Спектральный анализ акустического сигнала круглого наружного врезного шлифования

Язык труда и переводы:
УДК:
621.923.1 534.612.2
Дата публикации:
19 июля 2021, 14:21
Категория:
А3. Технология машиностроения
Аннотация:
Представлен анализ экспериментальных данных по исследованию характеристик звуковой волны, возникающей в процессе шлифования, и обсуждаются его результаты. Кратко описан эксперимент. Рассмотрены полученные осциллограммы звуковых колебаний процесса шлифования, приведены результаты спектрального анализа. Проведено качественное сравнение диаграмм звука, записанного при холостой работе станка и при обработке образцов на разных режимах. Исследован спектральный состав звука при шлифовании, выявлены основные закономерности от скорости врезной подачи и от продолжительности обработки.
Ключевые слова:
амплитудно-частотная характеристика, акустический анализ звука, спектральный анализ, шлифование, спектрограммы, осциллограммы
Основной текст труда

Введение

В работах Г.Б. Лурье [1–4] утверждается, что амплитуда колебаний, возникающих в результате процесса резания и претерпевающих рост по мере затупления шлифовального круга (ШК), могут служить критерием для оценки стойкости ШК. Вопросами динамики колебательных процессов, генерируемых процессом резания при шлифовании, также занимались В.А. Кудинов [5], Н.Т. Тодоров [6], М. Вильнер [7], О. Гельфельд [8], Р. Landberg [9], E. Salje [10] и др. В указанных работах авторы приходят к выводу, что в процессе шлифования меняется спектральный характер испускаемого звука: появляются новые гармоники, отсутствующие до начала обработки, происходит увеличение их амплитуд, уровень значений которых определяется режимами резания и характеристикой применяющегося инструмента. Можно утверждать, что применение спектрального анализа звука в целях установления зависимостей между звуковыми характеристиками и режимами резания позволит создать предпосылки для разработки косвенного критерия оценки работоспособности ШК.

Цель настоящей статьи — установить качественные зависимости процесса шлифования с амплитудо-частотной характеристикой звуковых явлений процесса шлифования, а также с частотным спектром в характерные этапы обработки.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1) планирование и проведение экспериментального исследования;

2) исследование осциллограмм холостого и рабочего циклов шлифования;

3) проведение спектрального анализа звуковой характеристики для различных режимов шлифования.

Описание экспериментального исследования

Объектом экспериментального исследования является процесс круглого наружного врезного шлифования (КНВШ). Предмет исследования — акустический сигнал процесса.

Эксперимент поставлен на круглошлифовальном станке 3М151Ф2, с применением шлифовального круга 1 600×50×305 25А F46 L 6 V 50 2кл ГОСТ Р 52781–2007.

Режимы обработки:

  • скорость вращения круга Vк = 50 м/с;
  • скорость вращения заготовки в центрах vк = 25 м/мин;
  • ширина шлифованияlш = 10 мм;
  • скорость радиальной подачи круга VSрад 0,2; 0,3; 0,5; 0,8 мм/мин;
  • время обработки t = 5 мин.

С образцов, представляющих собой диски из стали 45, диаметром 70 мм, твердостью 50…55 HRCэ, до начала опыта удалялись следы предыдущей операции, а ШК перед каждым новым опытом подвергался правке. Регистрирование (запись) сигнала осуществлялась с помощью компактного микрофона. Спектральный анализ акустического сигнала производился на персональном компьютере (ПК) с применением программы SOUNDFORGE Pro 13.0.

Задачей каждого отдельного опыта является фиксирование (запись) сигнала акустических вибраций при определенной комбинации факторов эксперимента.

Результаты и их обсуждение

Звуковые дорожки, записанные на цифровой носитель с определенной дискретностью, представляют собой объем данных, определяющих изменения амплитуды и частоты колебаний звуковой волны во времени. Поскольку шлифование образцов осуществлялось для различающихся технологических условий, ожидается наличие закономерных различий в характере каждого акустического сигнала.

На начальном этапе изучения спектральной картины звука целесообразно провести сравнение спектрограмм для каждой подачи в определенные моменты времени от начала обработки, а также сопоставить их со спектрограммой холостой работы (рис. 1).

