Підвищення ефективності технологічних процесів алмазного шліфування виробів із ситалу за рахунок їх багатопараметричної оптимізації

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

Автореферат

Підвищення ефективності технологічних процесів алмазного шліфування виробів із ситалу за рахунок їх багатопараметричної оптимізації

Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування

Поєзд Світлана Андріївна

Донецьк 2011

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі «Металорізальні верстати та інструменти» в Державному вищому навчальному закладі «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Калафатова Людмила Павлівна,

Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк,

професор кафедри «Металорізальні верстати та інструменти».

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Філатов Юрій Данилович,

Інститут надтвердих матеріалівтім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ,

завідувач лабораторії технології обробки природного каменю;

доктор технічних наук, професор

Братан Сергій Михайлович,

Севастопольський національний технічний університет, м. Севастополь,

завідувач кафедри «Технологія машинобудування».

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Світова тенденція розвитку галузей техніки, в тому числі машинобудування, направлена на витиснення металів при виготовленні деталей й елементів конструкцій і заміну їх більш дешевими й функціональними неметалевими матеріалами, до яких відноситься склокераміка (ситали). Ситали перевершують метали за рівнем жаростійкості, зносостійкості, корозійної стійкості, стійкості до впливу хімікатів і використовуються в якості конструкційних матеріалів при виготовленні деталей машин у різних галузях техніки.

Технологія заготівельних операцій виробів із ситалів недосконала. Точності розмірів і якості поверхонь цих виробів, необхідних для використання їх при виробництві деталей машин і відповідальних конструкцій, можна досягти лише із застосуванням механічної обробки. Великі припуски обумовлюють багатоопераційну обробку, насамперед глибинне алмазне шліфування. Обробка супроводжується силовими й температурними навантаженнями на оброблюваний матеріал і, в результаті, розвитком дефектного шару - системи тріщин, кожна з яких слугує концентратором напруг, що може викликати дострокове руйнування деталей при експлуатації. Необхідність видалення цього шару обумовлює багатоетапність обробки, що значно збільшує кінцеву вартість виробу.

Ефективним вважається технологічний процес, при реалізації якого на заключних операціях механічної обробки вдається досягти необхідної якості, у першу чергу, по дефектності обробленої поверхні, при мінімальних витратах на обробку. Параметри режиму й умови шліфування, які дозволяють досягти мінімальних витрат на обробку, можна визначити, вирішивши задачу багатопараметричної оптимізації технологічного процесу (ТП) з урахуванням великого числа обмежень, що для виробів із ситалів ще зроблено не було.

Таким чином, побудова технологічного процесу механічної обробки ситалів, при якому можливо досягти мінімуму собівартості виробу без шкоди якості сформованої поверхні, тобто розв'язання задачі багатопараметричної оптимізації технологічного процесу, є актуальним науковим і практичним завданням, рішення якого дозволить розширити галузь практичного застосування ситалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі «Металорізальні верстати та інструменти» Донецького національного технічного університету в рамках науково-дослідних тем: Д-6-05 «Дослідження впливу динамічних і температурних факторів на ефективність процесу шліфування конструкційної кераміки» (номер держреєстрації 0107U012197); Д-6-08 «Підвищення ефективності обробки конструкційної кераміки за рахунок керування ріжучою здатністю алмазних шліфувальних кругів» (номер держреєстрації 0105U002368). У перерахованих роботах дисертант брала участь в якості виконавця.

Мета й завдання досліджень.

Метою роботи є підвищення ефективності технологічних процесів шліфування виробів із ситалів за рахунок їх багатопараметричної оптимізації за критерієм мінімуму технологічної собівартості обробки.

Основні завдання досліджень.

1. Установити вплив режиму шліфування, характеристик інструмента, складу МОТС , який визначає їх поверхневу активність стосовно оброблюваного матеріалу (ОМ), на особливості протікання процесу шліфування та на якість обробленої поверхні.

2. Розробити оптимізаційну модель ТП шліфування ситалів, яка дозволить вирішувати задачу зниження технологічної собівартості обробки шляхом багатопараметричної оптимізації ТП, що передбачає оптимізацію кількості операцій шліфування й оптимальну розбивку припуску між ними одночасно з оптимізацією параметрів режиму обробки на кожній із операцій.

3. Установити математичні залежності технічних обмежень на область оптимізації від варійованих параметрів режиму обробки.

4. Установити ступінь впливу невивчених раніше температурних факторів, які супроводжують механічну обробку ситалів, на якість (дефектність) сформованої поверхні, як одного з можливих обмежень при вирішенні задачі оптимізації. Для цього теоретичним й експериментальним методами визначити рівень температур, які виникають у зоні різання, і вплив на цей фактор параметрів режиму й умов обробки, у тому числі МОТС.

5. Вирішити задачу багатопараметричної оптимізації ТП шліфування виробів із ситалів за критерієм мінімуму технологічної собівартості обробки. Розробити програму пошуку оптимальних параметрів режиму обробки з урахуванням розбивки припуску по операціях.

6. Розробити рекомендації з організації оптимальних ТП шліфування виробів із ситалів.

Об'єкт дослідження - технологічний процес алмазно-абразивної обробки виробів із ситалів.

Предмет дослідження - багатопараметрична оптимізація ТП алмазного шліфування виробів із ситалів за критерієм мінімуму технологічної собівартості при забезпеченні необхідної якості сформованої поверхні.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження здійснювалися на основі положень: технології машинобудування й теорії різання матеріалів при побудові оптимізаційної моделі у третьому розділі; теорії теплопровідності матеріалів, а також методу кінцевих елементів, реалізованому в програмному комплексі ANSYS, при теоретичному дослідженні характеру поширення температури у виробах із ситалу при їх шліфуванні; теорії оптимізації при вирішенні задачі оптимізації в п'ятому розділі дисертації. Експериментальні дослідження проводилися з використанням фізичного моделювання, планування експериментів, кореляційного й дисперсійного аналізів, що наведено в другому та четвертому розділах дисертації.

