CZ2007803A3 - Obrábecí nástroj a zpusob merení jeho deformace pri obrábení - Google Patents

Abstract

Zpusob merení deformace rezného nástroje (1) pri obrábení spocívá v tom, že v ose rezného nástroje (1) je slepý otvor (2) koncící v blízkosti aktivní (rezací) cásti nástroje (1). Na jeho dne je upevneno optické zrcadlo (3) s kolmicí dopadu v klidovém stavu približne rovnobežnou s osou nástroje (1). Ze smeru podél osy nástroje (1) dopadá na zrcadlo (3) laserový svazek z laseru (5). Odražený svazek indikuje zmenu polohy zrcadla (3), která je jednoznacne svázaná s deformací nástroje (1). Detekce odraženého svazku se provádí bežnými metodami, pri vetších odchylkách napríklad kvadrantovým detektorem, nebo dvojdimenzionálním pozici-indikujícím detektorem, pri malých odchylkách napríklad interferometricky.

Description

Obráběcí nástroj a způsob měření jeho deformace při obrábění

Oblast techniky

Vynález se týká měření ohybů obráběcího nástroje, například soustružnického nože, jak ve směru svislém, tak ve směru vodorovném. Z poměru těchto dvou odchylek je možné dedukovat opotřebení nástroje.

Dosavadní stav techniky

Dosud užívaná zařízení k určování opotřebení řezných nástrojů vycházející z měření řezných sil využívají universální přídavné zařízení, které je známé pod názvem dynamometr. Toto přídavné zařízení jednak negativně snižuje tuhost technologické soustavy stroj-nástroj přípravek-obrobek, neboť nezbytnou součástí konstrukce dynamometru je vbudovaný deformační clen vybavený převodníkem deformace na elektrický signál, jednak omezuje vlastní technologický proces tím, zeje značně robustní.

Ke zjišťování opotřebení řezného nástroje prostřednictvím sil způsobujících deformaci vlastního obráběcího nástroje mohou posloužit i tenzometry, nebo jiné snímače deformací umístěné na povrchu tělesa nože. Takovéto uspořádaní je většinou málo citlivé a ke všemu hrozí poškození snímačů odletujícími třískami. Jedná se o uspořádaní krajně nevhodná pro těžké dílenské podmínky.

Další známá řešení využívají např. zjišťování změny teploty v oblasti vzniku třísky, jelikož je všeobecně známo, že teplota s opotřebením roste. Existují však i další faktory ovlivňující teplotu (proudění vzduchu, intenzita mazání, ...), takže stanovení opotřebení nemusí být jednoznačné.

Dále je využívána metoda akustické emise, tedy tranzitních napěťových vln. Avšak i zde se jedná o nepřímé měření deformace, tedy prvotního silového účinku po jeho transformaci do podoby jiné energie. To je zatíženo mnoha rušivými vlivy a naměřené závislosti jsou rovněž nejednoznačné.

Byly učiněny pokusy i o použití optických přístrojů ke zjišťování opotřebení řezného nástroje, avšak výsledky byly málo přesné nebo měření muselo být realizováno až po ukončení vlastního procesu řezání, což prodlužovalo čas výroby a zároveň i cenu. Známé jsou i optické metody využívající světelného paprsku, který se odráží od vnější plochy nástroje nebo obrobku. Při použití chladících a mazacích (procedurálních) kapalin a v případě ·· *«*» ·· ·*♦· nadměrné a většinou nepredikovatelné tvorby třísek během procesu obrábění, které nedovolují odraz dopadajícího paprsku od předem zvolené plochy, nelze dané metody použít. Tento nedostatek jejich využití v průmyslové praxi velmi omezuje,

Většina v laboratorních podmínkách vyzkoušených metodik určování stavu opotřebení řezného nástroje není použitelná v podmínkách průmyslové výroby.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje přímý způsob měření deformace řezného nástroje optickou metodou, která podle tohoto vynálezu spočívá v následující konstrukci řezného nástroje. V ose řezného nástroje je slepý otvor končící v blízkosti řezné části nástroje. Na jeho dně, které by mělo být co nejblíže k řezné části nástroje, je upevněno optické zrcadlo s kolmicí dopadu v klidovém stavu přibližně rovnoběžnou s osou nástroje. Zrcadlo může být rovinné nebo konvexní pro zvýšení citlivosti detekčního zařízení. Ze směru podél osy nástroje dopadá na zrcadlo svazek laserových paprsků. Odražený svazek, který se od dopadajícího oddělí např. polopropustným zrcadlem, indikuje změnu polohy (převážně náklon) zrcadla, jež je jednoznačně svázána s deformací nástroje. Detekce odraženého svazku se provádí běžnými metodami (při větších odchylkách např. kvadrantovým detektorem, nebo dvojdimenzionálním pozici indikujícím detektorem, při malých odchylkách např. interferometricky).

Uvažme, že k deformaci řezného nástroje dochází pouze v jeho volné („vyložené“) části. Předpokládejme, že je to třetina tohoto nástroje a předpokládejme, že zrcadlo je umístěné těsně u jeho volného konce. Pak můžeme odhadnout citlivost metody: průhyb nástroje o 1 pm bude mít za následek posuv svazku na výstupu z řezného nástroje o 3 pm a na dvojnásobné vzdálenosti (realistické umístění detektoru) 6 pm. Typický kvadrantový detektor má mezeru mezi kvadranty 10 pm. Jestliže laserový svazek bude fokusován na detektor do stopy 060 pm, pak odchylka svazku bude činit 10% jeho průměru a bude snadno změritelná. Rovněž některé dvoudimenzionální pozici indikující detektory mají prostorové rozlišení ~1 pm.

