Контроль процессов механической обработки на основе газового анализа.

УДК 621.9 

ББК 34.442 

Рецензенты 

Профессор Ю. М. Зубарев 

Доцент, к. т. н., А. Ф. Бабошкин 

Швецов И.В. 

Контроль 
процессов 
механической 
обработки 
на 
основе 

газового 
анализа. 
НовГУ 
им. 
Ярослава 
Мудрого. 
- 
Великий 

Новгород, 2001. - 84 с. 

В данной монографии представлены новые способы оценки 

состояния процессов механической обработки на основе регистрации 

газов при усовершенствовании конструкции режущих инструментов. 

Рассматриваемые 
исследования 
и 
физические 
модели 
в 

представленной 
работе 
отражают 
физические, 
химические 
и 

©механические изменения в системе ЗИССо (заготовка - инструмент 

- стружка - среда охлаждения). Изложены основы теории диффузии 

и массопереноса 
в зоне обработки 
и методы 
математического 

моделирования. 
Монография 
предназначена 
для 
студентов, 

магистрантов и аспирантов машиностроительных 
специальностей 

вузов. 

© Новгородский государственный университет, 2001 

© И . В. Швецов, 2001 

В В Е Д Е Н И Е 

На 
современном 
этапе 
развития 
производства 
механическая 

обработка до сих пор является распространенной, наиболее ответственной 

и самой трудоемкой операцией в технологическом цикле изготовления 

изделий 
из 
самых 
различных 
материалов. 
На 
предприятиях 

машиностроительного 
комплекса 
предъявляют 
высокие требования 
к 

средствам 
диагностирования, 
служащим 
для 
оперативного 
контроля 

состояния 
оборудования, 
обрабатываемого 
материала, 
обнаружения 

неисправностей и т.д. 

Обеспечение требуемого качества поверхностей, 
обрабатываемых 

механическим 
путем 
изделий, 
возможно 
лишь 
при 
условии 
их 

эффективного контроля, в процессе которого встает задача выявления 

дефектов, имеющих место в состоянии промышленной поставки заготовок 

на механообрабатывающее 
производство, 
либо 
отклонения 
размеров, 

формы или шероховатости обрабатываемой поверхности в результате 

износа режущего инструмента, его поломки или скола, а также применение 

завышенных 
режимов 
обработки, 
что 
приводит 
к 
возникновению 

прижогов, пригаров и т. д. на обработанной поверхности. 

На большинстве предприятий, особенно в условиях 
применения 

станков 
с 
ЧПУ 
или 
автоматизированного 
производства 
используют 

различные методы контроля процессов механической обработки, включая 

диагностирование 
состояния 
режущего 
инструмента 
и 
контроль 

обрабатываемой поверхности. В последнем случае, известные оперативные 

методы неразрушаюицего контроля не позволяют однозначно 
оценить 

качество 
приповерхностных 
слоев 
обрабатываемых 
изделий, 
что 

приобретает особую актуальность, и имеет важное практическое значение. 

Успехи разработок, как в отечественной, так и в мировой практике 

создали 
прочную 
основу 
для 
проектирования 
и 
внедрения 

автоматизированных систем управления технологическими процессами на 

основе 
контроля 
процессов 
механической 
обработки. 
Наибольшее 

распространение 
получили 
методы, 
основанные 
на определении 
сил 

резания и крутящих моментов двигателей главного движения или подачи, 

регистрации и обработки акустических сигналов или термо-ЭДС. Как 

правило, 
данные 
методы 
с 
присущими 
им 
достоинствами 
имеют 

определенные 
недостатки 
и 
не 
дают 
расширенной 
информации 
о 

процессах 
в 
системе 
ЗИССо 
(заготовка-инструмент-стружка-среда 

охлаждения). 

Использование 
систем 
контроля 
в 
автоматизированном 

производстве позволяет: 

увеличить производительность и снизить себестоимость обработки 

за счет повышения надежности обработки на повышенных режимах 

резания, 
своевременной 
сменой 
некондиционного 
инструмента, 

сокращения брака изделий и расхода инструмента; 

повысить 
коэффициент 
многостаночного 
оборудования, 
что 

обеспечит дополнительные предпосылки для внедрения "безлюдной" 

технологии на производстве; 

повысить 
надежность 
работы 
обрабатывающих 
систем 
за 
счет 

своевременней замены предельно изношенного или 
поломанного 

инструмента на инструмент-дублер, 

повысить точность обработки благодаря вводу коррекции положении 

исполнительного органа станка на износ инструмента; 

предохранить 
механизмы 
и 
узлы 
станка 
от 
поломок 
и 

преждевременной потери точности. 