Наукові положення, які виносять на захист:

1. Багатопараметричну оптимізацію технологічного процесу алмазного шліфування виробів із ситалів потрібно проводити з урахуванням технологічної спадковості обробки, пов'язаної з глибиною і структурою дефектного шару, внесеного на кожній операції.

2. Поверхнево-активні стосовно оброблюваного матеріалу МОТС здатні суттєво (більш ніж в два рази) знизити рівень температур і параметрів дефектності обробленої поверхні, які виникають при шліфуванні ситалів, у порівнянні з варіантом обробки без МОТС.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Удосконалено математичну залежність технологічної собівартості обробки виробів із ситалів від параметрів режиму шліфування, а також розширено кількість технічних обмежень, які використовуються при вирішенні задачі багатопараметричної оптимізації ТП.

2. Уперше при рішенні задачі багатопараметричної оптимізації ТП шліфування виробів із ситалів врахована технологічна спадковість попередньої обробки, яка пов'язана з утворенням дефектного шару сформованої поверхні.

3. Вперше встановлено, що при використанні ефективних МОТС рівень температур, який виникає при глибинному шліфуванні ситалів, не перевищує критичних величин з погляду на теплостійкість ОМ, що підтверджує необхідність використання МОТС для забезпечення якісної поверхні при обробці ситалів.

4. Уперше встановлено, що МОТС, які мають певне сполучення диспергуючих і мастильних властивостей при їх однаковій охолоджувальній здатності, істотно впливають на рівні температур і сил різання, що виникають при шліфуванні ситалів, зменшуючи їх відповідно в 3 і 2 рази.

5. Вперше експериментально досліджений вплив температури, яка супроводжує процес алмазного шліфування ситалів, на розміри й глибину проникнення дефектності, обумовленої обробкою, з урахуванням наявності МОТС.

Практичне значення отриманих результатів:

- Отримано математичні залежності, які дозволяють розраховувати температуру шліфування залежно від параметрів режиму при обробці ситалів із застосуванням МОТС різних складів й алмазного інструменту різної ріжучої здатності.

- Розроблено методику багатопараметричної оптимізації ТП обробки виробів із ситалу.

- Розроблено програму для ЕОМ, яка дозволяє реалізувати розв'язання задачі багатопараметричної оптимізації ТП обробки виробів із ситалів, а саме: здійснювати розбивку припуску по операціях ТП із урахуванням внесеною обробкою дефектності, підбирати відповідні обробці МОТС і розраховувати оптимальні, за критерієм мінімуму технологічної собівартості, параметри режиму шліфування на кожній із операцій. Використання програми дозволяє оптимізувати структуру технологічного процесу й визначати оптимальні параметри обробки при забезпеченні необхідної якості виробів в умовах конкретного виробництва.

- Розроблено рекомендації з організації оптимальних ТП обробки виробів із ситалів.

Розроблена програма розрахунку оптимального режиму шліфування виробів із ситалу впроваджена на ВАТ НДІ «Ізотерм» (м. Брянськ, Росія) з очікуваним економічним ефектом 2518 руб. на один виріб. Результати досліджень використовуються в навчальному процесі при підготовці магістрів по металорізальним верстатам і системам на кафедрі «Металорізальні верстати та інструменти» ДонНТУ.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати, які наведені в дисертаційній роботі, засновані на дослідженнях, проведених автором. Постановка завдань й аналіз отриманих результатів виконані разом із науковим керівником. Висновки й практичні рекомендації, наведені в роботі, повною мірою відповідають науковим положенням, які виносяться на захист.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на: IV, V, VIII міжнародних науково-технічних конференціях «Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку» (Краматорськ, 2006, 2007, 2010 р.р.); XXVI науково-технічному семінарі «Семківські молодіжні читання» (Харків, 2006 р.); міжнародній науково-технічній конференції молодих вчених, аспірантів і студентів «Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта» (Севастополь, 2008 р.); 6-й міжнародній науково-технічній конференції «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (г. Брянск, Россия, 2008 г.).

Публікації. Основний зміст дисертації відображений у 15 публікаціях, з них: 8 статей у фахових наукових виданнях, які рекомендовані ВАК України, з них 1 публікація без співавторів; 2 статті і 4 тези доповідей на наукових конференціях, 1 деклараційний патент на корисну модель.

Структура й обсяг роботи. Робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, додатків і переліку використаних джерел. Повний обсяг дисертації становить 211 сторінок, у тому числі: 148 сторінки основної частини, 49 ілюстрацій по тексту, 3 ілюстрації на 3 сторінках, 14 таблиць по тексту, 8 додатків на 34 сторінках, список використаних літературних джерел з 154 найменувань на 17 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі «Аналіз можливих шляхів мінімізації собівартості алмазно-абразивної обробки ситалів з урахуванням особливостей їх диспергування при шліфуванні» виконаний огляд літературних джерел щодо особливостей обробки ситалів і впливу інтенсифікації процесів шліфування на якість сформованої поверхні. Розглянуто шляхи зниження технологічної собівартості шліфування, задачі оптимізації, вирішені раніше в області машинобудування, і методи оптимізації при рішенні нелінійних задач.

Вивченням особливостей механічної обробки виробів із крихких неметалевих матеріалів займалися В. І. Апанасенко, А. Л. Ардамацький, П. Я. Бокін, Л. Л. Бурман, Д. Б. Ваксер, А. І. Грабченко, В. В. Гусєв, Л. І. Єрьоміна, Л. П. Калафатова, Н. Н. Качалов, А. Д. Маляренко, В. П. Маслов, Н. В. Нікітков, С. О. Попов, С. М. Прохорчих, В. В. Рогов, В. О. Тародей, М. Д.Узунян, Ю. Д. Філатов, О. Д. Хайт, В. А. Хрульков, Л. С. Цеснек, Є. Д. Щукін та ін.

