Підвищення ефективності процесу алмазного свердління крихких неметалічних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.923

Спеціальність 05.03.01 - Процеси механічної обробки,

верстати та інструменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підвищення ефективності процесу алмазного свердління крихких неметалічних матеріалів

Рощупкін Станіслав Іванович

Севастополь - 2011



Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі «Технологія машинобудування» в Севастопольському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Братан Сергій Михайлович, Севастопольський національний технічний університет, м. Севастополь, завідувач кафедри «Технологія машинобудування»

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Сохань Сергій Васильович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ, провідний науковий співробітник відділу перспективних ресурсозберігаючих технологій механообробки інструментами з НТМ

кандидат технічних наук, Головін Василь Ігорович, Севастопольський національний технічний університет, м. Севастополь, старший викладач кафедри «Автоматизація технологічних процесів та виробництв»

Захист відбудеться «27» вересня 2011 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К50.052.01 в Севастопольському національному технічному університеті за адресою: 99053, м. Севастополь, вул. Університетська, 33, конференц-зал FESTO.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Севастопольського національного технічного університету за адресою: 99053, м. Севастополь, вул. Університетська, 31.

Автореферат розісланий «26» серпня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К50.052.01 О.О. Харченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З кожним роком зростає кількість і номенклатура неметалічних матеріалів, які використовуються як конструкційні. Це викликано їх особливими фізико-механічними властивостями: стійкість до високих температур, висока зносостійкість, корозійностійкість і твердість, низька питома вага, механічна міцність, низька теплопровідність, високі діелектричні властивості.

Не дивлячись на вищезгадані переваги, вживання неметалічних матеріалів стримується через складності процесів їх механічної обробки, пов'язаних з особливостями фізико-механічних властивостей неметалічних матеріалів (висока твердість, схильність до крихкої руйнації при місцевій незначній концентрації напруги) з одного боку, недостатньою вивченістю методів механічної обробки з іншого.

Одним з актуальних завдань при обробці неметалічних матеріалів є розробка оптимальних процесів формоутворення отворів. Не дивлячись на велику кількість способів обробки отворів (ультразвукова розмірна обробка вільним абразивом, лазерна обробка, хімічний і фотохімічний спосіб) найбільш ефективним способом є алмазне свердління кільцевими свердлами.

Алмазне свердління в основному ведеться на універсальних і спеціальних свердлильних, а також фрезерних і токарних верстатах. Використання високо-продуктивного устаткування з ЧПК стримується через відсутність математичних моделей, що адекватно описують поведінку технологічної системи.

В даний час алмазне свердління здійснюється із застосуванням традиційних методів, що не враховують стохастичну природу процесу, знижують стабільність показників якості виготовлюваних виробів. Для забезпечення якості обробки отворів технологічні режими призначаються виходячи з несприятливих умов, наприклад, відновлення ріжучих властивостей зношеного свердла провадиться значно раніше, ніж того вимагає його дійсний стан. При прогнозуванні стану технологічної системи (ТС) використовуються детерміновані моделі протікання технологічного процесу (ТП), здійснювані із застосуванням традиційних режимів різання і способів управління.

Разом з тим, процеси свердління отворів алмазними свердлами мають складну стохастичну природу. При свердлінні отворів стан ТС змінюється з часом, різальна поверхня інструменту суттєво зношується, за період стійкості змінюється його різальна здатність, що наводить до появи великої кількості дефектів, і не дозволяє використовувати всі можливості процесу при свердлінні отворів в неметалічних матеріалах.

Необхідне комплексне розв'язання цих питань, сукупність яких є невирішеним до теперішнього часу завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано на кафедрі “Технологія машинобудування ” Севастопольського національного технічного університету (СевНТУ). Вона і є складовою частиною наукових досліджень, проведених кафедрою в рамках комплексного плану досліджень Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України з проблеми підвищення якості деталей при механічній обробці. Тема дисертаційної роботи відповідає науковій тематиці факультету «Технологія і автоматизація машино-приладобудування та транспорту» СевНТУ в області розробки прецизійних методів обробки. Результати, отримані автором дисертації, використані при виконанні держбюджетної роботи «Основи створення систем управління процесами обробки матеріалів інструментами, що обертаються» (2009-2011рр., номер реєстрації 0109U001703).

Мета дисертаційної роботи - розробка моделей і методів процесу свердління отворів алмазними свердлами в крихких неметалічних матеріалах і оптимізація на їх основі високопродуктивних циклів управління процесом алмазного свердління. алмазний свердління отвір крихкий

Основні завдання дослідження:

Вивчити поведінку процесу алмазного свердління як ТС при дії на неї вхідних, управляючих і збурюючих дій, що змінюються.

Дослідити закономірності видалення матеріалу при алмазному свердлінні крихких неметалічних матеріалів, розробити аналітичні залежності для розрахунку знімання матеріалу, сил різання і зносу інструменту в процесі алмазного свердління з врахуванням складної стохастичної природи процесу і здійснити експериментальну перевірку адекватності цих моделей.

Виявити і формалізувати взаємозв'язки між технологічними параметрами і якістю свердління отворів при алмазному свердлінні крихких неметалічних матеріалів.

Шляхом імітаційного моделювання методом скінчених елементів процесу взаємодії алмазного зерна і оброблюваного матеріалу дослідити вплив режимів обробки на механізми видалення матеріалу, дати кількісну оцінку складової знімання за рахунок крихкої об'ємної руйнації.

Розробити скінчено-елементні моделі для розрахунку товщини бічних сколів на виході отвору при різних схемах закріплення заготовки при алмазному свердлінні отворів.

Розробити методику розрахунку режимів обробки для алмазного свердління отворів в крихких неметалічних матеріалах, яка враховує зміну стану елементів ТС з часом.

Експериментально підтвердити достовірність і ефективність результатів досліджень і виконати оцінку їх ефективності при дослідно-промисловій експлуатації.

