КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ МНОГОУРОВНЕГО АНАЛИЗА.

Министерство образования Российской Федерации 

Новгородский государственный университет 

имени Ярослава Мудрого 

 

 

 

 

 

ШВЕЦОВ И.В. 

 

` 

 

КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ 

ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ МНОГОУРОВНЕГО 

АНАЛИЗА 

 

 

 

 

 

 

 

 

Великий Новгород 

2004 г. 

УДК 621.9 

ББК 34.442 

 

Рецензенты 

Д.т.н., профессор Ю.М. Зубарев, 

к.т.н., доцент А.Ф. Бабошкин 

 

 

Швецов И.В. 

КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА 

ОСНОВЕ 
МНОГОУРОВНЕГО 
АНАЛИЗА. 
Новгородский 

государственный университет имени Ярослава Мудрого (НовГУ). Великий 

Новгород, 2004. - 60 с. 

 

В данном научном издании представлены способы контроля 

процессов механической обработки на основе многоуровнего анализа, в 

основу 
которого 
положены 
методы 
регистрации 
образованных 

газообразных соединений в зоне резания и сил резания. Рассматриваемые 

исследования и представленные физические и математические модели 

отражают механо-физико-химические изменения, проходящие в системе 

ЗИССо (заготовка – инструмент – стружка - среда охлаждения). Изложены 

вопросы образования различных газов, их диффузия и массоперенос в зоне 

обработки. Научное издание предназначено для студентов, магистрантов и 

аспирантов машиностроительных специальностей вузов. 

 

 

 

© Новгородский государственный университет, 2004. 

© Швецов И.В. 2004. 

 

В В Е Д Е Н И Е 

 

На предприятиях машиностроительного комплекса используют 

различные 
методы 
контроля 
процессов 
механической 
обработки, 

служащие 
для 
оперативного 
контроля 
состояния 
оборудования, 

обрабатываемого 
материала, 
обнаружения 
неисправностей 
и 
т.д. 

Обеспечение качества поверхностей обрабатываемых изделий возможно 

при эффективном контроле, в процессе которого встает задача выявления 

дефектов, которые имеют место при промышленной поставке заготовок на 

механообрабатывающее производство. 

Анализ 
работ, 
посвященных 
методам 
контроля 
процессов 

механической 
обработки, 
а 
также 
информационно-измерительным 

системам показывает, что в них большое внимание уделяется вопросам 

обеспечения 
заданной 
или 
оптимальной 
достоверности 
контроля 

состояния режущего инструмента, а также точности измерений. Наиболее 

малочисленную группу составляют работы, в которых контролируется 

качество поверхностей обрабатываемых изделий, хотя данный параметр 

является одним из основных. 

Применение математического аппарата и разработанной методики 

газового анализа повышает надежность контроля состояния процесса 

механической обработки. Комплексный подход к решению задачи 

контроля состояния процессов механической обработки позволяет 

производить оценку качества обрабатываемых изделий, как при черновых, 

так и финишных условиях резания.Использование многоуровнего анализа 

диффузии и теплового распределения в срезаемом слое обрабатываемого 

материала позволяет произвести качественную оценку состояния процесса 

механической обработки с использованием теоретических (табличных) или 

экспериментальных 
значений 
составляющих 
силы 
резания 
и 

коэффициентов продольной усадки стружки. 

Изучение 
методов 
контроля 
механообработки 
на 
основе 

соответствующих достижений механики твердого тела, физики металлов, 

теплотехники и т.д. систематически осуществляется с середины ХХ века. 

Значительный вклад в науку и практику при исследовании процессов 

механической обработки внесен отечественными учеными: В. Ф. 

Безъязычным, В. Л. Вейцем, А. С. Верещакой, Д. Г. Евсеевым, А. В. 

Королевым, М. И. Клушиным, В. Д. Кузнецовым, В. Н. Латышевым, Т. Н. 

Лоладзе, А. Д. Макаровым, В.Г. Митрофановым, Л. С. Мурашкиным, С. Л. 

Мурашкиным, В. А. Остафьевым, С. М. Палеем, А. Н. Резниковым, Н. Н. 

Резниковым, В. Г. Рыкалиным, А. Н. Сальниковым, С. С. Силиным, Ю. М 

Соломенцевым, В. К. Старковым, В. А. Тимирязевым, М. А. Шатериным и 

другими. 

Подход к изучению физических явлений, сопровождающих процесс 

резания при внешнем воздействии, отличается от подхода при изучении 

деформирования твердого тела, высокоскоростного сжатия материала и 

последеформационных процессов высокоскоростного нагружения, при 

которых происходят релаксационные процессы. 

На основании анализа литературных источников по теории резания 

металлов, диффузии, массопереносу примесей и термодеформационным 

процессам 
составлено 
представление 
об 
образовании 
летучих 

газообразных химических соединений в зоне резания при обработке 

поверхностей изделий. Сделан важный вывод о необходимости разработки 

новой методики исследования процессов и явлений при механической 

обработке на основе многоуровнего анализа диффузии, контроля 

процессов при формировании газовоздушной среды. Изложены основные 

теоретические предпосылки проводимого исследования. 