Зниження технологічної собівартості при жорсткій схемі шліфування можливо за рахунок інтенсифікації процесу обробки (збільшення поздовжньої подачі й глибини різання), однак інтенсифікація цих параметрів режиму супроводжується збільшенням сили і температури при різанні, збільшенням зношування інструмента, і зниженням якості сформованої поверхні. Знизити негативні впливи можна за рахунок збільшення швидкості різання (для ситалів до v = 30-50 м/с), використання прогресивних методів правки інструмента, а також застосування МОТС, яким притаманні підвищені диспергуючі властивості стосовно оброблюваного матеріалу.

Механічна обробка ситалів супроводжується утворенням розвиненого дефектного шару під сформованою поверхнею. Як відомо, глибина й структура дефектного шару залежать від силових характеристик, пов'язаних: із фізико-механічними властивостями оброблюваного матеріалу (ОМ) і рівнем його природної дефектності; з характеристикою інструмента - маркою алмазів та їх зернистістю, концентрацією їх в крузі, типом зв'язки; ступенем затуплення круга; видом і властивостями МОТС. Радіальна складова сили різання P_y, направлена в оброблювану поверхню, впливає на розвиток дефектності.

Ситали мають високу теплову інерцію й витримують температуру до 900^оС. Рівень температури різання, характерний для обробки ситалів на чорнових і напівчистових операціях, а також вплив цієї температури на розвиток у них дефектності на даний момент не досліджені.

Вибір такого співвідношення параметрів обробки, при якому досягається мінімум її технологічної собівартості (критерію оптимізації), можливий при вирішенні задачі багатопараметричної оптимізації з урахуванням великої кількості обмежень.

Аналіз літературних джерел, присвячених рішенню задачі оптимізації при механічній обробці, дозволив зробити наступний висновок. Задачі оптимізації процесів шліфування вирішувалися не в повному обсязі і здебільш для обробки металів. Практично ніколи не вирішувалася задача, яка поєднує оптимізацію кількості, послідовності й умов операцій обробки технологічного процесу шліфування крихких неметалевих матеріалів (КНМ), а також параметрів режиму обробки на кожній операції при урахуванні великої кількості обмежень.

За результатами проведеного аналізу сформульована мета роботи, яка полягає у підвищенні ефективності технологічного процесу шліфування виробів із ситалів за рахунок їх багатопараметричної оптимізації за критерієм мінімуму технологічної собівартості.

У другому розділі «Методологія роботи, методи теоретичних та експериментальних досліджень» викладена загальна методологія роботи.

На рис. 1 схематично представлений вплив елементів технологічного процесу на якість і технологічну собівартість виробів із ситалів, на рисунку Pr - припуск на обробку, W - об'єм видаленого матеріалу при обробці шліфуванням.

При рішенні задачі оптимізації в якості цільової функції використовувалася залежність технологічної собівартості обробки шліфуванням від числа необхідних операцій (n) і від параметрів режиму різання (v, s, t):

, (1)

Рис. 1 Вплив елементів технологічного процесу, який забезпечує задану якість обробки, на її технологічну собівартість

де - витрати на допоміжні операції, - вартість машинного часу обробки, - вартість часу операції відновлення ріжучої здатності шліфувального круга, якщо правка здійснюється на верстаті без переривання робочого циклу обробки, - вартість інструмента, віднесена до однієї операції обробки; - вартість однієї хвилини експлуатації верстата з урахуванням зарплати робітника, - сумарний час простоїв, який приходиться на одну операцію обробки, - коефіцієнт простоїв обладнання, - машинний час обробки, - вартість однієї хвилини правки круга, - час правки круга, - період стійкості круга, С_и - вартість круга, - лінійне зношування круга за одиницю часу обробки деталі, яка залежить від режиму шліфування, J_пр - лінійне зношування круга за одиницю часу правки, залежить від режиму правки, h_кр - товщина алмазоносного шару круга.

При вирішенні задачі оптимізації повинні бути використані технічні обмеження, які враховують: характеристики обладнання; стан інструмента, а саме його зношування й стійкість; якість сформованої поверхні, а саме, шорсткість і дефектність з урахуванням впливу на глибину і структуру дефектного шару рівня сил і температур при різанні, а також складу й властивостей МОТС.

Для визначення не встановлених раніше технічних обмежень по температурі, яка виникає у зоні шліфування ситалів, проводилося чотири серії експериментів.

Перші три серії експериментів спрямовані на встановлення математичних залежностей температури, яка виникає при шліфуванні ситалу, від параметрів режиму різання в різних умовах обробки, крім того, кожна з них спрямована на рішення додаткових питань. Перша серія експериментів проводилася для підтвердження необхідності використання МОТС при шліфуванні КНМ, друга - для оцінки впливу ріжучої здатності робочого круга на температуру й сили при шліфуванні. Третя серія експериментів спрямована на визначення впливу складу й диспергуючих властивостей МОТС на температуру й сили різання, які супроводжують процес шліфування. Експерименти проводилися на заточувальному верстаті 3672 за жорсткою схемою плоского шліфування периферією круга 1А1 200х10х5х76 А 250/200-4-М2-01. Оброблюваний матеріал - ситал АС-418. Реєстрація температури здійснювалася за допомогою штучних термопар NiCr-NiCu діаметром 0,2 мм. Реєстрація сил відбувалася за допомогою спеціального динамометричного пристрою.

Четверта серія експериментів спрямована на з'ясування впливу температурних і силових параметрів процесу обробки на дефектність сформованої поверхні. На дефектність досліджувалися зразки, шліфовані при реалізації першої серії експериментів. Дослідження дефектності проводилося методом капілярної люмінесцентної дефектоскопії в сполученні з пошаровим хімічним травленням зразків відносно оброблюваної поверхні.