Об'єктом дослідження є процес алмазного свердління отворів в деталях з крихких неметалічних матеріалів.

Предметом дослідження є закономірності видалення матеріалу при формоутворенні отворів в деталях з крихких неметалічних матеріалів при алмазному свердлінні.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися на базі наукових основ теорії різання, системного аналізу, теорії випадкових процесів, лінійної алгебри, теорії інформації. Імітаційне моделювання виконувалося методом скінчених елементів в програмних середовищах LS-DYNA та ANSYS Workbench. При перевірці адекватності моделей застосовані методи моделювання, що базуються на аналітичному і чисельному експерименті, а також на експериментальній перевірці результатів моделювання в лабораторних і виробничих умовах. Достовірність запропонованих в дисертаційній роботі математичних моделей, методик, рекомендацій і висновків підтверджується експериментальними дослідженнями в лабораторних і виробничих умовах.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі системного підходу до дослідження процесів різання і основних положень теорії різання в роботі отримані наступні нові наукові результати:

Розроблені концептуальні положення створення оптимальних процесів свердління отворів в крихких неметалічних матеріалах, що дозволяють забезпечувати формоутворення отворів із заданими параметрами якості.

На основі наукового положення про те, що процес алмазного свердління може бути представлений як взаємодія випадкових полів алмазного свердла і заготовки вперше встановлені взаємозв'язки і закономірності формування знімання матеріалу і зносу інструменту, як результат одночасно протікаючих процесів: механічного різання і крихкої об'ємної руйнації матеріалу в зоні контакту алмазного свердла і заготовки в ході процесу алмазного свердління з поточними параметрами ТС та їх зміною з часом, а також вихідними параметрами процесу.

Розроблені скінчено-елементні моделі, що встановлюють взаємозв'язки між режимами свердління і товщиною бічних сколів на виході отвору при різних схемах закріплення заготовки.

На основі скінчено-елементного моделювання процесу взаємодії одиничного алмазного зерна і оброблюваного матеріалу дана кількісна оцінка зв'язку між режимами алмазного свердління крихких неметалічних матеріалів і складовими знімання матеріалу за рахунок механічного різання і крихкої руйнації, що дозволяє прогнозувати формування дефектного шару на поверхні.

Вперше запропонована оптимізаційна модель проектування оптимальних циклів управління процесом алмазного свердління, що дозволяє для будь-якого етапу процесу при різних алгоритмах зміни режимів визначати фазові координати вектора станів ТС, мінімізувати час або собівартість обробки і підтримувати оптимальним стан різального інструменту впродовж всього періоду стійкості. Модель побудована з врахуванням зміни стану робочої поверхні інструменту, враховує стохастичний характер процесу, силову взаємодію інструменту і заготовки, дозволяє диференційовано оцінювати роль окремих чинників на вихідні параметри процесу.

Практичне значення отриманих результатів. Застосування розроблених теоретичних методів дозволило розробити керовані технологічні процеси обробки заготовок на операціях алмазного свердління, що забезпечують високу стабільність показників якості оброблених деталей при значному підвищенні продуктивності процесу.

Результати виконаних досліджень впроваджені на Севастопольському ювелірному заводі ТОВ «Санси плюс». Річний економічний ефект при обробці напівдорогоцінних та виробних каменів склав 23,4 тис. гривень на один верстат за цінами 2011 року.

Достовірність отриманих результатів. Достовірність результатів роботи забезпечується коректністю постановки завдань при побудові математичних моделей, обґрунтованістю прийнятих допущень, використанням математично коректних методів. Адекватність отриманих результатів підтверджена експериментальною перевіркою і результатами впровадження на виробничих підприємствах.

Особистий внесок автора. Наукові результати, що увійшли до дисертації, отримані автором самостійно. Автор виконав постановку й формулювання наукового завдання, мети і завдань роботи; розробку нового методологічного підходу для підвищення ефективності процесу алмазного свердління крихких неметалічних матеріалів. Постановка завдань і обговорення наукових результатів виконана разом з науковим керівником. Достовірність наукових результатів підтверджена великим об'ємом експериментальних досліджень, виконаних з використанням сучасних методик, устаткування і апаратури.

Апробація роботи. Основні положення, результати і висновки докладалися на науково-технічних конференціях і семінарах: професорсько-викладацького складу СевНТУ у 2007 - 2011 рр.; всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції «Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво» (м. Запоріжжя, 2009 р.); міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Прогресивні напрями розвитку машино-приладобудувальних галузей та транспорту» (м. Севастополь, 2008 р.); всеукраїнській науково-технічній конференції «Сучасні напрями і перспективи розвитку технологій обробки і устаткування в машинобудуванні» (Севастополь, 2010р., 2011р.).

У повному обсязі дисертація була розглянута та отримала позитивні відгуки на семінарах у Севастопольському національному технічному університеті.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 робіт, з них 6 у виданнях, рекомендованих ВАК України, 2 - без співавторів, а також 1 теза доповіді на конференції.

Структура і обсяг роботи. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних джерел з 172 найменувань і 3 додатків. Основний текст викладений на 147 сторінках, містить 49 рисунків і 7 таблиць. Загальний обсяг роботи становить 177 сторінок.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображена актуальність теми і обґрунтована необхідність підвищення ефективності процесу алмазного свердління крихких неметалічних матеріалів; позначені напрями дослідження; визначені мета і завдання дослідження; перераховані основні результати з оцінкою їх наукової новизни і практичного значення, описана структура роботи.

Першій розділ присвячений аналізу сучасного стану досліджуваного питання та формуванню завдань, вирішення яких необхідне для досягнення поставленої мети.

Процес алмазного свердління застосовується для свердління отворів в підкладках мікросхем з ситалу, полікору, германію і так далі, різних датчиках, фазообертачах, резонаторах, фільтрах, оптичних приладах, камінні для ювелірної і годинникової промисловості.