 

 

 

КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА 

ОСНОВЕ МНОГОУРОВНЕГО АНАЛИЗА 

 

Для обеспечения качества обработки на токарных, сверлильных, 

расточных, фрезерных и других станках любого уровня автоматизации на 

разработан способ контроля процесса резания, основанный на анализе 

физико-химических явлений образования специфических газов при 

обработке различных материалов и анализе газовоздушной среды в зоне 

обработки. В качестве контролируемых газов выделены три основные 

группы: образованные при соединении с составляющими воздуха 

выгораемым из обрабатываемого материала примесями (оксиды углерода 

СО и СО2, оксид серы SO2, углеводороды CXHY), образованные при 

соединении кислорода воздуха с атмосферным азотом (NO, NO2, NXOY), 

собственно кислород воздуха О2. 

Способ контроля процессов механической обработки, основанный на 

регистрации концентрации вышеназванных газов в зоне обработки 

методом газового анализа позволяет по определению текущего отклонения 

величины параметра от заданного значения непрерывно получать 

информацию о состоянии процесса резания, в частности, о состоянии 

режущего инструмента, о наличии и местоположении аномальных 

участков поверхности обрабатываемого изделия, об изменении величины 

снимаемого слоя. Реализация способа возможна в случае изменения 

характеристик 
самого 
различного 
инструмента, 
материала 

обрабатываемых изделий и охлаждающих жидкостей. При этом необходим 

выбор контролируемого газа, анализатора с учетом его чувствительности и 

быстродействия, что может представить современная промышленность. 

Обладающие высокой чувствительностью и быстродействием ряд 

газоанализаторов 
позволяет 
реализовать 
выходной 
сигнал 

непосредственно в виде электрического тока. 

Произведенный анализ методов и средств контроля состояния 

режущего инструмента и основных принципов работы устройств, 

реализующих данные методы, приводят к выводу о создании новых более 

прогрессивных методов контроля. Одним из новых средств контроля 

является метод, основанный на заборе и определении концентрации одного 

или нескольких газов воздушной среды в зоне обработки. 

В связи с многообразием процессов и весьма частыми при 

функционировании автоматизированных систем обработки металлов 

изменениями 
условий 
механообработки 
требуется 
для 
создания 

эффективных подсистем автоматического контроля, комбинированное 

применение различных методов и средств, что усложняет систему 

контроля и делает ее достаточно дорогостоящей. 

Применение метода газового анализа позволяет устанавливать 

датчики, реагирующие на два или более газа, которые образуются в зоне 

обработки, что может быть обусловлено связью настроенного датчика на 

один из газов с соответствующими конкретными, но различными 

факторами - глубиной резания, величиной подачи и скоростью резания.  

Кроме этого, широко применяемые и простые приборы контроля газа 

соответствуют основным требованиям, предъявляемым к чувствительным 

элементам. По выходному сигналу прибора можно определить износ 

режущего инструмента во всем диапазоне допустимого износа, при этом 

величина концентрации газа пропорциональна постепенному износу 

инструмента, а передача сигнала о состоянии газовоздушной среды от 

точки контроля возможна на определенное расстояние. Образование газа в 

зоне обработки инвариантно к воздействию шумов и уровню вибрации 

механизмов и узлов станка. 

Датчики контроля воздушной среды имеют малые габариты и могут 

быть встроены во вновь проектируемые или эксплуатируемые станки. 

Настройка приборов и регулировка не требует высокой квалификации и 

возможна во время эксплуатации. Кроме этого, существуют датчики, 

обладающие необходимым быстродействием и достаточной разрешающей 

способностью. 

Сам метод контроля, как было отмечено выше, имеет ряд 

достоинств, что позволяет рекомендовать его для активного контроля 

состояния режущего инструмента. 

Разработанные и широко используемые промышленные образцы 

газоанализаторов различных типов легко могут быть установлены на 

металлорежущем оборудовании. Наиболее чувствительные приборы 

данного типа, можно использовать на финишных операциях. Современные 

физические и физико-химические методы в сочетании с электронными 

измерительными приборами позволяют решить обширный круг задач по 

определению 
состава 
и 
свойств 
газовой 
среды 
в 
химических 

производствах. На данном этапе развития науки и техники подучили 

распространение приборы и устройства для измерения газов в различных 

средах, как в воздухе, так и в жидкостях и металлах. Разработаны приборы 

и системы, обеспечивающие надежное измерение, сбор и обработку 

данных об уровне загрязняющих или нейтральных веществ в атмосфере. 

При контроле и автоматизации технологических процессов приходится 

анализировать главным образом газообразные и жидкие вещества. 

В производственных условиях аппаратура данного типа имеет 

достаточную помехозащищенность от воздействия внешней среды. 

Использование малогабаритных аккумуляторов делает приборы более 

надежными и независимыми от общей линии электропередачи. 