Третій розділ «Побудова багатопараметричної оптимізаційної моделі технологічного процесу шліфування ситалів» присвячений аналізу математичних залежностей елементів цільової функції та технічних обмежень, необхідних для побудови оптимізаційної моделі ТП шліфування ситалу.

Цільова функція задачі оптимізації - технологічна собівартість однієї операції, має вигляд:

(2)

В наведеній залежності T, є функціями від параметрів режиму обробки .

На підставі результатів експериментальних досліджень установлені наступні залежності, використовувані в цільовій функції.

Період стійкості алмазного інструмента

(3)

де - мінімально допустима ріжуча здатність зношеного круга, при досягненні якої необхідна правка.

Лінійне зношування круга за час обробки J_W =Jt_м, де J_W - лінійне зношування круга від обсягу сошліфованого матеріалу W,

, (4)

де - ширина алмазного круга.

Найбільший вплив з параметрів режиму обробки на зменшення періоду стійкості і збільшення лінійного зношування інструмента має збільшення поздовжньої подачі заготовки.

При правці вільним абразивом швидкість лінійного зношування круга не постійна впродовж всього процесу правки, а сам знос за весь цикл правки складає 40-50 мкм. Таким чином приймаємо, що ; .

При рішенні задачі оптимізації повинні бути враховані наступні технічні обмеження, більша частина яких також базується на результатах експериментальних досліджень.

- Обмеження за характеристиками обладнання:

• обмеження за швидкістю шліфування ( );

• обмеження за швидкістю поздовжньої подачі ( );

• обмеження за потужністю приводів головного руху й руху подач верстата, відповідно

, ,

де , , ,, - характеристики обладнання, а саме, відповідно, максимально й мінімально допустимі швидкість різання й величина поздовжньої подачі, потужність двигунів приводів головного руху й руху подач.

- Обмеження, пов'язане з періодом стійкості інструмента (див (3)).

- Обмеження по зношуванню шліфувального круга (див (4)).

- Обмеження по температурі ().

- Обмеження по якості обробленої поверхні:

• по шорсткості поверхні ,

де b_o - коефіцієнт, який враховує зернистість алмазного круга, визначається експериментально, - припустима шорсткість поверхні;

• обмеження по дефектності поверхні

,

де D - розмір усередненого одиничного дефекту, - припустимий розмір усередненого одиничного дефекту, виходячи з вимог якості обробленої поверхні.

Сукупність зазначених технічних обмежень визначає область припустимих значень параметрів режиму обробки.

Обмеження по дефектності враховувалося на основі результатів експериментальних досліджень, виходячи з яких були отримані математичні залежності на глибинах травлення 0, 20, 40, 60, …240 мкм при шліфуванні ситалу АС-418 алмазними кругами АС6-4-М2-01 різної зернистості (100/80, 125/100, 250/200).

Питання, пов'язані з температурними явищами при шліфуванні ситалів, дотепер залишалися практично не дослідженими.

При багатоетапній обробці кількість операцій (переходів) впливає на технологічну собівартість і одним із шляхів підвищення ефективності обробки деталей із ситалів є оптимальний перерозподіл припуску між операціями шліфування з урахуванням технологічної спадковості попередньої обробки. Суть методу полягає в призначенні припуску, який видаляється на конкретній операції, виходячи з рівності дефектів, які вносяться до ОМ на даній операції, дефектам, які вже присутні у виробі після виконання попередньої операції.

Для встановлення невідомих раніше температурних характеристик процесу шліфування проводилося теоретичне дослідження температури шліфування ситалу і її розподілу в тілі зразка при 2D моделюванні процесу методом кінцевих елементів за допомогою пакета програм ANSYS. При розглянутих умовах (присутність МОТС) температура в зоні різання досягала 220 ^оС, при цьому на глибині 140 мкм вона не перевищувала 120 ^оС.

Четвертий розділ «Експериментальні дослідження впливу параметрів режиму й умов шліфування на температуру при різанні» присвячений експериментальному встановленню математичних залежностей температури, яка виникає при шліфуванні ситалів, від параметрів режиму обробки в різних умовах. Також відбувалося визначення впливу температури, яка виникає при шліфуванні, на розвиток дефектності в обробленій поверхні, що необхідно для повного урахування обмежень при рішенні задачі оптимізації.

В результаті проведення першої серії експериментів були зроблені наступні висновки. Шліфування без використання МОТС, тобто «в суху», супроводжується різким зростанням температури в зоні обробки при збільшенні кожного з трьох параметрів режиму. Рівень температур перебуває в діапазоні 160-860 ^оС (рис. 2). При найбільш інтенсивному варіанті обробки спостерігається термоудар, і температура шліфування досягає межі термостійкості ОМ.

Рис. 2. Вплив параметрів режиму обробки на температуру в зоні шліфування при обробці ситалу з охолодженням й «в суху» кругом А 250/200-4-М2-01: а - v =41 м/с, t=0,4 мм; б - v =41 м/с, s=4,47 м/хв; в - s=4,47 м/хв, t=0,4 мм

При шліфуванні з охолодженням, яке суттєво впливає на стабілізацію температури в зоні обробки, значення перебувають у межах 80 - 220 ⁰С. Так при максимальних параметрах режиму шліфування у варійованих діапазонах (v =41 м/с, s=4,47 м/хв, t=0,4 мм) застосування МОТС дозволило знизити температуру шліфування на 70% (з 860 ^оС до 250 ^оС), при мінімальних параметрах режиму шліфування (v =23 м/с, s=1,1 м/хв, t=0,1 мм) температура шліфування знизилася на 50% (з 160 ^оС до 80 ^оС). Це спростовує припущення про можливості обробки КНМ «в суху». Стабілізація температури в зоні обробки позитивно позначається на дефектності обробленої поверхні.

Друга серія експериментів була спрямована на встановлення впливу ріжучої здатності круга на температурні й силові характеристики процесу шліфування. Експеримент показав, що в умовах чистового шліфування (максимальна v, мінімальні значення s і t) застосування кругів з високою ріжучою здатністю вдвічі знижує температуру в зоні різання і радіальну складову сили різання Р_y, що позитивно позначається на дефектності сформованої поверхні.