Алмазне свердління є складним видом механічної обробки, при якому вся різальна торцева поверхня знаходиться в постійному контакті з оброблюваним матеріалом. При алмазному свердлінні відсутнє вільне видалення шламу із зони різання, тому свердління здійснюється при обов'язковому використанні мастильно-охолоджуючих технологічних середовищ (МОТС). Для свердління використовуються алмазні свердла. Найбільшого поширення набули свердла кільцевої форми. Вживання свердел цього типу дає можливість понизити осьове навантаження на інструмент і поліпшити підведення МОТС в зону різання, що забезпечує високу продуктивність і якість обробки, знижує витрату алмазів.

При свердлінні отворів в деталях з вищезгаданих матеріалів пред'являються високі вимоги до шорсткості поверхні та величини бічних сколів на виході отвору. В більшості випадків для отворів в неметалічних матеріалах шорсткість поверхні повинна знаходитися в межах Ra=0,63-1,25 мкм, товщина бічних сколів не повинна перевищувати 0,2 мм. Точність діаметрального розміру при алмазному свердлінні визначається точністю інструменту, характером його зносу і точністю використовуваного устаткування. У загальному випадку використання алмазних свердел досягається точність обробки отворів по 9-12-у квалітету.

В даний час свердління неметалічних матеріалів в основному ведеться на універсальних і спеціальних свердлильних, а також фрезерних і токарних верстатах. Використання високопродуктивного устаткування з ЧПК і з системами адаптивного керування стримується через відсутність математичних моделей, що адекватно описують поведінку ТС з врахуванням складної стохастичної природи процесу алмазного свердління. Існуючі рекомендації з призначення режимів обробки базуються на емпіричних детермінованих моделях, не досить точних для опису стохастичних нестаціонарних процесів, таких як процес алмазного свердління.

Фундаментальні положення забезпечення якості в теорії абразивно-алмазноі обробки відображені в дослідженнях: Аврутіна Ю.Д., Байкалова А.В., Бакуля В.М., Беззубенка М.К., Богомолова Н.І., Бокучави Г.В., Братана С.М., Внукова Ю.М., Грабченка А.І., Гусєва В.В., Доброскока В.Л., Калафатової Л.П., Кальченка В.І., Корчака С.М., Маслова Є.Н., Новосьолова Ю.К., Петракова Ю.В., Соханя С.В., Худобіна Л.В., Якимова О.В. та багатьох інших.

Безпосередньо дослідженням процесу алмазного свердління крихких неметалічних матеріалів займалися Бойцова Л.В., Ногін І. С., Лістунов Л.С. Найбільш всебічні дослідження процесу алмазного свердління неметалічних матеріалів (НМ) зроблені Баликовим О.В.

Аналіз досліджень в області оброблюваності НМ алмазними інструментами показує складність процесів формування знімання. При алмазному свердлінні НМ видалення матеріалу в зоні контакту відбувається за рахунок комбінації процесів мікрорізання - сколювання і крихкої об'ємної руйнації. Проте існуючі дослідження в цій області не дозволяють достовірно судити про долю крихкої руйнації в процесі знімання матеріалу.

Огляд існуючих досліджень показує, що, не дивлячись на чималу кількість робіт, присвячених питанням моделювання процесів алмазного шліфування, для алмазного свердління все ще не розроблені аналітичні залежності, що дозволяють адекватно описувати процес з врахуванням його складної стохастичної природи. Найбільш перспективним представляється ймовірнісний підхід до моделювання, запропонований Новосьоловим Ю.К. Аналізуючи його математичну модель шліфування можна відзначити, що вона показує адекватну картину при описі процесів шліфування, але вимагає подальшої доробки для процесу алмазного свердління крихких НМ і не може безпосередньо бути використана при розрахунку циклів програмного управління процесом алмазного свердління.

Наявність адекватних моделей дозволить розробляти граничні цикли управління процесом алмазного свердління, що дасть можливість здійснювати процес максимально ефективно на устаткуванні з ЧПК при стабільних показниках якості.

У другому розділі наводяться результати математичного моделювання процесу алмазного свердління.

Для вивчення структури процесу алмазного свердління вона була розбита на окремі підсистеми: верстат, пристосування, інструмент, заготовка, МОТС, зона контакту заготовки з інструментом, яка є областю взаємного проникнення алмазних зерен в оброблюваний матеріал і виступів нерівностей заготовки в проміжки між зернами. У зоні контакту протікають складні процеси, не властиві окремо ні інструменту, ні заготовці. Зона контакту є центральною підсистемою даної схеми. Видалення матеріалу в зоні контакту відбувається в результаті взаємодії процесів мікрорізання і крихкої об'ємної руйнації.

При русі формотворних елементів в просторі оброблюваної деталі різальні кромки інструменту формують поверхні, сукупність яких може розглядатися як формотворне поле. Активна частина поля характеризується числом, формою і розмірами елементів поля, їх розподілом, відстанню між вершинами. Розміри зони контакту знаходяться в прямому зв'язку з розмірами і просторовим розташуванням інструменту і заготовки, станом поверхонь свердла і заготовки. У зв'язку із зміною розмірів, просторового розташування і стану контактуючих поверхонь при кожному новому оберті інструменту змінюватимуться і параметри стану зони контакту, і, як наслідок, показники якості й ефективності процесу свердління.

На основі схеми процесу алмазного свердління (рис. 1) в роботі було отримано рівняння (1), що характеризує баланс переміщень в ТС і дозволяє визначати величину подачі для будь-якого моменту часу:

, (1)

де - фактична глибина мікрорізання; - знімання матеріалу; - знос інструменту; - деформації в технологічній системі.

У даному рівнянні невідомими є величина знімання матеріалу, знос інструменту, а також деформації в системі, для визначення яких необхідно знати силові параметри процесу.

