CC BY
57
----------------------------------------------- © Л.П. Ивлева, Ю.А. Павлов,
2011
УДК 621:913.3
Л.П. Ивлева, Ю.А. Павлов
МЕТОДИКА РАСЧЕТА РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАСТРОВОГО ГРАВИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МА ТЕРИАЛОВ ВРАЩАЮЩИМСЯ ИНСТРУМЕНТОМ
Рассмотрены основные режимные параметры растрового гравирования поверхности материалов, их взаимосвязь между собой и вариант последовательности расчета. Основой методики расчёта является математическая модель перемещения гравировального инструмента, базирующаяся на балансе энергий в системе.
Ключевые слова: растровое гравирование, ударно-вращательное гравирование, математическое моделирование, технологические режимы обработки.
Яанесение изображений на поверхность материалов, происходящее за счет ударов по ней инструмента с оставлением следов (образованием лунок), называется растровым (ударным) гравирование. С развитием компьютерных технологий и совершенствованием станочного оборудования расширяется номенклатура гравированных изделий и материалов, на которые наносятся изображения. Например, с появлением ударно-вращательного гравирования (УВГ) стало возможно высококачественное и производительное нанесение изображений на пластичные материалы [1], обработка хрупких материалов также улучшилась [2]. Компьютерное моделирование процессов гравирования позволило детально их проработать и дать рекомендации по назначению настроечных параметров обработки [3]. Итак, с целью формализации процесса и оптимизации параметров гравирования были созданы математические модели. В их основе лежат методы теории колебаний и динамики упругих систем. Они позволили рассчитать параметры управления рабочим органом -электромеханическим преобразователем (ЭМП) и установить взаимосвязи между ними. Определение настроечных технологических параметров при ударном гравировании хрупких материалов рассмотрено в [4]. Однако оно требует уточнений и дополнений, которые могут быть получены при усложнении математических моделей процесса гравирования.
Рассмотрим взаимосвязи между параметрами процесса. Шаг растрирования 3 и частота^МП=1/Т (где: Т - период следования импульсных ударов, с-1) ЭМП влияют на производительность и точность и ограничиваются возможностями станка: 8 = VsT. Частота ЭМП определяется из условия не более fЭМП=l/tg (tg - время, затраченное на цикл работы ЭМП). Шаг перемещения по строке Ах определяется размерами изображения и выбирается не более 0,1% от длины строки LСТР (ширины изображения) Аx<10~3LСтp■ Скорость строчной подачи V, связана с явлением скрабирования и выбирается из расчета: длина штриха скрабирования не должна превышать 10 % от диаметра лунки d = 2Htg(a / 2), где: Н - глубина внедрения гравера, глубина лунки, мм; а - угол при вершине гравера, тогда Vs<0,1d/tm. Обычно глубина Н составляет около 0,1 мм. Следовательно, при гравировальном инструменте с углом 900 d = 0,2
мм. Площадка притупления вершины гравера А1, по аналогии с гравировальной иглой, не должна превышать 10 % от расчетного диаметра лунки. В процессе УВГ также происходит износ режущей кромки, влияющий на срезание материала лунки. Однако, по сравнению с притуплением вершины гравера А1г влияние его на качество гравирования незначительно.
Основой для предлагаемой методики расчетов режимов обработки является математическая модель, описывающая перемещение гравёра - индентора в процессе ударно-вращательного формирования лунки. Он состоит из трех этапов: разгон при проходе технологического зазора, касание поверхности заготовки и последующее в нее внедрение на заданную глубину, далее идет возврат в исходную точку. За счет строчной подачи инструмент затем переходит к отработке следующего пикселя изображения. Для расчетов возьмем базовое уравнение, связывающее кинетическую энергию системы с работой внешней силы, которая прикладывается к якорю электромеханического преобразователя для придания ему нужной скорости в момент ка-
сания поверхности заготовки:
Д^ки, = Ай , (1)
где Екин - кинетическая энергия системы; АР2 - работа силы Р2 (суммарного усилия,
вызывающего движение якоря).
Распишем уравнение (1) для каждой из стадий:
1) инструмент проходит технологический зазор Д и приобретает скорость К2,
дающую энергию, достаточную для внедрения в материал на требуемую величину ш¥2/2 = Рh - сЛ2/2, (2)
2 еш р * V '
где ср - жесткость пружины ЭМП, к - перемещение гравера, Реш - электромагнитное усилие, разгоняющее якорь;
2) происходит внедрение в заготовку за счет удара и срезания стружки, при этом формируется заданная глубина лунки
шК2 -шУ1 /2 = Ргтк-(ср(к + Д)2 + kk2)/2, (3)
где k - коэффициент сопротивления материала заготовки внедрению, К20 - скорость инструмента в момент касания поверхности заготовки, Кш - скорость в момент полного внедрения на необходимую глубину Н;
3) возврат гравера в исходную точку
шУ1 /2 = ск1 /2 , (4)
где КУ2 - скорость инструмента при возврате в точке с координатой к по оси OZ.
Из выражений (2-4) путем интегрирования и дифференцирования находим скорость и время для каждого этапа.