При обробці з максимальними параметрами режиму (умови чорнового шліфування) ріжуча здатність алмазного круга практично не впливає на температуру в зоні обробки. Однак, при мінімальних рівнях швидкості різання й подачі (v = 23 м/с, s = 1,1 м/хв) (рис. 3) і максимальній глибині різання (t = 0,4 мм) робота затупленим кругом збільшує вдвічі температуру шліфування у порівнянні з використанням гострого круга.

Виходячи з необхідності забезпечення мінімальної дефектності, що можливо при мінімізації рівнів Р_y і температури шліфування, необхідно процес обробки здійснювати кругами з високим рівнем ріжучої здатності, що особливо важливо при чистовому шліфуванні.

Третя серія експериментів була присвячена вивченню впливу ступеня активності МОТС відносно ОМ на температуру і силу різання, які виникають при алмазному шліфуванні ситалів. Передбачувана ефективність цих МОТС при шліфуванні ситалів побічно оцінювалася по величині поверхневого натягу, Н/м, який визначався за стандартною методикою рахунку крапель. В якості поверхнево-активної речовини (ПАР) використовувався побутовий миючий засіб ТУ 6-00209651,242-2000 вітчизняного виробництва. У таблиці представлені склади МОТС, які використовувалися в експерименті. Найбільш поверхнево-активно стосовно ситалу є МОТС №3, про що свідчить низький рівень по .

Були отримані залежності температури, яка виникає в зоні обробки зразка (рис. 4), а також радіальної й тангенціальної складових сили різання від параметрів режиму обробки.

Результати експерименту дозволили зробити висновок, що наявність ПАР у складі МОТС дозволяє знизити температуру шліфування на 30-40%, у той час як наявність мастила в МОТС підвищує температуру в зоні шліфування, залежно від параметрів режиму обробки, на 20-40% (див. рис. 4). Очевидно, мастило, покриваючи оброблювану поверхню, ускладнює можливість повною мірою реалізуватися диспергуючій та охолоджувальній здатностям МОТС.

Таблиця

Склади й поверхневий натяг застосовуваних в експерименті мастильно-охолоджуючих технологічних середовищ

Маркування МОТС	Склад МОТС	, Н/м
МОТС №1	89% води +1% кальцинованої соди+10% індустріального мастила	0,041
МОТС №2	98% води + 1% ПАР +1% індустріального мастила	0,032
МОТС №3	99% води + 1% ПАР	0,028
МОТС №4	Вода	0,077

Рис. 4. Вплив складів застосовуваних МОТС на температуру в зоні обробки при варіації параметрів режиму обробки: а - v = 41 м/с, t = 0,4 мм; б - v = 41 м/с, s = 4,47 м/хв; в - s = 4,47 м/хв, t = 0,4 мм

Для якісної оцінки впливу параметрів режиму шліфування й умов протікання процесу різання на дефектність, обумовленою обробкою, проводилися дослідження дефектності шліфованих зразків ситалу методом люмінесцентної дефектоскопії з пошаровим хімічним травленням.

Рис. 5. Дефектність зразків ситалу, шліфованих кругом А 250/200-4-М2-01 з параметрами режиму v = 41м/с; s = 4,47 м/хв; t = 0,4 мм: а - без МОТС ( = 860 ^оС, P_y = 82 Н, P_z = 94 Н, D_max = 125 мкм); б - із МОТС №1 ( = 250^оС, P_y = 96 Н, P_z = 17 Н, D_max = 41 мкм)

Рис. 6. Дефектність зразків ситалу, шліфованих кругом А 250/200-4-М2-01 з параметрами режиму v=41м/с; s = 1,1 м/хв; t=0,1 мм: а - без МОТС ( =278 ^оС, P_y = 13 Н, P_z = 9 Н, D_max = 62 мкм); б - із МОТС №1 ( = 91 ^оС, P_y = 33 Н, P_z = 9 Н, D_max = 28 мкм)

На рис. 5 і рис. 6 представлені знімки максимальної дефектності (D_max є

максимальним розміром дефекту), яка виникає при обробці зразків ситалу на рівні травлення 100 мкм щодо поверхні шліфування (збільшення х

200), які відповідають різним режимам й умовам обробки.

Дослідження дефектності зразків дозволили зробити висновок, що використання МОТС, яка має диспергуючі властивості стосовно ОМ дозволяє в 2 рази знизити оброблювальну дефектність.

П'ятий розділ «Вирішення задачі оптимізації. Практичне застосування розробленої методики вирішення задачі оптимізації» присвячений рішенню задачі оптимізації. Розв'язання задачі пов'язано з дослідженням залежностей, які мають вигляд кусково-гладких функцій, і це робить неможливим аналітичне вирішення. Вирішення такої задачі доцільно вести за допомогою методів нелінійного програмування. При вирішуванні задачі використовувалися: метод штрафних функцій, метод деформованого багатогранника і метод пошуку по сітці.

За допомогою методу штрафних функцій задача з обмеженнями зводилася до задачі безумовної оптимізації (без обмежень). Для запобігання небезпеки знаходження локального мінімуму створювалася сітка в передбачуваній області визначення функції. Після, за допомогою методу деформованого багатогранника, знаходився результат вирішення, виходячи з початкових умов кожного вузла сітки, і вибирався найменший.

Вирішення задачі оптимізації реалізовано в програмному середовищі Delphi 7.0. В результаті розроблено програму, яка дозволяє здійснювати розрахунок оптимальних параметрів режимів багатоопераційного шліфування за критерієм мінімуму технологічної собівартості при забезпеченні виходу на структурну дефектність ОМ (відсутність дефектів, викликаних обробкою) на заданій глибині. В програмі реалізована можливість вибору складу МОТС різного ступеню активності із списку досліджених і необхідної кількості операцій.

