攻牙机加工故障的模糊诊断

   螺纹连接具有坚固性好和可拆卸的特点,具有其它连接方式如铆接、焊接等无法替代的优越性,因此螺纹连接得到广泛的应用。随着近年螺纹加工出现以下几种变化使得螺纹加工的问题更加突出:①小直径和微小直径的螺孔加工,螺纹直径M≦3mm;②高温合金、不锈钢、钦合金等难加工材料的螺纹加工;③同时对一组螺纹孔进行的攻牙机加工。

由于小直径丝锥刚性和强度差,丝锥极易在加工过程中折断;难加工材料具有较高的强度和韧性,其攻牙扭矩大幅提高,丝锥急剧靡损使丝锥扭矩进一步增大而使丝锥易折断;而对于多轴攻牙机而言,由于各丝锥工作状态不一,个别丝锥先磨损使扭矩增加而折断的情况时有发生,从而导致工件报废加工停止。有时甚至那些工件已进行了很长时间的各工序的机械加工甚至精加工,由于攻牙机加工过程中丝锥的断损而导致工件报废造成大量浪费。因此,对攻牙机加工进行适时故障诊断和控制的研究得到国内外的普遍关注。但迄今为止,运用模糊理论对攻牙机加工过程实施故障的识别与判断的研究尚不多见。为此本研究运用模糊理论建立了攻牙系统故障的模糊方程,进而构建了攻牙机加工故障诊断系统,为实现攻牙的有效控制开辟了途径。

1、攻牙机的故障类型及其数学特征

1.1攻牙机的故障类型

攻牙过程丝锥的折断是由攻牙过程的故障引起的。根据对攻牙机加工过程的观察和系统分析,攻牙过程的故障类型可分为:①丝锥磨损,切削刃钝化,攻牙扭矩不断变大,到一定程度若不及时退出丝锥,则丝锥折断;②在攻牙过程中切屑堵塞丝锥,附加攻牙扭矩急剧增大,若切屑无法进一步排出,丝锥不反转退出,丝锥则由于扭矩过大而折断;③工件材料硬度不均,局部出现硬顺粒,当丝锥碰上时扭矩增大,若攻牙扭矩超过一定值,则丝锥需反转退出,否则丝锥折断,正常情况下丝锥可以冲破这一部分材料继续攻牙;④由于攻牙工艺的失误造成攻牙扭矩比正常偏大,比如:润滑状况不好、丝锥导人时引偏、螺纹底孔偏小等情况。

1.2攻牙故阵的数学特征

故障的模糊诊断过程实际上是状态论域和征兆论域之间的模糊矩阵运算,在攻牙机加工中攻牙扭矩M=km×A,其中A一为螺纹切削面积,km一为扭矩比例系数。即攻牙扭矩与切削面积A成正比关系。显然,攻牙扭矩M可以作为攻牙故障的特征参量。

通过利用24116台钻改装而成的攻牙机加装扭矩测量仪形成的攻牙系统进行实验获得几种故障类型的扭矩局部波形特征图中Ma表示扭矩采集启动线入毋表示丝锥折断警戒线,实线是扭矩变化波形,虚线是扭矩的变化趋势:

(1)丝锥磨损,切削刃钝化。攻牙扭矩一开始就比较大,但攻牙扭矩仍满足与A成正比关系,km也相对比较稳定,但比正常攻牙时的甄值大得多。

随着攻牙过程的进一步深人,A不断增大攻牙扭矩有可能超出丝锥折断警戒线。扭矩上升的斜率与切削速度v有关(v影响A),除了更换丝锥,攻牙扭矩M不会减小。扭矩局部波形特征见图1。

(2)攻牙过程切屑堵塞丝锥故阵。切屑堵塞的过程是一个km值不断增大的过程。攻牙扭矩M在切屑完全堵塞时直线上升,攻牙无法继续进行,丝锥不及时反转攻牙扭矩将迅速冲过丝锥折断警戒线使丝锥折断。扭矩局部波形特征见图2。

(3)工件材料硬度不均,局部出现硬颗粒。当丝锥碰到局部硬材料时,攻牙扭矩比例系数k二开始不断增大,但最后回稳定在与材料硬度相当的km3,这时攻牙扭矩M随攻牙的进一步进行扭矩进一步增大,会出现2种可能的情况:一是扭矩M增大到丝锥折断警戒线,丝锥必须反转;二是丝锥冲破硬质材料km回到正常攻牙状态。扭矩局部波波形特征见图3.

(4)攻牙工艺失误故障。由于此类故障情况复杂,但不管是哪一种都会导致扭矩比例系数km的变大,它会使攻牙扭矩M比正常攻牙扭矩大,有一个大的附加扭矩,与丝锥磨损相似,如工艺失误消除,攻牙会回到正常状态上来。这与丝锥磨损不同之处,扭矩局部波形特征见图4.

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4结论

根据以上的理论分析和实验研究,可得出如下初步结论:

(1)攻牙机加工常见的故障可分为丝锥磨损、切屑堵塞、材料硬度不均、攻牙工艺失误等4种故障类型。

(2)本文运用模糊数学理论,确定故障特征矢量,给出了模糊关系方程,提出了攻牙系统故障的斜率法。

(3)利用本研究建立的攻牙机加工故障诊断系统进行实验研究结果表明,本系统能有效地对攻牙机加工进行识别和判断,对提高攻牙质量和效率有重要价值。