Найдем электромагнитное усилие, обеспечивающее внедрение в материал на заданную величину к при выставленном технологическом зазоре А. Определим Кш=^) из (3) и, найдя глубину лунки кшах из Кш(кшах)=0, приравняем кшах=Н и выразим необходимое электромагнитное усилие для внедрения на глубину к:
Реш = (2срД2 + 2ср Дк + ск2 )/2Д, (5)
где с = ср + k .
Рассчитав время внедрения индентора путем интегрирования скорости, определим необходимую частоту вращения шпинделя N (к) = 1/ (ш :
^ = ^/да7c[Бт((^ + ср)/2с2 + 4сД(Ет -ерД)) + 8т(Ср /2е2р + 4сД(Ет -ерД))] (6)
N(h) = 4сТт /^т((^ + Ср)/2ср; + 4сД(Еет -СрД)) + Бт(Ср/2срр + 4сД(Еет -СрД))] (7)
Суммарное время - цикл работы ЭМП (опускание - внедрение - подъем) составит tg = Х2 + Хт + ХУ2. Оно определяет частоту импульсов ЭМП, не вызывающую провисания якоря (4 + tm ~ ^) и обеспечивающую достаточную производительность процесса, /эмп = 1/ tg = 1 /^2 (Д) + tm (Н) + ^ ^)), где S = Н+А.
Ввиду того, что система рабочего органа УВГ являет двухзвенной (рис.1), состоящей из электромеханического преобразователя, якорь которого бьет по турбин-ке, реализующей вращение гравировального инструмента, то для приведения модели к одномассовой расчетное усилие нужно умножить на коэффициент п<1.
Например, при жесткости одномассовой системы, равной сумме жесткостей пружин с1 и с2 якоря массой т1 и крепления турбинки массой т2, получим функциональную зависимость (8) вида г](к) = / (т1, т2, с2, с1,е,8, k, Д)
_ Д(2Д2с2т1 + к2с2т1 + к^т1 + 82є2с1т2 + 2кДс2т1)
(8)
8є т2(2Д (с1 + с2) + 2кД(с1 + с2) + к (с1 + с2 + k)) где є - коэффициент передачи при ударе (для стали 0,56), 8 - зазор между якорем и турбинкой (5*10-4 - 10-3м).
Меньшее усилие требуется за счет того, что якорь ЭМП под действием электромагнитного усилия, проходя зазор до момента удара с турбинкой, разгоняется и в момент удара имеет большую энергию, даже с учетом частичной ее потери вследствие удара о турбинку. Начальная энергия массы т2 будет больше по сравнению с той, которую она приобрела бы при приложении электромагнитной силы непосредственно к ней.
Взаимосвязи параметров процесса гравирования показаны на рис. 2.
Из рисунка видно, что в модели есть параметры, задаваемые априорно.
В целом формализация методики расчета режимных параметров рис. 3 не ограничивается только моделирование. Она требует проведения экспериментов. Только вкупе возможно получить достоверный результат. Предлагаемая методика определения режимных параметров гравирования в своей основе имеет следующий алгоритм:
1. Ввод данных в модель процесса УВГ, записанную в среде mathcad;
2. Расчет параметров изображения (линеатура, длина сроки, шаг гравирования);
Рис. 1. Двухзвенная система узла для УВГ 392
Рис. 3. Формализация методики расчета режимных параметров
3. Расчет электромагнитного усилия, которое нужно приложить к якорю ЭМП при выставленном технологическом зазоре. Перевод его в амплитуду удара;
4. Расчет времени процесса (одного цикла получения лунки);
5. Расчет частоты ЭМП и скорости строчной подачи;
6. Расчет частоты вращения шпинделя.
Применение персонального компьютера позволяет ускорить процесс расчета параметров процесса и создать базы данных режимов для гравирования различных материалов. Их использование существенно сокращает время, затрачиваемое оператором гравировально-фрезерного станка с ЧПУ, на подготовку управляющей программы для гравирования изображения.
Применив элементы теории оптимизации систем при выборе параметров гравирования возможно сделать его процесс более эффективным. Например, возможна оптимизация по критерию максимума производительности с учетом ограничений, накладываемых характеристиками станочного оборудования, гравировального инструмента и материала заготовки.
---------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Науменко И.А., Павлов Ю.А. Системные принципы организации процессов компьютерного проектирования и изготовления гравированных материалов // Горный информационноаналитический бюллетень.- М.: МГГУ, № 5, 2006, с. 304 - 313.
2. Миков И.Н., Ивлева Л.П. Повышение качества гравирования материалов введение ударного микрофрезерования // Горный информационно-аналитический бюллетень, №5, 2010, с. 346353.
3. Ивлева Л.П. Расчет режимных параметров технологического процесса ударного вращательного гравирования пластичных материалов // СТИН - СТанки Инструмент. - М.: 2010, №10, с. 24-27. ПТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------
Ивлева Лидия Петровна - преподаватель, lid_iv@mail.ru Павлов Юрий Александрович - профессор,, jathom@list.ru Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
A
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ХЕЧУМОВ Артём Андреевич Комплексная эколого-экономическая оценка деятельности угольной компании по добыче энергетических углей 08.00.05 к.э.н