В якості прикладів виконувався розрахунок (за допомогою програми) оптимальних параметрів режимів багатоопераційного шліфування виробів із ситалу, а саме підкладок мікросхем і плити вакуумного столика.

При проектуванні оптимального ТП виготовлення підкладок мікросхем за допомогою програми найкращі результати були отриманні при реалізації 3-х операцій з використанням МОТС №2, оптимальні параметри режиму обробки представлені на рис. 7.

При реалізації спроектованого ТП досягається необхідна дефектність, а саме розміри дефектів не перевищують 12 мкм на глибині понад 40 мкм (рис.8). Шорсткість поверхні становить Rа =1,25 мкм, що відповідає вимогам якості.

Завдяки використанню розробленої методики у вигляді програми, вдалося скоротити технологічну собівартість обробки підкладок мікросхем на 45%, і плити вакуумного столика на 32%.

Рис. 7. Результати розрахунку оптимальних параметрів режимів шліфування ситалу АС-418

Рис. 8. Розподіл припуску по операціях, а також розміри й глибина проникнення дефектів, які виникають при обробці ситалу АС-418 з отриманими параметрами режиму

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено важливу науково-технічну задачу зниження технологічної собівартості обробки виробів із ситалів за рахунок багатопараметричної оптимізації ТП їх виготовлення, що дозволить розширити область використання ситалів в якості конструкційних матеріалів у промисловості. За результатами роботи зроблені наступні висновки:

1. Вирішена задача багатопараметричної оптимізації ТП, при розв'язанні якої в якості технічних обмежень враховані: характеристики обладнання; стан інструмента, а саме його зношування й стійкість; якість сформованої поверхні, а саме, шорсткість і дефектність.

2. Технологічну собівартість обробки необхідно розглядати як суму собівартостей операцій, що входять до структури ТП. При знаходженні параметрів ТП повинні оптимізуватися кількість і послідовність операцій одночасно з оптимізацією параметрів режиму на кожній з операцій.

3. Розроблена оптимізаційна модель процесу алмазного шліфування ситалів, яка базується на результатах експериментальних досліджень обробки ситалу за жорсткою схемою шліфування периферією алмазного круга. Модель відображає залежність технологічної собівартості від параметрів режиму та умов обробки.

4. При оптимізації послідовності операцій шліфування з урахуванням технологічної спадковості, яка пов'язана з внесеною за рахунок обробки дефектністю, реалізований метод неповного видалення дефектного шару на кожній операції, виходячи з умови рівності дефектів, внесених в ОМ на даній операції, дефектам, які присутні в виробі після виконання попередньої операції.

5. Експериментально підтверджена необхідність використання МОТС при шліфуванні ситалів, що дозволяє на 60-70% знизити температуру в зоні шліфування у порівнянні з обробкою «в суху».

6. Наявність ПАР у складі МОТС дозволяє знизити температуру шліфування на 30-50%, при цьому радіальна складова сили різання P_y знижується на 20-40% . Подібний ефект досягається за рахунок підвищених диспергуючих властивостей водного розчину ПАР стосовно ситалу.

7. Використання МОТС з мастильними включеннями у порівнянні з використанням МОТС без мастила підвищує температуру в зоні шліфування на 20-40%, однак дозволяє знизити радіальну складову сили різання P_y на 35-45%.

8. Використання МОТС при шліфуванні ситалів дозволяє більш ніж в 2 рази зменшити лінійні розміри дефектів, виникаючих при обробці, у порівнянні з шліфуванням «в суху». Зменшення дефектності в першу чергу пов'язане з диспергуючою дією середовища стосовно оброблюваного матеріалу.

9. Розроблені алгоритм і програма для ЕОМ, яка реалізує розрахунок оптимальних параметрів ТП. Видані при використанні програми рекомендації з організації ТП обробки підкладок мікросхем із ситалу забезпечили зниження технологічної собівартості обробки виробів на 15%, завдяки чому отриманий очікуваний економічний ефект 2518 руб (630 грн) на один виріб.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ, ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК ЗДОБУВАЧА В РОБОТАХ, ЯКІ ОПУБЛІКОВАНІ У СПІВАВТОРСТВІ

1. Поезд С. А. Исследование разрушения хрупких неметаллических материалов при резании / С. А. Поезд, Л. П. Калафатова // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Машинобудування і машинознавство». -- Донецьк: ДонНТУ, 2005. -- Вип. № 92. -- С. 48-54. (Дисертантом теоретично досліджені особливості руйнування крихких неметалевих матеріалів при різанні в різних умовах).

2. Поезд С. А. Предпосылки решения задачи оптимизации процессов алмазного шлифования изделий из конструкционной кераміки / С. А. Поезд, Л. П. Калафатова // Резание и инструмент в технологических системах. Международный научно-техн. сборник. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2006. -- Вып. 71. -С. 56-63. (Проаналізовано цільову функцію й обмеження, які необхідно врахувати при рішенні задачі оптимізації технологічного процесу алмазно-абразивної обробки виробів із кераміки).

3. Поезд С. А. Влияния охлаждения на температурные и силовые параметры процесса шлифования, а так же на качество поверхности ситаллов при различных режимах резания / С. А. Поезд, Л. П. Калафатова // Надежность инструмента и оптимизация технологических систем. Сборник научных трудов. - Краматорск - Киев: ДДМА, 2008. -- Вып. №23. - С. 194-201. (Дисертантом експериментально досліджені вплив складу МОТС на температуру й сили в зоні обробки, а так само на величину дефектності, яка спричинена обробкою).

4. Поезд С. А. Влияние состава смазочно-охлаждающих технологических сред на тепловые и силовые характеристики процесса шлифования ситаллов / С. А. Поезд, Л. П. Калафатова // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Машинобудування і машинознавство. - Донецьк: ДонНТУ, 2008. -- Вип. 5 (139). - С. 30-39. (Дисертантом експериментально отримані математичні залежності температур і сил шліфування від режимів обробки при використанні МОТС із різними властивостями).