Рис. 1. Схема процесу алмазного свердління

При використанні теоретико-ймовірнісного підходу до моделювання процесів в дисертації отримані залежності (2) для розрахунку ймовірності невидалення матеріалу в будь-якій точці зони контакту, з врахуванням одночасно протікаючих процесів мікрорізання-сколювання і крихкої об'ємної руйнації. Вони дозволяють прогнозувати знімання матеріалу, диференційовано оцінювати вплив окремих чинників на параметри якості деталі і швидкість протікання процесу.

(2)

,

де - ймовірність видалення матеріалу; - показник, що визначає вихідну шорсткість поверхні; , -коефіцієнти форми зерна; - показник залежності, що характеризує розподіл зерен; - значення ймовірності сколювання, що є характеристикою конкретного матеріалу; - відстань від зовнішньої поверхні заготовки до розглядаємого рівня; - величина знімання; - величина приросту знімання за рахунок крихкої руйнації; - кількість зерен в одиниці об'єму робочого шару інструмента; -окружна швидкість інструмента; -величина шару робочої поверхні інструмента, в межах якої підраховується ; -коефіцієнт стружкоутворення; -показник степені, залежний від конкретних умов свердління.

Для вирішення розглянутих рівнянь необхідно знати величину приросту знімання за рахунок крихкої руйнації в процесі розвитку мікротріщин в поверхневому шарі. Одним із шляхів визначення є моделювання процесу на ЕОМ, що було зроблене в третьому розділі.

У роботі були отримані аналітичні залежності для розрахунку складових сили різання з врахуванням зносу алмазних зерен:



; (3)

,(4)

де - кут між рівнодіючою сили різання R і швидкістю різання ; - кут зсуву; - середня дотична напруга в площині зрушення; - коефіцієнт тертя; -ширина алмазоносного шару; D -діаметр свердла; -максимальний знос зерна.

У даних моделях враховується вплив на сили різання геометрії, характеристик і стану робочої поверхні інструменту, фізико-механічних властивостей оброблюваного матеріалу і величини подачі, яка визначає максимальну глибину мікрорізання. Отримані залежності дозволяють визначити силові параметри процесу алмазного свердління і підібрати характеристики інструменту так, щоб забезпечити обробку отворів із заданою якістю.

Для оцінки зносу алмазного свердла в роботі було отримано інтегро-диференційоване рівняння:

, (5)

де - частота обертання свердла; - відносний знос, що визначається за рівнянням:



, (6)

де - температуропровідність оброблюваного матеріалу; - осьова сила різання; - швидкість різання; - час одиничного контакту алмазного зерна, - час генерування тепла; -площа контакту алмазного зерна, - теплопровідність алмазу; - емпіричні коефіцієнти; - нормальний тиск на поверхні контакту; - коефіцієнт, що визначається матеріалами тертьових тіл.

Отриманий формалізований опис процесу алмазного свердління дозволяє оцінювати стан технологічної системи і служить основою для побудови граничних циклів управління.

У третьому розділі наводяться результати експериментальних досліджень процесу алмазного свердління.

Основними цілями дослідження були:

Визначення впливу основних технологічних чинників (зернистість інструменту З, подача S, мікротвердість заготовки Нv та швидкість різання V) на параметри процесу (осьова сила різання і шорсткість поверхні), здобуття регресійних залежностей для розрахунку шорсткості поверхні, яка використовуватиметься як технічне обмеження при побудові граничних циклів управління процесом, і осьової сили різання, необхідної для перевірки адекватності розробленої теоретичної залежності.

Імітаційне моделювання роботи зерна з метою визначення складової знімання за рахунок крихкої об'ємної руйнації.

Перевірка адекватності математичних моделей за розрахунком знімання матеріалу.

Дослідження впливу тиску МОТС і способу його підведення на процес свердління.

Імітаційне моделювання бічних сколів.

Дослідження проводилися в лабораторіях СевНТУ і у виробничих умовах севастопольського ювелірного заводу ТОВ «Санси плюс» при безпосередній участі автора.

Для проведення досліджень за визначенням впливу основних технологічних чинників на параметри процесу (осьова сила різання і шорсткість поверхні), використовувалася методика повнофакторного експерименту 24.

Після обробки даних була отримана наступна залежність для визначення осьової сили різання:

. (7)

Для розрахунку шорсткості поверхні була отримана наступна залежність:

. (8)

Аналіз отриманих розрахункових формул однозначно показує, що на силу різання впливає зернистість інструменту З, подача S і мікротвердість заготовки Нv, вплив же швидкості різання V незначний, проте швидкість різання робить вплив на шорсткість поверхні. Із збільшенням швидкості різання відбувається зменшення шорсткості. Збільшення подачі наводить до збільшення осьової сили різання і шорсткості. Із збільшенням зернистості відбувається зменшення сили різання, проте збільшується шорсткість. Матеріали з високою твердістю обробляються із значно більшими осьовими зусиллями, ніж м'якші, хоча шорсткість поверхні при цьому знижується.

Результати розрахунків осьової сили різання за теоретичними залежностями, розробленими в другому розділі, порівнювалися з результатами експериментальних досліджень і свідчать про адекватність розроблених моделей. Крім того, дані результати побічно підтверджують адекватність моделей за розрахунком зносу інструменту, оскільки знос входить в рівняння з розрахунку сил різання.

Моделювання процесу взаємодії зерна з оброблюваним матеріалом виконувалося в програмному середовищі LS-DYNA, яке базується на методі кінцевих елементів. У якості оброблюваного матеріалу була вибрана оксидна кераміка Al2O3. Метою моделювання було визначення величини крихкої руйнації, а також виявлення закономірностей її зміни залежно від режимів різання.