Vynález se týká měření ohybů obráběcího nástroje, například soustružnického nože, jak ve směru svislém, který například u stranového nože při ostrém nástroji převažuje, tak ve směru vodorovném, který například u stranového nože při tupícím se nástroji dosahuje podobných hodnot, jako ohyb ve směru svislém. Z poměru těchto dvou odchylek je možné dedukovat opotřebení nástroje.

Přehled obrázků

Vynález bude blíže objasněn pomocí obrázků na přiložených výkresech. Na obr. 1 je schematické uspořádání při měření odchylek odraženého laserového svazku kvadrantovou diodou nebo dvoudimenzionální pozici indikujícím detektorem Obr. 2 znázorňuje schéma kvadrantové diody ve dvou polohách vůči souřadným osám, obr. 3 schéma dvoudimenzioní pozici indikujícího detektoru a obr. 4 schematické uspořádání při interferometrickém měření odchylek odraženého laserového svazku.

Příklady provedení vynálezu

Příklad provedení vynálezu s kvadrantovým detektorem je znázorněn na obrázku 1 s tím, že poloha laseru (5) a detektoru (6) může být snadno zaměněna. V ose řezného nástroje (1) je slepý otvor (2) končící v blízkosti aktivní (řezací) části nástroje. Na jeho dně je upevněno optické rovinné, nebo sférické (fokusující) zrcadlo (3) s kolmicí dopadu v klidovém stavu přibližně rovnoběžnou s osou nástroje (1). Ze směru podél osy nástroje (1) dopadá na zrcadlo (3) svazek paprsků z laseru (5). Odražený svazek, který se od dopadajícího oddělí např. polopropustným zrcadlem (4), indikuje změnu polohy (převážně náklon) zrcadla (3), která je jednoznačně svázána s deformací nástroje (1). Při detekci kvadrantovým detektorem (typicky Si disk s dvěma na sebe kolmými hranicemi {10 pm širokými}, rozdělujícími kruh na 4 stejné čtvrtkruhy {kvadranty} - viz obrázek 2) musí odražený paprsek dopadat na všechny čtyři kvadranty. Zvolíme-li orientaci kvadrantového detektoru podle obr. 2a a označíme-li jednotlivé kvadranty písmeny A, B, C, D a proudy z těchto kvadrantů po řadě a, b, c, d, pak odchylky paprsku ve směru osy x a y budou __ (b + ď)-(a + c) _ (a + b)-(c + d~)

X — -Ja+b+c+d ' a+b+c+d '

Zvolíme-li orientaci kvadrantového detektoru podle obr. 2b, dostáváme při podobném značení odchylky paprsku ve směru osy x ay takto:

c-ba-d x =---- y =---b + c’a+d ‘

Příklad provedení vynálezu s dvou-dimenzionální pozici indikujícím detektorem je identický s předchozím případem a liší se jen druhem detektoru. Označíme-li X a JG jeho elektrody vymezující prostor o délce L_x ve směru osy x a I_X! , I_xz proudy jimi tekoucí, označíme-li analogicky Yi a Yj jeho elektrody vymezující prostor o délce Ly ve směru osy y a

Ιγι , 1γ2 proudy jimi tekoucí, a označíme-li xo ayo souřadnice dopadu laserového svazku na detektor (počátek souřadného systému je ve středu detektoru), pak je ^Lx Ιχ2 XI ^xo = ^{2 +} ’

Příklad provedení vynálezu při interferometrické detekci deformace řezného nástroje je znázorněn na obrázku 4, Do optického schématu je přidáno zrcadlo (7) vytvářející referenční svazek a příp. i kompenzující klín (8) (Michelsonův interferometr); detekčním prvkem je buď CCD/CMOS kamera pro registraci interferenčního pole, nebo fotodioda za štěrbinou se zvoleným sklonem k svislé ose pro indikaci předem zvolené geometrie interferenčního pole. Zrcadlem (7) se nastaví nulové pole (Michelsonova) interferometru. Při deformaci řezného nástroje se rovinné zrcadlo (3) vychýlí a díky vzniklé klínovitosti a se v interferenčním poli objeví interferenční proužky stejné tloušťky, rovnoběžné s hranou klínu a vzdálené od sebe d, kde

2tga a Λ je vlnová délka laserového světla.

Poměr odchylek od zrcadla (3) odraženého laserového svazku ve směru (vodorovné) osy x a (svislé) osy y (kolmým k podélné ose z řezného nástroje), resp. směr sklonu interferenčních proužků vzhledem ke (svislé) ose y vypovídá o poměru deformačních sil působících ve směru těchto os na řezný nástroj a tedy zprostředkovaně i o opotřebení řezného nástroje.

Průmyslová využitelnost

Způsob měření deformace řezného nástroje umožní studovat síly působící na řezný nástroj v závislosti na technologických podmínkách (např.: geometrie nože, materiál břitu, obráběný materiál, řezná rychlost, posuv, hloubka záběru atd.), síly působící na řezný nástroj v závislosti na stavu a opotřebení nástroje, dynamiku opotřebení řezného nástroje při různých řezných podmínkách a detekovat stav opotřebení řezného nástroje při automatizovaném výrobním procesu.

Claims (2)

1, Obráběcí nástroj sestávající z dříku a navazující řezné části, vyznačený tím, že má ve směru podélné osy dříku slepý otvor (2), na jehož dně je optické zrcadlo (3).

2. Způsob měření deformace řezného nástroje podle nároku 1 během obrábění, vyznačený tím, že otvorem (2) dopadá na zrcadlo (3) svazek laserových paprsků a odražený svazek laserových paprsků je snímán detektorem a vyhodnocován.