5. Поезд С. А. Минимизация себестоимости шлифования ситаллов / С. А. Поезд, Л. П. Калафатова // Сучасні технології в машинобудуванні. Зб. наук. праць. - Харків: НТУ “ХПИ”, 2010. - Вип.4. - С. 279-289. (Дисертантом удосконалена цільова функція, підібрані й виражені через параметри, що варіюються при рішенні задачі оптимізації, технічні обмеження. Вирішено задачу оптимізації).

6. Поезд С. А. Реализация способа рационального распределения припуска по операциям при алмазном шлифовании ситаллов / С. А. Поезд // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Машинобудування і машинознавство». - Донецьк: ДонНТУ, 2010. - Вип. №7 (167). - С.140-149.

7. Поезд С. А. Влияние режимов алмазного шлифования ситалла на себестоимость обработки / С. А. Поезд, Л. П. Калафатова // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Зб. наук. праць. - Краматорськ: ДДМА, 2010. -- Вип. № 26. -- С. 163-168. (Дисертантом розраховані параметри оптимального технологічного процесу, після чого проаналізовано вплив параметрів режиму на складові технологічної собівартості в різних умовах обробки ситалів).

8. Поезд С. А. Оптимизация технологического процесса шлифования ситаллов / С. А. Поезд, Л. П. Калафатова // Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. - Севастополь: СевНТУ, 2010. -- Вип. №111/2010. - С. 75-80. (Дисертантом розроблений спосіб оптимізації розбивки припуску по операціях згідно методу неповного видалення дефектного шару, внесеного до поверхні виробу на попередніх операціях механічної обробки).

9. Деклараційний патент на корисну модель 3838 UA, 7 В24В53/00 Спосіб правки абразивного інструмента / Калафатова Л. П., Поїзд С. А., Шевченко В. А. (Україна) - №2004032137/К. Заявлено 23.03.04; Опубл. 15.12.04, Бюл. №12, 2004. - 4 с.

10. Поезд С. А. Влияние режимов обработки на температурные и силовые параметры процесса шлифования ситалла / С. А. Поезд, Л. П. Калафатова // Сучасні технології у машинобудуванні: Зб. наук. статей. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2007. - С. 43-50. (Дисертантом експериментально встановлені математичні залежності температури й сил шліфування від режимів обробки).

11. Поезд С. А. Влияние смазочно-охлаждающих технологических сред на процесс шлифования хрупких неметаллических материалов / С. А. Поезд, Л. П. Калафатова // Сучасні технології у машинобудуванні: До ювілею Ф.Я. Якубова: Зб. наук. статей. - Харьків: НТУ «ХПІ», 2007. - С. 87-96. (Дисертантом експериментально встановлені математичні залежності впливу наявності охолодження на температуру й сили шліфування).

12. Поезд С. А. Оптимизация процессов механической обработки деталей из хрупких неметаллических материалов / С. А. Поезд, Л. П. Калафатова // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку. Матеріали У міжнародної науково-технічної конференції м. Краматорськ, 4-7 червня 2007 р. - Краматорськ: ДДМА, 2007. - С. 50. (Дисертантом запропонована математична модель оптимізації й уточнений перелік обмежень).

13. Поезд С. А. Обоснование выбора метода решения уравнения теплопроводности для модели плоского шлифования ситаллов переферией круга / Е. С. Сергеечева, С. А. Поезд, Л. П. Калафатова // Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта. Материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых г. Севастополь, 12-16 мая 2008 г. - Севастополь: СевНТУ, 2008. -- Т. 1. - С. 142-144. (Дисертантом обґрунтована доцільність рішення задачі теплопровідності методом кінцевих елементів).

14. Поезд С. А. Влияние режущей способности круга на температуру и силы при алмазном шлифовании ситаллов / С. А. Поезд, Л. П. Калафатова // Проблемы качества машин и их конкурентоспособности: Материалы 6-й Международной научно-технической конференции, г. Брянск, 22-23 мая 2008г. - Брянск: БГТУ, 2008. - С. 204-205. (Дисертантом експериментально отримані математичні залежності температур і сил шліфування від режимів обробки при використанні алмазних кругів із різною ріжучою здатністю).

15. Поезд С. А. Влияние режимов алмазного шлифования ситалла на себестоимость обработки / С. А. Поезд, Л. П. Калафатова // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку. Матеріали VIII міжнародної науково-технічної конференції м. Краматорськ, 1-4 червня 2010 р. - Краматорськ: ДДМА, 2010. - С. 43. (Дисертантом розраховані параметри оптимального технологічного процесу, після чого проаналізовано вплив параметрів режиму обробки на рівень внесеної дефектності і, як наслідок, на технологічну собівартість обробки).

АНОТАЦІЯ

Поєзд С. А. Підвищення ефективності технологічних процесів алмазного шліфування виробів із ситалів за рахунок їх багатопараметричної оптимізації. - Рукопис. технологічний шліфування ситал температура

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування. - Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет», м. Донецьк, 2011.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності технологічних процесів шліфування виробів із ситалів за рахунок їх багатопараметричної оптимізації за критерієм мінімуму технологічної собівартості з урахуванням великої кількості технічних обмежень. Для розв'язання поставленої задачі розроблено оптимізаційну модель багатоопераційного процесу плоского алмазного шліфування периферією круга виробів із ситалу АС-418. В якості цільової функції використовувалася вдосконалена залежність технологічної собівартості, виражена через параметри режиму шліфування (v, s, t). В якості обмежень враховувалися: характеристики обладнання; стан інструмента, а саме його зношення і стійкість; якість обробленої поверхні, а саме, шорсткість і дефектність при урахуванні впливу рівня сил і температур при різанні. При врахуванні обмеження по дефектності реалізована оптимізація кількості й послідовності операцій, необхідних для досягнення потрібної якості.