Для опису властивостей матеріалу заготовки була використана інтегрована в LS-DYNA модель Джонсона-Холмкуїста. Дана модель була розроблена для опису поведінки крихких матеріалів, таких як скло, кераміка і інші під дією навантажень.

На рис. 2 представлені результати розрахунку, якими є епюри. За даними епюрами визначається величина приросту знімання за рахунок крихкої руйнації. На рис. 3 представлені результати розрахунку величини крихкої руйнації в залежності від швидкості та глибини різання.

Перевірку адекватності математичних моделей з розрахунку знімання, розроблених в другому розділі, реальному процесу алмазного свердління виконували порівнянням розрахункових і експериментальних даних (рис. 4). Адекватність моделей перевіряли по інтенсивності знімання матеріалу. Теоретичні значення інтенсивності знімання матеріалу визначалися множенням розрахункової величини знімання на частоту обертання інструменту. Експериментальні значення визначалися діленням товщини заготовки на час свердління.

Відносна похибка розрахункових і експериментальних даних, викликана прийнятими наближеннями, не перевищує 10-15%, що вказує на достатній рівень адекватності розроблених моделей.



Рис. 2. Епюри руйнувань для глибини різання 0,01 мм при швидкості різання : 1)--1,5 м/с; 2)--4,4 м/с; 3)--7 м/с

Рис.3. Результати розрахунку величини крихкого руйнування:

1--t=0,015 мм; 2--t=0,010 мм; 3--t=0,005 мм

Рис.4. Вплив подачі і швидкості різання на величину інтенсивності знімання: 1--V=1,57 м/с; 2--V=0,53 мм/с (розрахункове значення); 3--V=1,57 мм/с; 4--V=0,53 мм/с (експериментальне значення)

У роботі було досліджено вплив тиску МОТС, а також конструкції свердла на осьову силу різання і шорсткість поверхні.

Встановлено, що шорсткість поверхні збільшується при підвищенні тиску МОТС до 0,12 МПа. Подальше збільшення тиску наводить до поступового зменшення шорсткості. Що стосується сили різання, то із збільшенням тиску МОТС до 0,15 МПа відбувається зменшення сили різання, проте після збільшення тиску вище 0,15 МПа вона починає знову збільшуватися.

Таким чином, можна зробити висновок про те, що існує деяке значення тиску МОТС (в даному випадку 0,15 МПа), при якому досягається оптимальне співвідношення між якістю отримуваної поверхні і режимом роботи інструменту. Отриманий оптимальний тиск МОТС відповідає результатам розрахунків з теоретичними залежностями Баликова О.В., що говорить про можливість використання даних залежностей при розробці високопродуктивних циклів управління процесом алмазного свердління.

На процес циркуляції МОТС робить вплив конструкція свердла. Для визначення цього впливу був проведений порівняльний експеримент. У експерименті використовувалися 2 типи свердел: 1- з пазами на торці, 2- без пазів. Обробка проводилася на однакових режимах. Результати експерименту показали, що наявність пазів на торці свердла не робить значного впливу на сили різання що виникають при обробці, проте дозволяє зменшити шорсткість поверхні до 25 %.

У роботі розроблені кінцево-елементні моделі сколооутворення, що дозволяють визначати товщину бічних сколів при різних способах закріплення заготовки з метою визначення найбільш ефективної схеми закріплення, а також з метою використання їх при розрахунках високопродуктивних граничних циклів управління процесом.

Моделювання виконувалося в програмному середовищі ANSYS Workbench (рис. 5). При моделюванні розглядався випадок статичного навантаження.

Рис. 5. Епюри поширення еквівалентної напруги

Динамічні явища не враховувалися. В ході моделювання використовувалося два крітерії руйнації: критерій максимальних головних напружень та крітерій міцності за фон Мізесом. Передбачалося, що утворення бічного сколу відбувається в тому випадку, якщо напруження (максимальні головні або еквівалентні) досягають межі міцності матеріалу при розтягуванні. Товщина сколу визначалася, як різниця між товщиною деталі і глибиною різання, при якій відбувається утворення сколу.

У роботі розглядалися 3 схеми закріплення заготовки. 1 - на металевій плиті з отвором; 2 - на металевій плиті з гумовою підкладкою; 3 - на скляній підкладці. Для схем 1 і 2 розглядалося по два випадки навантаження: при діаметрі отвору в підкладці рівному 14 мм і 22 мм.

За результатами розрахунку (табл. 1) можна зробити наступні висновки:

Бічні сколи можуть бути зменшені до допустимих значень лише за рахунок зміни схеми закріплення заготовки без зміни режимів різання, а, отже, і без втрати продуктивності.

При установці заготовки на металевій плиті спостерігаються найбільші бічні сколи, зменшення діаметру отвору в плиті наводить лише до незначного зменшення їх величини.

Значне зменшення бічних сколів можливе в разі закріплення заготовки на металевій плиті з гумовою підкладкою.

Найбільш ефективним вживання гумової підкладки стає при зменшенні діаметру отвору в плиті.

Практично повне усунення бічних сколів можливе лише в разі використання схеми закріплення на скляній підкладці.

Таким чином, для більшості випадків алмазного свердління достатнім є використання схеми закріплення на металевій плиті з гумовою підкладкою, проте для здобуття оптимальних результатів діаметр отвору в плиті має бути лише на декілька міліметрів більше діаметру свердла. Даний спосіб закріплення є менш трудомістким, ніж закріплення з приклейкою до скляної підкладки і для його реалізації можливе використання механізованих і автоматизованих пристроїв.

Експериментальна перевірка результатів моделювання говорить про достатню міру адекватності застосованого методу (при застосованні критерію максимальних головних напружень), і про можливість його використання при формуванні технічних обмежень при розрахунках високопродуктивних циклів управління процесом.

