Самонастраивающееся управление со стабилизацией выходных параметров обработки на основе диагностирования параметров пластичного резания в мезообъемах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© Т.Б. Теплова, 2002

УАК 621.9

Т.Б. Теплова

САМОНАСТРАИВАЮЩЕЕСЯ УПРАВЛЕНИЕ СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ВЫХОАНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ АИАГНОСТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАСТИЧНОГО РЕЗАНИЯ В МЕЗООБЪЕМАХ

Одним из способов механической обработки твердоструктурных минералов и кристаллов является шлифование в режиме пластичности. На шлифовальной установке, обладающей достаточной жесткостью и высокой точностью, позволяющей обеспечить малый съем материала и малую врезную подачу, возможно создать условия для шлифования хрупких материалов в режиме пластичности. В результате заготовки из хрупких материалов можно механически обрабатывать в регулируемом режиме; при этом обеспечивается чистота обработки поверхности, ранее достижимая только в нерегулируемых процессах, осуществляемых в режиме пластичности, таких как полирование и притирка.

При малой глубине резания и низких врезных подачах все хрупкие материалы могут обрабатываться в режиме пластического течения, а не хрупкого разрушения.

Суть применяемой модели пластичного резания состоит в том, что при внешнем воздействии ритмичного поля упругой обрабатывающей системы шлифовального станка динамическому воздействию со стороны режущих зерен вращающегося инструмента подвергается обрабатываемая поверхность (ОП) на площади макромасштабного

уровня. При этом в период синхронного накопления усталости преимущественно к возвратноповоротным модам деформации формируется однослойная унитарная ячеистая структура в виде множества трехмерных мезообъ-емов, движущихся в релаксационном режиме по схеме «сдвиг + материальный поворот», которая

по истечении указанного периода синхронного накопления усталости преобразуется в одновременно срезаемое со всей указанной площади множество из единичных пластически деформированных частичек основного кристалла с формированием при этом диссипативной структуры приповерхностного слоя.

Наличие колебательно-релаксационного характера движения в процессе формирования субструктуры в каждой отдельной трехмерной ячейке (мезо-объеме) по схеме "сдвиг + поворот" с одновременной самоорганизацией знакопеременными поворотными модами деформации множества подобных колеба-тельно-релаксирующих трехмерных ячеек в локальной зоне действия градиента внешнего микроконцентратора напряжений позволяет осуществить процесс размерно-регули-руемого пластичного микрорезания специальным подбором параметров и режимов воздействия внешних микроконцентраторов только на основе использования эффекта накопления усталости от знакопеременных поворотных мод деформации упомянутых трехмерных ячеек (мезообъемов) с образованием диссипативной субструктуры между упомянутыми ячейками, не выходя за пределы первого мезомасштабного уровня пластически деформируемой поверхности кристалла. При этом, путем установления в упругой обрабатывающей системе (УОС) такого режима интенсивности съема, при котором имеет место периодический характер состояния взаимного соответствия (баланса) в размерном и количественном выражении между мно-

жествами структурных трехмерных ячеек (мезообъемов), с одной стороны, находящихся в стадии зарождения в них дислокационных структур под воздействием только поворотных мод деформации, а, с другой стороны, в момент их одновременного пластического срезания находящихся в стадии сформировавшихся только под воздействием таких поворотных мод деформации диссипативных структур с частотой периодичности, определяемой временем жизни каждой отдельной ячейки из всего множества трехмерных структурных ячеек (мезообъемов), появляется возможность идентифицировать протекание дискретного процесса съема припуска только в пределах первого мезомасштабного уровня пластической деформации обрабатываемой поверхности кристалла с образованием множества единичных пластически деформированных частичек по наличию автоколебательного характера изменений сжимающих упругих деформаций в обрабатывающей системе с амплитудой, равной линейному размеру единичного структурного мезообъема, со скоростью врезной подачи в направлении сжимающей упругой деформации обрабатывающей системы, равной отношению между линейными размерами и временем его жизни.

Математически процесс микрошлифования можно представить, с одной стороны, дифференциальным уравнением первого порядка, описывающем в УОС статическую составляющую упругой деформации сжатия. С другой стороны, движение каждой такой УОС в динамике под действием периодической импульсной нагрузки подчинено закону, который может быть описан нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка Ван-дер-Поля.