Досліджувалась температура, що виникає при шліфуванні ситалу в різних умовах обробки, в тому числі при використанні МОТС з різними характеристиками і були отримані математичні залежності температури від параметрів режиму різання.

Задача оптимізації вирішувалась чисельними методами нелінійного програмування. Для цього розроблена програма, призначена для проектування оптимальних ТП обробки виробів із ситалів в умовах конкретного виробництва.

Ключові слова: багатопараметрична оптимізація, алмазне шліфування, технологічна собівартість, температура шліфування ситалу, МОТС, диспергуюча здатність, дефектність.

Поезд С.А. Повышение эффективности технологических процессов алмазного шлифования изделий из ситаллов за счет их многопараметрической оптимизации. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. - Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, 2011.

Диссертация посвящена повышению эффективности технологических процессов шлифования изделий из ситаллов за счет их многопараметрической оптимизации по критерию минимума технологической себестоимости обработки с учетом большого количества технических ограничений. Для решения поставленной задачи разработана оптимизационная модель многооперационного процесса плоского алмазного шлифования периферией круга изделий из ситалла АС-418. В качестве целевой функции использовалась усовершенствованная зависимость технологической себестоимости, выраженная через варьируемые параметры - параметры режима шлифования (v, s, t). В качестве ограничений учитывались: характеристики оборудования; состояние инструмента - его износ и стойкость; качество обработанной поверхности, а именно, шероховатость и дефектность при учете влияния на глубину и структуру дефектного слоя уровня сил и температур при резании.

При учете ограничения по дефектности размеры и глубина проникновения дефектов, вызванных обработкой, должны удовлетворять требованиям качества по этим параметрам на заключительной операции. На промежуточных операциях параметры режима обработки назначались, исходя из равенства дефектов, вносимых в ОМ на рассматриваемой операции, дефектам, внесенным в обрабатываемую поверхность на предшествующей операции обработки. Такой подход позволил при решении задачи оптимизации учесть технологическую наследственность предшествующей обработки и оптимизировать количество и последовательность операций, необходимых для достижения требуемого качества изделия.

Впервые исследовались уровень температур, возникающих при шлифовании ситаллов для рассматриваемых условий обработки, и влияние температуры на дефектность, а так же влияние характеристик СОТС на эти явления. В результате были получены математические зависимости температуры, возникающей при шлифовании ситалла, от параметров режима в различных условиях обработки. Эти зависимости использовались в качестве технических ограничений при решении задачи оптимизации.

Исследования температуры, возникающей при шлифовании ситаллов, подтвердили необходимость использования при их обработке СОТС.

Установлено комплексное влияние характеристик СОТС (смазывающего и диспергирующего действий) на уровень температур и сил, возникающих при шлифовании ситаллов. Среды, обладающие одинаковыми охлаждающими свойствами, при наличии минимального количества соответствующих добавок, от 2-х до 3-х раз меняют уровень температуры и составляющих силы резания, что дает основание считать уровень поверхностной активности СОТС по отношению к ОМ одним из действенных факторов влияния на эффективность процесса, и использовать это при решении задачи оптимизации.

Качественная оценка влияния условий протекания процесса шлифования ситаллов на уровень дефектности, вызванной обработкой, позволила сделать следующий вывод. При шлифовании ситаллов с использованием СОТС диспергирующее свойство среды по отношению к обрабатываемому материалу в большей мере способствует снижению дефектов, нежели охлаждающее.

Решение задачи оптимизации, связанное с исследованием нелинейной целевой функции с нелинейными ограничениями, имеющими вид кусочно-гладких функций, осуществлялось численными методами нелинейного программирования. В результате разработана программа, предназначенная для проектирования оптимальных ТП обработки изделий из ситаллов в условиях конкретного производства, которая была внедрена на ОАО НИИ «Изотерм». Выданные рекомендации по организации ТП обработки подложек микросхем из ситалла обеспечили снижение технологической себестоимости обработки на 15%, благодаря чему получен ожидаемый экономический эффект 2518 руб (630 грн) на одно изделие.

Ключевые слова: многопараметрическая оптимизация, алмазное шлифование, технологическая себестоимость, температура шлифования ситалла, СОТС, диспергирующая способность, дефектность.

Poiezd S. A. Increase of the Efficiency of Technological Processes of Diamond Grinding of Products From Sitalls by Means of Their Huge Parametrical Optimization Quality.- Manuscript.

Thesis for Candidate Degree (PhD) of technical sciences, on speciality 05.02.08 - machine-engineering technology. - Donetsk National Technical University, Donetsk, 2011.

Dissertation aims to increase the efficiency of technological processes of grinding of the items of equipment made of sitall by means of their huge parametrical optimization quality taking into account the criterion of a minimization of the technological cost price and respecting a considerable amount of limitations. In order to find an efficient solution, an optimisation model of multioperational flat diamond grinding has been constructed by periphery of a circle of items of equipment from sitall АС-418. In the capacity of objective function the advanced dependence of the technological cost price, expressed through variable parameters of a condition of grinding (v, s, t), has been used. To acknowledge the limitations we have incorporated equipment performances; tool condition, namely its wear and durability; quality of the generated surface, mainly a roughness and presence of defects regarding level of force and temperature while been cut. Considering the limitations regarding the defectiveness we implement quantity optimisation and operations successiveness to reach the appealing quality.

We study the temperature of grinding of sitall within various conditions, including the use of the lubricating cooling liquid with different characteristics; we obtained mathematical function of temperature from the parameters of the processing mode.

Optimization problem has been solved by numerical methods of nonlinear programming. As a result, we designed a program assigned for optimal technological processes for manufacturing goods made of sitall in a specific production .

Keywords: multiparameter optimization, diamond grinding, production cost, the temperature of sitall grinding, the lubricating cooling liquid, dispersing power, defectiveness.

Размещено на Allbest.ru

...