Таблиця 1 - Результати розрахунків

Схема закріплення	Товщина бічного сколу, мм
1. На металевій плиті з отвором Ш14 мм	0,85
2. На металевій плиті з отвором Ш22 мм	0,86
3. На металевій плиті з гумовою підкладкою Ш14 мм	0,089
4. На металевій плиті з гумовою підкладкою Ш22 мм	0,22
5. На скляній підкладці	Менше 0,01

Четвертий розділ присвячено розробці методики розрахунку граничних циклів управління процесом на основі теоретичних і експериментальних досліджень. Також у розділі представлені результати виробничих випробувань отриманих рішень.

Найбільш простим виглядом управління процесом алмазного свердління є регулювання величини подачі інструменту за заздалегідь заданим законом.

Для побудови граничних циклів було виконано формалізований опис обмежень, основними з яких є: допустима величина зносу ; - виліт зерна над зв'язкою; допустима шорсткість поверхні і товщина бічного сколу; допустима осьова сила різання; швидкість обертання і подача інструмента .

З врахуванням розроблених в роботі залежностей і сформованих обмежень в дисертації побудована оптимізаційна модель, яка містить в своєму складі сімейство цільових функцій, що дозволяє здійснювати розрахунок граничних циклів у відповідності з різними вимогами.

Наприклад, при постійності капітальних витрат - завдання зводиться до оптимізації по швидкодії. Як критерій ефективності, приймається штучний час на обробку однієї деталі, яке обчислюється по товщині просвердлюваної деталі і хвилинному зніманню.

При оптимізації по швидкості найбільш переважним є алгоритм покоординатного спуску Пауела через простоту реалізації і досить високу швидкість збіжності. Даний алгоритм дозволяє вирішити завдання побудови високопродуктивних граничних циклів алмазного свердління, при яких забезпечується мінімально можливий машинний час обробки деталей при обмеженнях якості поверхні.

Розрахунок циклу може здійснюватися в наступній послідовності:

По математичних моделях, розроблених в розділі 2, а також за допомогою імітаційного моделювання крихкої руйнації на ЕОМ розраховується значення швидкості знімання матеріалу при мінімальних значеннях фактичної глибини мікрорізання, а також швидкості обертання інструменту.

Задається приріст фактичній глибині і розраховуються всі технологічні показники (величини сили різання, зносу інструменту і шорсткості поверхні). Отримані результати порівнюються з технологічними обмеженнями. Якщо отримана точка фазового простору виявляється за межами досягнутої області хоча б за одним з параметрів, то зменшується величина приросту . При попередніх розрахунках обмеження сили різання по величині бічного сколу не враховується, оскільки величина може виявитися дуже низькою для здійснення високопродуктивного процесу свердління. Воно враховуватиметься надалі.

Розраховується швидкість знімання при набутих значеннях і порівнюється з попередньою. Якщо отримане значення виявилося більше попереднього, то дається приріст по наступній змінній, інакше зменшується .

Описані вище процедури повторюються для всіх останніх змінних, значення яких нарощуються до тих пір, поки не досягнуть точки екстремуму або точки границі, що максимально наближається до неї.

Через рівняння балансу розраховується величина подачі інструменту.

Методом кінцево-елементного моделювання розраховується величина бічного сколу, який би міг утворитися при розрахунковій величині сили різання.

Після цього, виходячи з допустимої технічними вимогами креслення величини бічних сколів, розраховується величина осьової сили різання, при якій відбувається утворення сколу.

Визначається величина подачі, при якій досягається дане значення сили різання.

Таким чином, подача інструменту повинна поступово знижуватися до значення від точки до точки .

10. Аналогічні розрахунки повторюються для подальших деталей. При цьому через знос інструмента режими різання будуть поступово зменшуватися, а тривалість циклу збільшуватися. Це відбуватиметься до тих пір, поки знос інструменту не досягне критичного значення. На рис. 6 представлений приклад граничного циклу.

Рис.6. Графік залежності величини подачі від часу свердління при обробці 1-го, 17-го і 25-го отворів

Апробація запропонованої методики розрахунку циклів управління процесом алмазного свердління проводилася у виробничих умовах Севастопольського ювелірного заводу ТОВ «Санси плюс» при обробці виробів з ювелірних каменів. Впровадження запропонованої методики дозволило збільшити продуктивність обробки виробів в 2-4 рази, порівняно з обробкою на універсальному устаткуванні, значно скоротити величину бічних сколів (на 60%) на виході отвору, а також підвищити термін служби інструменту (у 2 рази). Річний економічний ефект від впровадження методики на ТОВ "Санси плюс" склав 23400 грн/рік.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Для забезпечення стабільності якості свердління отворів в крихких неметалічних матеріалах алмазними свердлами процес алмазного свердління розглянутий як динамічна система, де формоутворення поверхні досліджується не лише в просторі, але і в часі. На основі системного підходу розглянута структура процесу алмазного свердління, сформульовані основні положення і принципи аналізу процесу алмазного свердління. При структурному аналізі процес алмазного свердління розділена по функціональних ознаках на підсистеми верстата, пристосування, інструменту, деталі, МОТС, зони контакту. Визначені вхідні, вихідні змінні і параметри стану кожної з підсистем.

2. Для створення адекватної моделі розглянута схема процесу алмазного свердління, в якій враховано, що алмазні зерна не мають регулярної геометрії, розташовані на робочій поверхні інструменту на різних рівнях, при роботі зношуються і руйнуються. На основі розглянутої схеми процесу алмазного свердління і основних положень теорії абразивної обробки розроблені залежності для обчислення вірогідності видалення матеріалу в будь-якій точці зони контакту з врахуванням декількох одночасно протікаючих процесів формоутворення. Вони дозволяють прогнозувати знімання матеріалу, диференційовано оцінювати вплив окремих чинників на параметри якості деталі і швидкість протікання процесу.

3. Розроблена кінцевоелементна імітаційна модель руйнації матеріалу при силовій дії алмазного зерна на заготовку в зоні різання при алмазному свердлінні, що дозволяє визначати складову знімання матеріалу за рахунок крихкої руйнації.

