zauwaeniu KSO przez operatora.

Mimo i w prbie przedstawionej na rys. 3.21b ostrze po wyamaniu byo w stanie wykonywa

obrbk, jeszcze przez kilka sekund chronic podkadk i oprawk narzdziow, nie zawsze mona liczy na

tak szczliwy zbieg okolicznoci. Na rys. 3.21c przedstawiono przebieg si skrawania w innej prbie

prowadzonej w podobnych warunkach skrawania. Przebieg wyamania ostrza by podobny, jednake po ok.

0.4 s nastpio wykruszenie nowej krawdzi skrawajcej i dalsza destrukcja ostrza. W prbie prowadzonej

ostrzem ceramicznym (rys. 3.21d) ju w trakcie trzeciego obrotu po wyamaniu pojawiy si kolejne

wykruszenia niszczce pytk.

Warto zwrci uwag na zakcenia si skrawania (dynamiczn skadow si) widoczne w

wikszoci prb przedstawionych na rys. 3.17 i 3.18. Czsto zmiana redniej wartoci siy spowodowana

przez KSO jest mniejsza ni te zakcenia. Powinno to by brane pod uwag przy analizowaniu strategii

wykrywania KSO.

Podsumowujc mona stwierdzi, e katastroficzne stpienie ostrza zawsze prowadzi do zniszczenia

narzdzia, czsto take przedmiotu obrabianego. Stanowi zatem powane zakcenie procesu produkcyjnego

i jako takie musi by wykrywane moliwie szybko, przy toczeniu w zasadzie nie pniej ni przed upywem

czasu potrzebnego na jeden obrt przedmiotu obrabianego.

3. 2. 3. Wykorzystanie pomiarw si skrawania do wykrywania drga samowzbudnych i kolizji

Midzy drganiami samowzbudnymi i zmienn skadow siy skrawania zachodzi cisa

wspzaleno. Sygnay te maj t sam czsto, a stosunek ich amplitud jest okrelony przez funkcj

sztywnoci procesu skrawania. Z tego wzgldu zmienna skadowa siy, a take momentu skrawania mog

by stosowane do wykrywania drga samowzbudnych. Pomiar si skrawania moe by realizowany od

strony narzdzia lub od strony przedmiotu obrabianego. Warunkiem wykorzystania siomierza do

wykrywania drga samowzbudnych jest odpowiednio wysoka czstotliwo rezonansowa, ktra decyduje o

zakresie pomiarowym siomierza. Dla typowych przypadkw obrbki zakres ten powinien wynosi od 50 do

ok.1000 Hz [217].

Kolizje, to niepodane zetknicia elementw obrabiarki (np. w czasie ruchw szybkich).

Towarzysz im oczywicie gwatowny wzrost si oddziaywujcych na te elementy, a wic take na ukadu

do pomiaru si skrawania. Pomiary si s wic podstawowym sposobem wczesnego wykrywania kolizji

stosowanym od dawna [148,211].

41

3. 3. Emisja akustyczna

3. 3. 1. rda i przebieg emisji akustycznej w procesie skrawania

Emisja akustyczna (skrt AE od angielskiego Acoustic Emission) jest to powstawanie i

rozchodzenie si fal sprystych generowanych w materiale