В 
настоящее 
время 
как 
отечественные, 
так 
и 
зарубежные 

специалисты 
в 
области 
обработки 
материалов 
резанием 
проводят 

исследования, направленные на разработку и создание методов и средств 

диагностики 
режущего 
инструмента, 
которые 
требуют 
постоянного 

развития и совершенствования с целью повышения быстродействия и 

разрешающей способности инструмента. Это невозможно без дальнейшего 

исследования 
процесса 
механической 
обработки 
и 
установления 

взаимосвязи явлений, кото{ые естественно возникают при резании и 

изменении состояния режущего инструмента. 

1 
ГАЗОВЫР АНАЛИЗ И ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ 

ДИФФУЗИИ ГАЗООБРАЗУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ 

МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ 

В 
монографии 
рассмотрены 
вопросы 
контроля 
процессов 

механической обработки, основным из которых является метод газового 

анализа и подчеркнуты 
его главные отличия 
от известных 
методов. 

Проведенные исследования, обзор литературных источников [30] и их 

обобщение 
по 
механической 
обработке, 
теории 
резания 
металлов, 

диффузии примесей и фор мированию газовых сред, а также методов 

контроля отдельных газов и газовоздушных смесей в технологических 

процессах позволяют констат ировать: 

- 
на 
диффузию 
примесей 
в 
металле 
оказывает 
влияние 

высокоскоростное 
пластическое 
деформирование 
и 
разрушение 

кристаллической решегки при одновременном образовании высоких 

температур трения и до-формирования; 

- 
диффузионные процессы в металле при механической 
обработке 

протекают более интенсивней, чем при многих случаях внешнего 

воздействия; 

- 
фактическая 
зависимость 
интенсивности 
диффузии 
или 

концентрации 
диффундирующих 
примесей 
не 
закреплена 

соответствующими рас четами и математическими моделями, 

- 
формирование газовоздушной среды в зоне обработки происходит 

как 
вследствие 
взаимодействия 
диффундирующих 
примесей 
с 

составляющими атмосферного воздуха, так и взаимодействием его 

компонентов на границе раздела гетерогенных фаз; 

- 
расчетные формулы и известные эмпирические зависимости 
не 

всегда отражают реальность процессов и явлений, проходящих при 

механической обработке, а также затрудняют их использование в 

системах контроля и управления процессами; 

- 
одноуровневый 
анализ 
процессов 
механической 
обработки 

ограничивает возможность исследования явлений, отражающих их 

многообразие и взаимосвязь; 

- 
широкое 
применение 
газового 
анализа 
в различных 
отраслях 

промышленности не учитывает специфику образования газов в зоне 

обработки и общих требований к методике исследования процессов 

механической 
обработки 
при 
обеспечении 
качества 

изготавливаемых изделий. 

Указанные 
особенности 
диффузии 
примесей 
в 
металле, 

формирование и контроль газовоздушной среды в зоне обработки при 

изготовлении 
изделий 
позволяют 
отнести 
их 
к 
сложным 
объектам 

исследования. 
Специфика 
разработки 
методов 
и 
средств 
контроля 

процессов механической обработки состоите следующем: 

- 
не все цели выбора решений и условия, влияющие на этот выбор, 

могут 
быть 
достаточно 
точно 
выражены 
в 
количественных 

отношениях; 

- 
модели диффузии и определения концентрации исследуемых газов в 

зоне обработки характеризуются неполной информацией об объекте 

исследования, 
что 
может 
быть 
объективным 
на 
основании 

полученных 
статистических 
данных 
или 
субъективным 
на 

основании знаний специалистов, имеющих опыт объектов контроля. 

Одной 
из важнейших 
задач 
в области 
развития 
современного 

машиностроения 
является 
повышение 
надежности 
и 
долговечности 

машин, так 
как 
с каждым 
годом 
растет 
производительность 
труда, 

применяются 
все более 
напряженные 
режимы 
работы 
при 
высоких 

температурах, что ведет к ограничению срока службы деталей механизмов 

и инструментов, то есть износу 
отдельных 
поверхностей. 
Тепловые 

возмущения 
оказывают 
вгияние 
на 
параметрическую 
надежность 

оборудования при обработке-, деталей [2]. Повышение 
износостойкости 

должно базироваться на современных представлениях о механических, 

физических и химических процессах, происходящих 
на фрикционном 

контакте в зоне резания [9]. 