Существующие попытки математически увязать статические и динамические параметры процессов деформаций, идущих на разных масштабных уровнях носят грубое приближение, которое не может быть использовано для управления режимами пре-

цизионной размерно-регулируемой бездефектной обработки. Кроме того, отсутствие приборов активного контроля не позволяет непосредственно комплексно измерить выходные параметры такой обработки.

Проведенными исследованиями установлена возможность контролировать выходные параметры обработки путем их вычислений в реальном времени.

Используются тестовые методы, которые позволяют в реальном масштабе времени идентифицировать как статические, так и динамические параметры процесса пластической деформации в мезообъемах обрабатываемой поверхности кристалла (в результате чего однозначно вычисляются выходные параметры как по размеру, так и по величине микронеровностей) и, тем самым, контролировать фактические параметры процесса микрошлифования. Эти тестовые методы увязывают статическую и динамическую составляющие упругой деформации в обрабатывающей системе путем проведения вычислений соответствующих параметров и позволяют удерживать поведение УОС в режиме предельного цикла.

Основным параметром, определяемым тестовыми методами для технологической диагностики процесса микрошлифования, является постоянная времени переходных процессов резания, которая интегрально характеризует поведение УОС как в статике, так и в динамике.

Упругая обрабатывающая система, реализованная в станочном модуле АН12ф4, позволяет обеспечить достаточно высокие жесткость и разрешающую способность микроперемещений по осям Х-У-7 относительно производящей инструментальной поверхности (ПИП).

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика диагностирования параметров микрошлифования которая прошла опробацию на станочном модуле АН12ф4 с числовым программным управлением (ЧПУ).

На стационарном режиме обработки скорость съема припуска Уф пропорциональна отношению между статической составляющей упругой деформации Дф и постоянной времени Тф переходных процессов резания в УОС.

При этом процесс обработки кристаллов алмазов с заданной оптической чистотой ^ на обрабатываемой поверхности (в установившемся режиме пластичного микрорезания) идентифицируется наличием автоколебаний с частотой fф динамической составляющей Хф сжимающей упругой деформации в УОС. В соответствии с разработанной методикой определяют следующие параметры процесса микрошлифования:

1. Перемещение стола от реверса до реверса Ь вдоль оси X.

2. Время перемещения стола от реверса до реверса т .

3. Время нахождения кристалла в зоне резания за один проход стола т 1.

4. Среднюю скорость V-перемещения стола вдоль оси X.

5. Количество N снятых отдельных порций с множеством мезообъемов в каждой порции за время нахождения кристалла в зоне резания. (Определяют по осциллограмме число максимальных пиков автоколебательного режима на стационарном участке микрошлифования).

6. Определяют по осциллограмме максимальную величину силы резания Ртах (амплитуду максимального пика) на стационарном участке микрошлифования.

7. Определяют на осциллограмме минимальную величину силы резания Рт1п (амплитуду минимального пика, следующего за максимальным пиком) на стационарном участке микрошлифования.

8. Определяют статическую составляющую силы резания

Р + Р

г та^ г тт

Р =..............

г стат

2

9. По осциллограмме определяют время ^ между соседними пиками в автоколебательном режиме, соответствующее времени между дискретными съемами в виде отдельных порций с

множеством мезообъемов в каждой порции на стационарном участке микрошлифования. Для получения более точного усредненного значения можно воспользоваться формулой:

т 1

tl=.......

N

На основании полученных экспериментальных данных проводятся вычислительные операции по следующим соотношениям для диагностирования параметров пластичного микрошлифования:

1. Задают в каждом цикле стационарного микрошлифования величину припуска U, удаляемого за i-е количество продольных проходов.

2. Вычисляют общее время нахождения кристалла в зоне резания т 2 в каждом цикле обработки, состоящем из i-го количества продольных проходов, по формуле:

т 2= i * т 1 .

3. Вычисляют частоту автоколебаний УОС по формуле:

1

Гф =......

tl

4. Вычисляют количество удаленных дискретных порций мезообъемов (в виде множества мезообъемов каждой отдельной порции) за время одного продольного прохода стола:

т l

b=........

tl

5. Вычисляют суммарное количество удаленных порций с множеством мезообъемов в каждой порции за каждый цикл обработки:

k = I*b .

6. Вычисляют в нанометрах линейный размер мезообъема по формуле:

Uх1000 а =---------- .