Рис. 1. Спектрограмма холостой работы в слышимом частотном диапазоне

Выбранные для сравнения моменты времени соответствуют условным началу, середине и окончанию цикла обработки соответственно:

  • 1 с;
  • 150 с;
  • 300 с.

На рис. 2–5 рассмотрены спектрограммы полного слышимого диапазона частот.

На всех спектрограммах, включающих звук удаления припуска, заполнен «пробел» в высоких частотах 16...20 кГц, присущий спектру холостой работы, уровень низких частот от 20 до 100 Гц значительно выше, общая форма диаграммы спектра рабочего цикла принципиально отличается от холмообразно-усеченной формы холостого цикла.

На рис. 2–5 разным цветом отмечены диапазоны частот, отличающиеся более высокими значениями амплитуд уровня звука (дБ) по сравнению с прочими частотами из спектра. Возникновение данных частотных диапазонов заметно с началом процесса резания, значения амплитуд, в их рамках возрастают в ходе протекания процесса. На начальном этапе обработки такие эксцессы отсутствуют полностью, либо имеют слабовыраженный характер. В последующие моменты времени возникшие пики отчетливы и обладают сходными характеристиками при разных технологических условиях. Так, при рассмотрении первого (основного) эксцесса видно, что возникает он в диапазоне 700...800 Гц для каждой из рассмотренных значений подач, и по мере шлифования растет значение его амплитуды (красный участок на рис. 2–5, б, в). Следует отметить, что существует ряд вторичных эксцессов, кроме основного: второй эксцесс соответствует желтому участку (1500 Гц), третий — зеленому участку (2300 Гц), четвертый — синему участку (3000 Гц), пятый — фиолетовому участку (3800 Гц), имеющих схожее постоянство частот за период обработки при меньших значениях амплитуд (см. рис. 2–5, б, в). Целесообразно сделать следующий вывод: указанные частоты — это частота основного тона (красный), а также обертоны (желтый, зеленый, синий, фиолетовый) процесса КНВШ.

Рис. 2. Спектр звука, генерируемого при шлифовании с подачей 0,2 мм/мин в моменты времени: а — 1 с; б — 150 с; в — 300 с
Рис. 3. Спектр звука, генерируемого при шлифовании с подачей 0,3 мм/мин в моменты времени: а — 1 с; б — 150 с; в — 300 с
Рис. 4. Спектр звука, генерируемого при шлифовании с подачей 0,5 мм/мин в моменты времени: а — 1 с; б — 150 с; в — 300 с
Рис. 5. Спектр звука, генерируемого при шлифовании с подачей 0,8 мм/мин в моменты времени: а — 1 с; б — 150 с; в — 300 с

Частота основного тона согласуется с информативной частотой 700...850 Гц, активно применяемой в [11–14], связанных с изучением акустических характеристик процесса шлифования. При более подробном рассмотрении информативного частотного диапазона заметно доминирование четырех четких гармоник, амплитуды которых отличаются стабильностью на протяжении всего опыта, их значения существенно превышают прочие. Такими частотами являются 709, 735, 762 и 787 Гц (рис. 6). При изучении экспериментальных данных видно, что абсолютные максимумы значений амплитуд уровня звука в спектре проявляются именно на одной из указанных частот. Таким образом, частоты 709, 735, 762 и 787 Гц представляют собой основной тон звука, порождаемого технологической системой при шлифовании. Следовательно, среди всего многообразия источников звука при шлифовании непосредственно с резанием связан звук, зарождающийся и развивающийся на указанных частотах.

Рис. 6. Стабильные гармоники информативной частоты для различных режимов шлифования: а — подача 0,2 мм/мин (3 мин); б — подача 0,3 мм/мин (3 мин); в — подача 0,5 мм/мин (3 мин); г — подача 0,8 мм/мин (3 мин)

Установление качественной и, в последствии, количественной зависимости между амплитудо-частотной характеристикой звуковой волны и технологическими условиями при шлифовании позволит применять простой и нересурсозатратный косвенный метод оценки работоспособности шлифовального круга. Точность такого метода, как и любого косвенного метода, зависит от погрешностей эксперимента и обработки данных, может уступать точности некоторых из прямых методов оценки. Однако ввиду высокой информативности и низкой трудоемкости акустический метод, использующий характеристики звуковой волны в качестве критерия оценки работоспособности ШК, является весьма перспективным.