В технологическом контроле в основном приходится использовать 

количественный газовый анализ. Для технического газового анализа 

применяются автоматические газоанализаторы, позволяющие быстро 

получать результаты, хотя и с ограниченной точностью. 

 

На основании рассмотрения процесса резания на микроструктурном 

уровне можно сделать вывод о том, что процесс стружкообразования 

сопровождается генерированием теплового излучения и образованием 

различных газообразных соединений в условиях эксперимента. В связи с 

этим процесс газообразования в зоне обработки сделан с процессами, 

проходящими на контактных поверхностях режущего инструмента с 

обрабатываемой заготовкой. Поэтому, изменение в процессе резания 

количественного состава некоторых компонентов газовоздушной среды в 

зоне обработки показывает целесообразность осуществление диагностики 

работоспособности режущего инструмента и управления процессом 

резания. 

Изменение в процессе резания концентрации одного или нескольких 

газов в зоне обработки позволяет получать информацию о процессах, 

происходящих на контактных поверхностях, что дает возможность более 

эффективно производить диагностику и управление процессом резания. 

Учитывая различные физико-механические и химические свойства 

материалов и особенности их обработки резанием, ниже приведены 

основные требования к устройствам для определения концентрации газов, 

являющихся единым критерием их оценки: 

– бесступенчатая регистрации действительной концентрации газов в 

широком диапазоне; 

– безинерционность; 

– стабильность регистрируемых показаний концентрации газов; 

– регистрация концентрации газов в области обработки в любых 

элементарных 
объемах 
контролируемого 
газовоздушного 

пространства; 

– конструктивная 
простота 
и 
минимальная 
отладочная 
и 

градуировочная трудоемкость. 

Изложенные выше принципы выделения информации значений 

параметра, характеризующего состояние режущего инструмента, явились 

основой 
для 
разработки 
и 
формирования 
комплекса 
аппаратуры 

регистрации анализа сигналов, получаемых из зоны резания. По своим 

функциональным возможностям в зависимости от решаемой задачи и 

особенностей 
объекта 
исследования 
комплекс 
позволяет 
как 

одновременное, так и раздельное диагностирование по параметрам 

газообразования. 

Основным 
составляющим 
звеном 
установки 
является 

газоанализатор, выполняющий задачи датчика. Он предназначен для 

работы и исследования процессов резания на металлорежущих станках. 

Газоанализатор состоит из двух основных частей - блок анализатора и 

микро-ЭВМ. 

В процессе резания на металлообрабатывающем оборудовании 

измеряется: 

– интенсивность образования оксидов азота NO и NO2; 

– объем образования оксида азота NO и NO2; 

– интенсивность образования суммы оксидов азота NO и NO2; 

– 
объем образования суммы оксидов азота NO и NO2; 

– 
интенсивность образования оксидов углерода СО и СО2; 

– 
объем образования оксидов углерода СО и СО2; 

– 
интенсивность образования оксида серы SO2; 

– 
объем образования оксида серы SO2; 

– 
интенсивность и объем поглощения кислорода O2 атмосферного 

воздуха. 

На выходе прибора обеспечивается выдача сигналов в цифровом и 

аналоговом виде, выдача сигнала о превышении заданных порогов 

интенсивности или объема газообразования измеряемого газа. 

В основу работы используемого газоанализатора положен метод 

определения концентрации оксида азота в газовоздушной смеси, 

базирующийся на хемилюминесценции. 

Сущность этого метода состоит в том, что реакция оксида азота с 

озоном в соответствующих условиях сопровождается люминесценцией: 

NO + O3 → NO2 + O2; 

ν
NO
NO
2
2
ℏ
+
→
, 

где ℏ  – постоянная Планка; 

ν – частота излучения. 

Детектируя излучения ν
ℏ
 фотоэлектронным умножителем, можно 

по величине его выходного сигнала тока определить интенсивность 

образования оксида азота в анализируемой пробе. Для определения 

интенсивности выделения из зоны исследования оксида азота NO2, 

который находится с оксидом NO в реальной пробе, необходимо 

дополнительно преобразовать диоксид азота в оксид NO и детектировать 

излучение, получаемое при взаимодействии с озоном суммы оксидов 

азота. 

Восстановление 
диоксида 
в 
оксид 
азота 
происходит 
в 

каталитическом конверторе с помощью катализатора, нагретого до 

температуры 200° С. В этом режиме работы детектируется излучение от 

суммарной величины интенсивности образования газов в зоне резания. 

Интенсивность образования и выделения из зоны обработки диоксида 

азота можно определить по разности между значениями электрических 

сигналов, 
пропорциональных 
концентрации, 
соответственно, 
сумме 

оксидов азота. 

Блок анализа предназначен для подготовки к анализу пробы, 

поступающей 
на 
вход 
прибора, 
создания 
условий 
протекания 

хемилюминесцентной 
реакции 
между 
оксидом 
азота 
и 
озоном, 

преобразование 
хемилюминесцентного 
излучения 
в 
электрические