K

7. Динамическую составляющую силы резания Рдин вычисляют по формуле:

Р = Р - P

1 дин 1 max 1 min •

8. Вычисляют постоянную времени переходных процессов резания по формуле:

Рс

Тф =..........

L,* Р

хф 1 дин

9. Вычисляют скорость съема припуска по формуле:

=-=U ■

т2 т1 * 1

10. Вычисляют величину перемещения стола за период между двумя соседними съемами порций с мезообъемами по формуле:

L = V*t1*1000 .

11. Вычисляют количество мезообъемов в каждой удаленной порции:

L *1000

W =--------- .

а

12. Вычисляют количество рисок m на шлифовальном круге, вращающемся с частотой n оборотов в минуту, которые воздействуют в процессе обработки за время каждого одного оборота круга:

W * 60 m =------- .

n *ti

13. Вычисляют частоту импульсов в виде микроконцентраторов касательных напряжений в УОС от воздействий микрорельефа производящей инструментальной поверхности шлифовального круга на обрабатываемую поверхность:

m*n

60

14. Вычисляют упругую деформацию в обрабатывающей системе по формуле:

Дф = Уф* Тф

15. На основе найденных Тф и Дф вычисляют фактическую динамическую составляющую упругих деформаций Хф в обрабатывающей системе, которая соответствует чистоте ^ у обработанной поверхности:

Лф

Хф =.......

Тп* fф

По окончании обработки независимыми лабораторными исследованиями определяют фактическую шероховатость обработанной поверхности, а также наличие или отсутствие сколов, трещин и других дефектов.

Фактические размеры формы определены контролем средствами ЧПУ размерной настройки УОС с учетом фактической упру-

ной оси Ъ с точностью до 1 мкм. Микронным индикатором периодически определяют погрешность фактического размера обрабатываемой формы кристалла от заданного размера и периодически вносят коррективы для соответствующей компенсации размерного износа ПИП.

По указанной методике проведено диагностирование параметров микрошлифования при обработке кристалла алмаза, предоставленного ОР ООО «Смо-ленск-Таше». Схема и технологические режимы обработки соответствовали условиям обработки для станочного модуля с ЧПУ АН12ф4 (рис. 1). Микрошлифование производилось твердым кругом, зернистостью 5-7 мкм на связке типа «костная мука» со 150 % концентрацией. Державка с образцом алмаза была закреплена с помощью цангового зажима в фиксированном от знакопеременного поворота шпинделе многоместной сменной кассеты, установленной на столе станка. При этом ось вращения шпинделя В в многоместной кассете располагали перпендикулярно координатной оси X станка. Первона-

образца устанавливали перпендикулярно оси вращения В в цанговом зажиме многоместной кассеты и перпендикулярно оси вращения С шлифовального круга. Затем поворачивали державку с образцом алмаза вокруг оси А, параллельной оси X, и задавали угол наклона грани 42,5°. Затем державку с образцом алмаза вокруг оси А поворачивали на угол 11,25° вокруг оси В для обработки алмаза в твердом направлении. Указанный поворот вокруг оси В осуществляли по специальной управляющей программе №00003 системы ЧПУ станка. Режим съема припуска за каждый один цикл определяли управляющей программой

№00002 системы ЧПУ станка с дискретными врезными подачами обрабатываемого образца вдоль координатной оси Ъ, параллельной оси вращения шлифовального круга, в точках реверса направления продольного хода стола. Управляющая программа снятия припуска представляет собой многократно зацикленный алгоритм, согласно которому первые три врезные подачи составляли

Гвоз =

Рис. 2

Рис. 3

по 0,25 мкм, следующие четыре

врезные врезные подачи составляли по 0,2 мкм, затем пять врезных подач составляли по 0,15 мкм.