4. Розроблені нестаціонарні теоретико-імовірнісні моделі для розрахунку сил різання і зносу інструменту в процесі алмазного свердління. При побудові враховані розмірний знос, процеси сколювання і виривання одиничних абразивних зерен з зв'язки під дією складових сил різання з врахуванням ймовірності контакту зерен з мaтеріалом, величини площадок зносу і дійсної глибини мікрорізання.

5. Проведені дослідження за визначенням впливу схеми закріплення заготовки на товщину бічних сколів, що утворюються на виході отвору. Розроблені кінцевоелементні моделі для розрахунку товщини бічних сколів на виході отвору при різних схемах закріплення заготовки при алмазному свердлінні отворів.

6. Розроблений формалізований математичний опис процесу алмазного свердління, що дозволяє для будь-якого моменту часу при різних алгоритмах зміни режиму визначати фазові координати технологічної системи (взаємне розташування інструменту і заготовки, параметри зони контакту "інструмент - заготовка"), параметри якості оброблюваної поверхні (шорсткість, товщину сколу), вихідні параметри процесу (швидкість знімання припуску, знос інструменту). Розроблений математичний опис дозволяє вирішити завдання побудови граничних циклів управління процесом алмазного свердління, при яких забезпечується мінімально можливий машинний час або мінімальна собівартість обробки деталей при обмеженнях якості поверхні виробу не гірше потрібного за прийнятою технологією.

7. Виконані розрахунки дозволили розробити керуючі програми, що дозволяють щонайкраще здійснювати обробку отворів в крихких неметалічних матеріалах, ефективність яких доведена результатами впровадження на севастопольському ювелірному заводі «Санси плюс» з річним економічним ефектом в 23400 грн.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Братан С.М. Взаимосвязь перемещений в технологической системе при алмазном сверлении неметаллических материалов / С.М. Братан, С.И. Рощупкин // Вісник Сумського державного технічного університету. Науковий журнал. Серія «Технічні науки». Видавнитство СумДТУ. Вип. №1-2008-С. 49-53. (Здобувачем розроблено схему процесу алмазного свердління, отримане рівняння, що характеризує баланс переміщень в ТС).

2. Братан С.М. Моделирование формообразования отверстий при алмазном сверлении неметаллических материалов/ С.М. Братан, С.И. Рощупкин // Високі технології в машинобудуванні. Зб. наук.пр. ХНТУ: Харків, Вип.2(17) -2008-С. 54-59. (Здобувачем запропоновано розглядати процес видалення матеріалу при алмазному свердлінні крихких НМ як результат взаємодії процесів микрорізання і крихкої об'ємної руйнації).

3. Братан С.М. Моделирование сил резания, возникающих при алмазном сверлении / С.М. Братан, С.И. Рощупкин // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. - Краматорськ, вип. №26, 2010. - С. 233-238 (Здобувачем отримана залежність для розрахунку кількості зерен, які контактують з матеріалом заготовки).

4. Рощупкин С.И. Исследование боковых сколов, возникающих при алмазном сверлении хрупких неметаллических материалов/ С.И. Рощупкин, С.М. Братан // Вісник СевНТУ. Машиноприладобудування та транспорт: зб. наук. праць. - Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2010. Вип. 111. - C. 144-147. (Здобувачем розроблені кінцево-елементні моделі для розрахунку товщини бічних сколів при різних способах закріплення заготовок, проаналізовані результати досліджень).

5. Рощупкин С.И. Моделирование работы единичного зерна при алмазном сверлении оксидной керамики Al2O3 методом конечных элементов/ С.И. Рощупкин // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Машинобудування і машинознавство». Випуск 7 (166). - Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2010. С. 60-64.

6. Рощупкин С.И. Экспериментальное исследование влияния технологических параметров процесса алмазного сверления неметаллических материалов на силы резания и шероховатость поверхности / С.И. Рощупкин // Вісник СевНТУ. Машиноприладобудування та транспорт: зб. наук. праць. - Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2010. Вип. 111. - C. 148-151.

7. Рощупкин С.И. Управление процессом алмазного сверления на автоматизированном оборудовании / С.И. Рощупкин // Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво: тези доповідей IX всеукраїнської молодіжної наук.-техн. конф., 26-77 листопада 2009 р., Запоріжжя / відп. ред. Ю. М. Внуков. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2009. -С. 14-16.



АНОТАЦІЯ

Рощупкин С. І. Підвищення ефективності процесу алмазного свердління крихких неметалічних матеріалів.--Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. - Севастопольський національний технічний університет, Севастополь, 2011.

Дисертація присвячена вирішенню науково-технічної задачі підвищення ефективності процесу алмазного свердління крихких неметалічних матеріалів.

На основі системного підходу розглянуто структуру процесу алмазного свердління, сформульовані основні положення та принципи аналізу процесу алмазного свердління. Для створення адекватної моделі розглянута схема про-процесу алмазного свердління, в якій враховано, що алмазні зерна не мають ре-гулярной геометрії, розташовані на робочій поверхні інструменту на різних рівнях, при роботі зношуються та руйнуються. На основі розглянутої схеми процесу алмазного свердління й основних положень теорії абразивної обробки розроблені нестаціонарні теоретико-імовірнісні моделі для розрахунку імовірності видалення матеріалу, зносу інструменту та сил різання в будь-якій точці зони контакту з урахуванням декількох процесів формоутворення, що протікають одночасно. Розроблені кінцево-елементні імітаційні моделі з розрахунку складової знімання матеріалу за рахунок крихкої руйнації, а також з розрахунку товщини бічних сколів на виході отвору при різних схемах закріплення заготовок.

