Измерение сил резания в процессе механической обработки керамических деталей авиационного назначения

Сила резания является важным параметром для контроля и управления процессами обработки. Разработана, сконструирована и опробована система измерения и регистрации сил резания в процессе механической обработки сложнопрофильных керамических деталей авиационного назначения, которая позволяет проводить измерения с привязкой к высоте обрабатываемого участка (к координате Z) на существующей системе числового программного управления. В качестве датчиков деформации выбраны тензорезисторы КФ5П1-5-200 с полномостовой схемой подключения. Проведена оценка деформации корпуса шлифовального шпинделя специального станка с числовым программным управлением СА950С30Ф4К.01 под действием радиальной составляющей силы резания, и определена зона максимальных напряжений, где были установлены тензорезисторы. Выполнено тарирование системы по измерению сил резания с помощью разработанного силового каркаса и эталонного динамометра. Создано программное обеспечение, позволяющее записывать и анализировать полученные данные, а также визуализировать процесс измерения сил резания в реальном времени при механической обработке керамических деталей. По результатам опробования разработанных системы и программного обеспечения установлена возможность измерения сил резания в процессе механической обработки сложнопрофильных керамических деталей, визуализации, записи и вывода на печать результатов. Такую систему можно использовать в научно-исследовательских лабораториях и опытных производствах при механической обработке керамических деталей.

Литература

[1] Душко О.В. Пути снижения толщины дефектного слоя на поверхности высокотвердых керамических материалов. Вестник ВолгГАСУ. Сер. Строительство и архитектура, 2011, № 25, с. 163–170.

[2] Liang Q., Zhang D., Wu W. et al. Methods and research for multi-component cutting force sensing devices and approaches in machining. Sensors, 2016, vol. 16, no. 11, art. 1926. URL: https://doi.org/10.3390/s16111926

[3] Jin W.L., Venuvinod P.K., Wang X. An optical fibre sensor based cutting force measuring device. Int. J. Mach. Tools Manuf., 1995, vol. 35, no. 6, pp. 877–883. URL: https://doi.org/10.1016/0890-6955(94)E0025-E

[4] Liang Q., Zhang D., Ge Y. et al. A novel miniature four-dimensional force/torque sensor with overload protection mechanism. IEEE Sens. J., 2009, vol. 9, no. 12, pp. 1741–1747. URL: https://doi.org/10.1109/JSEN.2009.2030975

[5] Liang Q., Zhang D., Coppola G. et al. Multi-dimensional mems/micro sensor for force and moment sensing: a review. IEEE Sens. J., 2014, 14, pp. 2643–2657. URL: https://doi.org/10.1109/JSEN.2014.2313860

[6] Park S.S. High frequency bandwidth cutting force measurements in milling using the spindle integrated force sensor system. Ph.D. Thesis. University of British Columbia, 2003.

[7] Jantunen E. A summary of methods applied to tool condition monitoring in drilling. Int. J. Mach. Tools Manuf., 2002, vol. 42, no. 9, pp. 997–1010. URL: https://doi.org/10.1016/S0890-6955(02)00040-8

[8] Bayo E., Stubbe J.R. Six-axis force sensor evaluation and a new type of optimal frame truss design for robotic applications. J. Robot. Syst., 1989, vol. 6, no. 2, pp. 191–208. URL: https://doi.org/10.1002/rob.4620060206

[9] Svinin M.M., Uchiyama M. Optimal geometric structures of force/torque sensors. Int. J. Robot. Res., 1995, vol. 14, no. 6, pp. 560–573. URL: https://doi.org/10.1177/027836499501400603

[10] Полетика М.Ф. Приборы для измерения сил резания и крутящих моментов. Москва, Машгиз, 1963. 108 с.

[11] Gomez M.F., Schmitz T.L. Displacement-based dynamometer for milling force measurement. Procedia Manuf., 2019, vol. 34, pp. 867–875. URL: https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.06.161

[12] Sandwell A., Park C., Park S. Development of multi-degrees of freedom optical table dynamometer. Procedia Manuf., 2016, vol. 5, pp. 75–89. URL: https://doi.org/10.1016/j.promfg.2016.08.009

[13] Transchel R., Stirnimann J., Blattner M. et al. Effective dynamometer for measuring high dynamic process force signals in micro machining operations. Procedia CIRP, 2012, vol. 1, pp. 558–562. URL: https://doi.org/10.1016/j.procir.2012.04.099

[14] Zhao Y., Zhao Y., Wang C. et al. Design and development of a cutting force sensor based on semi-conductive strain gauge. Sens. Actuators A Phys., 2016, vol. 237, pp. 119–127. URL: https://doi.org/10.1016/j.sna.2015.11.017

[15] Суздальцев Е.И., Эпов А.Г., Хамицаев А.С. и др. Исследование влияния режимов механической обработки ситаллокерамических изделий в системе: станок — изделие — инструмент — схема. Огнеупоры и техническая керамика, 2003, № 7, с. 23–31.

[16] Самойлов В.Б. Модернизация системы для измерения сил резания на базе динамометров серии УДМ. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2019, № 5, с. 91–103, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0236-3941-2019-5-91-103

[17] Rowe W.B. Principles of modern grinding technology. Elsevier, 2009. 480 p.

[18] Klocke F. Manufacturing processes 2. Springer, 2009. 433 p.

[19] Суздальцев Е.И., Харитонов Д.В., Харахонов Г.А. и др. Перспективы повышения производительности механической обработки крупногабаритных керамических изделий радиотехнического назначения. Новые огнеупоры, 2011, № 12, с. 17–24.

[20] Павлов И.О., Ушаков М.В., Воробьев И.А. Система для измерения сил резания. Компоновка, тарирование и оценка погрешности. Известия ТулГу, Технические науки, 2013, № 10, с. 159–168.