Анализ основных методов и средств контроля состояния режущего 

инструмента показывает, что на данном этапе развития науки и техники 

не решены в полной мере проблемы по диагностированию и управлению 

процессом резания. В связи ; этим возникают дополнительные задачи, 

стоящие перед исследователя ли. 

Современные физически 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 загрязняю дих или нейтральных веществ в атмосфере. 

При контроле и автоматизации технологических процессов приходится 

анализировать главным образом газообразные и жидкие вещества. Анализ 

газовых 
смесей 
сводится 
к 
определению 
содержания 
одного 
или 

нескольких газов в объемных процентах. 

В настоящее время, с ьаучно - техническим прогрессом становится 

все многообразнее учрежден -гя, имеющие дело с газами и применяющие 

газы, и усиливается 
контроть и требования к универсальной 
системе 

охраны промышленного объекта от аварии. Системы детектирования и 

сигнализации 
наличия 
газо i создаются 
для 
химических 
комплексов, 

тепловых электростанций, установок переработки сжиженного нефтяного 

газа и сжиженного природною газа, заводов черной металлургии и т.д. [7]. 

Газоанализаторы применяют для технологического контроля также в 

процессах газоочистки, для 
измерения содержания оксида углерода в 

отработавших 
газах автомобильных двигателей, 
при анализе 
воздуха 

промышленных 
помещений 
на содержание 
вредных 
для 
здоровья 
и 

взрывоопасных 
примесей. 
Приборы 
более точные, 
рассчитанные 
на 

измерения 
малых 
концентраций 
веществ 
в 
среде, 
используют 
в 

лабораториях охраны природы [13,16]. 

В 
общем 
случае 
с 
помощью 
газоанализаторов 
количественно 

оценивается содержание анализируемого компонента в газовой смеси 
количественный анализ или обнаруживается примесь в газовой смеси 
качественный анализ. 

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. 

Контроль 
за 
состоянием 
воздушной 
среды 
производственных 

помещений 
на 
химических 
предприятиях 
основывается 
на 

высокочувствительных, избирательных и точных методах 
определения 

токсичных веществ, так как в рабочих помещениях могут оказаться смеси 

вредных различных веществ, находящихся в аппаратах и трубопроводах. 

В условиях современного химического производства, когда опасные 

концентрации 
газов 
и паров 
в рабочей 
зоне 
могут 
создаваться 
за 

сравнительно 
короткий 
промежуток 
времени, а также 
возникновения 

опасной ситуации 
носит, как правило, случайный характер, лабораторные 

аналитические 
методы 
и 
экспрессные 
методы 
анализа 
вредных 
и 

взрывоопасных 
веществ 
в 
воздухе 
оказываются 
недостаточно 

эффективными, так как на лабораторные анализы необходимо длительное 

время, 
а экспрессные 
анализы 
проводятся 
периодически 
в 
заранее 

установленных точках производственного помещения. Поэтому наиболее 

удобным и прогрессивным методом контроля за состоянием воздушной 

среды 
является 
автоматический 
анализ, 
позволяющий 
непрерывно, 

надежно и точно определить концентрацию вредных и взрывоопасных 

веществ. С этой целью применяют различные конструкции и модификации 

газоанализаторов 
токсичных 
и 
взрывоопасных 
веществ 
в 
воздухе 

[7,13,16,19]. 

Приборы для определения 
вредных веществ в воздухе должны 

обладать высокой чувствительностью, надежностью в работе, достаточно 

быстрым действием и избирательностью. К этим приборам не предъявляют 

требования 
высокой 
точности 
и 
малой 
инерционности. 
Примерно 

половина этих приборов основана на фотоколориметрии. Они обладают 

высокой чувствительностью и избирательностью, что достигается выбором 

характерного химического реактива, используемого для 
приготовления 

индикаторных 
средств. Широко применяются 
фотоколориметрические 

анализаторы 
с 
мокрой 
и сухой 
индикаторными 
лентами, 
а 
также 

жидкостные газоанализаторы. 

При 
исключении 
из 
внимания 
конкретных 
газовых 
смесей, 

особенностей методов анализа в различных областях и конструктивных 

разновидностей 
приборов, 
газоанализаторы 
можно 
разделить 
на 

химические, физико-химические и физические [7,16]. 

Действие химических а-гализаторов основано на помещении одной 

или нескольких составных частей газовой смеси каким-либо веществом, 

вступающим в химическую реакцию соединения с данным компонентом. 