Максимально возможное использование ресурса работоспособности ШК с соблюдением требований конструкторской документации позволит значительно сократить подготовительно-заключительное время операций шлифования, повысить общую эффективность производства. Возможность определять текущую режущую способность ШК по звуковому критерию позволит проводить рациональное проектирование операций шлифования, учитывая количество обрабатываемых поверхностей за период стойкости инструмента и времени, затрачиваемого на его правку.

Заключение

В реузльтате проведенного исследования авторами настоящей статьи были сделаны следующие выводы.

  1. Осциллограммы звука, записанного в различных технологических условиях, показали, что рост уровня звука происходит на протяжении всего процесса шлифования непрерывно и неравномерно: имеют место участки затухания и резкого роста.
  2. Выявлены три характерных этапа развития амплитудо-частотной характеристики во времени, согласующиеся с известными циклами износа абразивных зерен ШК.
  3. Осциллограмма холостого цикла работы технологической системы имеет хаотичный характер и соответствует акустическому явлению, называемому шумом.
  4. Выявлен основной тон вибраций 709...787 Гц автоколебаний, создающий звуковые колебания процесса резания, а также его обертоны 1500, 2300, 3000 и 3800 Гц.
  5. Выявлены четыре стабильные гармоники, доминирующие в спектре информативных частот: 709, 735, 762 и 787 Гц, представляющие собой основной тон звука, порождаемого технологической системой при удалении припуска.
  6. Рациональное, максимально возможное использование ресурса работоспособности шлифовального круга может быть обеспечено применением косвенного метода оценки работоспособности инструмента с использованием звуковой характеристики в качестве критерия.
Литература
  1. Лурье Г.Б. Шлифование металлов. М.: Машиностроение, 1969. 172 с.
  2. Лурье Г.Б. Вибрации при шлифовании // Станки и инструмент. 1959. № 1. С. 15–17.
  3. Лурье Г.Б. Автоколебания при шлифовании // Абразивы. 1961. № 27. С. 78–83.
  4. Лурье Г.Б. О некоторых закономерностях процесса круглого шлифования // Качество поверхности. 1957. № 3. С. 52–75.
  5. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. 359 с.
  6. Кудинов В.А., Тодоров Н.П. Закономерности развития колебаний и волнистости круга и изделия при врезном шлифовании // Станки и инструмент. 1970. № 2. С. 1–3.
  7. Методика испытания плоскошлифовальных станков общего назначения на виброустойчивость при резании и уровень колебания холостого хода. Руководящие технические материалы / сост. В.А. Кудинов, Г.С. Вильнер. М.: ОНТИ ЭНИМС, 1964. 22 с.
  8. Гельфельд О. Вынужденные колебания в круглошлифовальном станке, вызванные дисбалансом шлифовального круга // Станки и инструмент. 1961. № 7. С. 23–28.
  9. Landberg P. Versuche die Natur des Schleifvorganges betreffen // Microtechnik. 1957. Vol. 1. Pp. 17–24.
  10. Salje E. Forschungsergebnisse beim Aussenrundschleifen // Werkstattstechnik und Maschinenbau. 1953. Vol. 3. Pp. 29–33.
  11. Гурьянихин В.Ф., Аринин Д.В. Влияние режимов шлифования на интенсивность акустического сигнала и показатели процесса круглого наружного врезного шлифования // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2000. № 4. С. 79–83.
  12. Аринин Д. В. Исследование режущей способности шлифовальных кругов при круглом наружном врезном шлифовании с использованием информации по низкочастотному акустическому сигналу // Известия Томского политехнического университета. 2002. № 2. С. 179–182.
  13. Гурьянихин В.Ф., Агафонов В.В., Панков А.А. Управление процессом круглого наружного врезного шлифования с использованием акустического сигнала // СТИН. 2009. № 2. С. 35–40.
  14. Агафонов В.В. Повышение эффективности круглого наружного врезного шлифования путем управления скоростью подачи по интенсивности звукового сигнала: автореф. дис. … канд. техн. наук. Ульяновск, 2010. 19 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.