Розроблений математичний опис дозволяє вирішити задачу побудови граничних циклів управління процесом алмазного свердління, при яких забезпечується мінімально можливий машинний час або мінімальна собівартість обробки деталей при обмеженнях якості поверхні виробу не гірше необхідного за прий-нятою технологією. Ефективність розроблених моделей підтверджена експериментальною перевіркою і результатами виробничих випробувань.

Ключові слова: алмазне свердління, неметалічні матеріали, математична модель, якість, граничний цикл, шорсткість, бічний скол.



АННОТАЦИЯ

Рощупкин С. И. Повышение эффективности процесса алмазного сверления хрупких неметаллических материалов.--Рукопись

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - процессы механической обработки, станки и инструменты, - Севастопольский национальный технический университет, Севастополь, 2011.

Диссертация посвящена решению научно-технической задачи повышения эффективности процесса алмазного сверления хрупких неметаллических материалов.

Для решения поставленных задач процесс алмазного сверления рассмотрен как динамическая система, где формообразование поверхности исследуется не только в пространстве, но и во времени. На основе системного подхода рассмотрена структура процесса алмазного сверления, сформулированы основные положения и принципы анализа процесса алмазного сверления. При структурном анализе процесс алмазного сверления расчленён по функциональным признакам на подсистемы станка, приспособления, инструмента, детали, СОТС, зоны контакта. Определены входные, выходные переменные и параметры состояния каждой из подсистем. Для создания адекватной модели рассмотрена схема процесса алмазного сверления, в которой учтено, что алмазные зерна не имеют регулярной геометрии, расположены на рабочей поверхности инструмента на различных уровнях, при работе изнашиваются и разрушаются.

На основе рассмотренной схемы процесса алмазного сверления и основных положений теории абразивной обработки разработаны нестационарные теоретико-вероятностные модели для расчёта вероятности удаления материала, износа инструмента и сил резания в любой точке зоны контакта с учетом нескольких одновременно протекающих процессов формообразования. Они позволяют прогнозировать съём материала, дифференцированно оценивать влияние отдельных факторов на параметры качества детали и скорость протекания процесса. Для определения составляющей съёма материала за счёт хрупкого разрушения разработана конечно-элементная имитационная модель разрушения материала при силовом воздействии алмазного зерна на заготовку в зоне резания при алмазном сверлении.

Проведены исследования по определению влияния схемы закрепления заготовки на толщину боковых сколов, образующихся на выходе отверстия. Разработаны конечно-элементные модели для расчёта толщины боковых сколов на выходе отверстия при различных схемах закрепления заготовки, при алмазном сверлении отверстий. Показано, что наименьшие боковые сколы наблюдаются при закреплении детали приклейкой к стеклянной подложке. Вместе с тем, для большинства случаев алмазного сверления достаточным является использование схемы закрепления на металлической плите с резиновой подложкой, однако для получения оптимальных результатов диаметр отверстия в плите должен быть всего лишь на несколько миллиметров больше диаметра сверла. Данный способ закрепления является менее трудоемким, чем закрепление с приклейкой к стеклянной подложке и для его реализации возможно использование механизированных и автоматизированных приспособлений.

Проведённые качественные и количественные оценки свидетельствуют о достаточной степени адекватности разработанных аналитических и имитационных моделей. Отклонение экспериментальных значений от расчётных не превышает 10-15%.

Разработано формализованное математическое описание процесса алмазного сверления, позволяющее для любого момента времени при различных алгоритмах изменения режима определять фазовые координаты технологической системы (взаимное расположение инструмента и заготовки, параметры зоны контакта "инструмент - заготовка"), параметры качества обрабатываемой поверхности (шероховатость, размер, отклонения формы, физико-механическое состояние поверхностного слоя), выходные параметры процесса (скорость съема припуска, износ инструмента). Разработанное математическое описание позволяет решить задачу построения предельных граничных циклов управления процессом алмазного сверления, при которых обеспечивается минимально возможное машинное время или минимальная себестоимость обработки деталей при ограничениях качества поверхности изделия не хуже требуемого по принятой технологии.

Выполненные расчеты позволили разработать управляющие программы, позволяющие наилучшим образом осуществлять обработку отверстий в хрупких неметаллических материалах, эффективность которых доказана результатами внедрения на Севастопольском ювелирном заводе «Санси плюс» с годовым экономическим эффектом в 23400 грн.

Ключевые слова: алмазное сверление, неметаллические материалы, математическая модель, качество, граничный цикл, шероховатость, боковой скол.



SUMMARY

Roshchupkin S. I. Efficiency increasing of diamond drilling prosess of brittle non-metallic materials.--Manuscript

Thesis for candidate degree of technical sciences, by specialty 05.03.01 - The processes of machining, machine tools and tools - Sevastopol National Technical University, Sevastopol, 2011

The dissertation is devoted to solving of an important scientific and technical task of efficiency increasing of diamond drilling of brittle non-metallic materials.

On the basis of system approach the structure of the process of diamond drilling is considered, basic provisions and principles of analysis of the diamond drilling process are formulated. To create an adequate model the scheme of diamond drilling process which takes into account that of diamond grains do not have regular geometry, are arranged on the working surface of the tool on different levels, during work wear out and collapse, is considered On the basis of considered scheme of diamond drilling process and substantive provisions of abrasive cutting theory the nonstationary probability-theoretical models for the calculation of probability of material removal, wear of instrument and cutting forces at any point of the contact area have been developed. This models take into account that hole shaping occurs as a result of microcutting and brittle fracture interaction. Finite element models which allow to calculate brittle fracture material removal component and edge chipping thickness at different modes of workpice clamping have been developed

The developed mathematical description allows to build boundary processing cycles for the diamond drilling operation which provide minimum cutting time or minimum production cost. Efficiency of developed models is confirmed by experimental testing and results of production tests

Keywords: diamond drilling, nonmetal materials, mathematical model, quality, boundary cycle, roughness, edge chipping.

Размещено на Allbest.ru

...