Физико-химические методы анализа базируются на различных химических 

реакциях, 
сопровождающихся 
тем 
или 
иным 
физическим 
явлением. 

Физические 
газоанализаторы 
используют 
для 
анализа 
какое-либо 

физическое 
свойство 
определенной 
составной 
части 
газовой 
смеси, 

заметно отличающееся от этого же свойства остальных компонентов газа 

(тепловой, оптический, магни"ный, электрический и другие параметры). 

Большинство газоанализаторов основано на таких принципах, что 

влиянием температуры и давления на их показания пренебрегать нельзя 

Исключением являются только те, у которых при обычных нормальных 

условиях 
показания 
не 
зависят 
от 
колебаний 
температуры 

Газоанализаторы, 
основанные 
на 
принципе 
теплопроводности, 

применяются 
в основном для анализа бинарных 
и сложных 
смесей, 

например, воздуха. 

- 
С точки зрения эксплуатации очень удобно, чтобы показания 

газоанализаторов как можно меньше зависели от колебаний расхода 

анализа смеси. В значительной мере удается исключить влияние 

расхода 
на 
показания 
приборов, 
работающих 
на 
принципе 

теплопроводности или теплоты реакции. 

Тепловые методы 
основаны 
на измерении тепловых 
свойств 

определяемого 
компонента газовой смеси, которые могут 
служить 

мерой его концентрации: 

изменение теплопроводности газовой смеси, связанное с изменением 

концентрации определяемого компонента, 

изменение теплового эффекта реакции каталитического окисления 

также зависящее от концентрации определяемого компонента. 

В 
соответствии 
с 
этими 
измеряемыми 
величинами 
тепловые 

газоанализаторы 
разделяют 
на газоанализаторы 
по 
теплопроводности 

(термокондуктометрические) и термохимические. 

Оба эти метода используются для определения сернистого газа в 

выбросах промышленных предприятий и рассеянного в атмосфере S0 2. К 

достоинствам 
термокондуктометрических 
газоанализаторов 
можно 

отнести относительно несложную конструкцию прибора и возможность 

его в качестве переносного для разовых измерений. Недостатками данного 

типа приборов являются: низкая избирательность, малая чувствительность 

и большая погрешность измерений. 

Термохимические 
газоанализаторы 
обладают 
более 
высоким 

порогом 
чувствительности. 
Они 
применяются 
для 
определения 

концентрации различных газов (S0 2, С0 2, H2S) и, в частности, S0 2. 

Термохимические 
газоанализаторы 
относительно 
просты 
по 

конструкции и не дорогие. Однако имеют ряд недостатков: наличие сосуда 

с реакционной жидкостью значительно усложняет их эксплуатацию и 

ухудшает 
их 
метрологические 
характеристики, 
необходимость 

стабилизации расходов анализируемой газовой смеси и жидкости, что 

значительно усложняет конструкцию прибора. Следует отметить, что все 

типы 
тепловых 
газоанализаторов 
мало 
пригодны 
для 
непрерывного 

автоматического анализа сернистого газа. 

Электрохимические методы анализа S 0 2 
по принципу 
действия 

можно 
разделить 
на 
электрокондуктометрические 
(по 

электропроводности), 
кулонометрические, 
полярографические 
(по 

количеству 
электричества 
или 
по току), 
потенциометрические 
и 
на 

электрохимическом 
преобразователе, 
Определение 
' концентрации 

сернистого 
газа 
при 
помощи 
электрокондуктометрических 

газоанализаторов 
заключается 
в 
регистрации 
изменений 

электропроводности 
раствора, 
поглощающего 
сернистый 
газ 
из 

анализируемой газовой смеси. В данных анализаторах используются два 

типа 
растворов: 
деионизированная 
вода 
или 
дистиллированная 
и 

разбавленный 
раствор 
перекиси 
водорода. 
Недостатком 

кондуктометрических газоанализаторов является низкая избирательность. 

Газоанализаторы на электрохимическом преобразователе измеряют 

ток, возникающий при окислении S0 2 
на чувствительном 
электроде. 

Преимуществом 
приборов, 
работающих 
на данном 
методе, 
является 

высокая 
чувствительность. 
Избирательность 
прибора 
зависит 
от 

полупроницаемой мембраны, состава электролита, материала электрода, 

тормозящего 
потенциала. 
Кроме 
перечисленных 
выше 
недостатков, 

свойственных всем электрохимическим газоанализаторам, существенным 

недостатком 
приборов данного типа является 
частая 
смена 
датчика. 

Газоанализаторы, 
работающие на электрохимических 
методах 
анализа