Затем 7 врезных подач осуществляли по 0,1 мкм и последние 14 врезных подач осуществляли по 0,05 мкм. Каждый цикл заканчивался отскоком по оси Ъ на величину 1,7 мкм. Итого за каждый один цикл стол совершал 34 двойных прохода, при этом суммарное перемещение ОП на ПИП в сторону удаления припуска (с учетом отскока) составила 2 мкм. Всего величина съема припуска с одной грани составила 150 мкм. Затем поворачивали вокруг оси В на угол 180° заготовку и производили шлифовку второй грани. После получения заданного размера на этой грани осуществляли поворот на угол 90° вокруг оси В и шлифовали третью грань. Завершающим этапом обработки являлся поворот заготовки вокруг оси В на 180° и шлифовка четвертой грани кристалла. Скорость продольного перемещения стола регулировалась поворотом тумблера на пульте управления станка в зависимости от амплитуды текущей силы резания, отображаемой на экране осциллографа. Осциллограммы процесса обработки показаны на рис. 2 и 3. На основании данных экспериментальных исследований, выполненных по этой методике, проводился анализ зависимости чистоты обработки (шероховатости) от скорости продольной подачи.Из приведенной на рис. 4 графической зависимости следует, что при увеличении скорости продольной подачи стола станочного модуля вдоль оси X увеличиваются размеры мезообъемов, удаляемых с поверхностного слоя кристалла алмаза и соответственно ухудшается характеристика оптической чистоты ^ на обрабатываемой поверхности (ОП). Следовательно, для получения ОП с высокой оптической чистотой, характеризуемой ^ =0,0008-0,05 мкм),

скорость продольной подачи сто-

Рис. 4. Зависимость шероховатости обрабатываемой поверхности от средней продольной скорости стола станочного модуля с ЧПУ АН12ф4

ла вдоль оси X должна быть не более 5 мм*с-1. Если же ОП алмаза не требует достижения указанного качества по чистоте поверхности, то целесообразно увеличить скорость продольного прохода для повышения производительности обработки.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволяют более обосновано рекомендовать опти-

мальные режимы работы оборудования в зависимости от заданных выходных параметров обработки, выбирать параметры настройки приводов координатных перемещений исполнительных органов станка, а также выбирать оптимальную траекторию движения производящей инструментальной поверхности в плоскости формообразования, устанавливать первоначальные ре-

жимы резания, а также выбирать продольную скорость для получения заданных выходных параметров по качеству обрабатываемой поверхности. Эти исследования позволили дать технологические и вычислительные алгоритмы, а также рекомендации по управлению процессом микрорезания в реальном масштабе времени с применением технологической диагностики.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коньшин А.С., Сильченко О.Б, Брайан Джон Сноу, Способ микрошлифования твердоструктурных материалов и устройство для его реализации. Патент РФ №2165837 от 27.04.2001. - с. 216.

2. Коньшин А.С, Сильченко ОБ, Теплова Т.Б. Обработка твердоструктурных минералов резанием на шлифовальных станочных модулях с ЧПУ с применением новой технологии. «Горные машины и автоматика» № 11, - с. 31-33.

3. Панин В.Е. Изв. вузов. Физика. - 1987. - Т. 30. - N1. -С. 3-8.

4. Сильченко ОБ.. Теплова Т.Б, Морозов В.И. Тестовые методы диагностирования параметров пластичного микрошлифования кристаллов. Материалы конференции «V Юбилейная Школа Геомеханики», Польша, Устрань, 16-19 ноября 2001г.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Теплова Татьяна Борисовна — аспирантка кафедры «Технология художественной обработки материалов», Московский государственный горный университет.

© Ю.А. Павлов, 2002

УАК 621.9

Ю.А. Павлов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОЦЕССЕ ПОАГОТОВКИ ИНЖЕНЕРОВ-ТЕХНОЛОГОВ ПО ХУАОЖЕСТВЕННОЙ ОБРАБОТКЕ КАМНЕЙ И ЮВЕЛИРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ля достижения конкурентоспособности на отечественном и мировом рынке промышленные предприятия должны непрерывно повышать качество выпускаемой продукции, снижать ее себестоимость и сокращать сроки выполнения заказов. Приоритетность фактора времени обусловлена рядом причин: необходимостью

снижения сроков погашения кре-

дитов, а соответственно и их

стоимости; стремлением обогнать конкурентов при патентовании авторских прав на новую продукцию; потребностью захвата наиболее выгодных сегментов рынка для этой продукции.

Выполнение перечисленных требований к производству может быть достигнуто за счет развития предприятия по следующим направлениям: внедрение новых

эффективных производственных технологий и автоматизированного высокопроизводительного оборудования; использование интегрированных компьютерных систем для проектирования и подготовки производства промышленной продукции; увеличение организационной гибкости производства при использовании современных информационных и коммуникационных технологий.