Повышение качества гравирования материалов методом ударного микрофрезерования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

© И.Н. Миков, Л.П. Ивлева, 2010

УДК 621.7

И.Н. Миков, Л.П. Ивлева

ПОВЫШЕНИЕ КА ЧЕСТВА ГРАВИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ УДАРНОГО МИКРОФРЕЗЕРОВАНИЯ

Рассмотрено ударное микрофрезерование материалов - технология повышающая качество станочного факсимильного гравирования, убирающая выплыв при гравировании пластичных материалов и дополнительный скол при гравировании хрупких материалов. Предложено делать черновой проход за одно или несколько внедрений инструмента, а чистовой проход однократным внедрением на глубину действия пластических деформаций.

Ключевые слова: гравировально-фрезерный станок, ударное микрофрезерование, факсимильное гравирование.

Семинар № 25

дним из способов нанесения изображений на плоскую поверхность материалов является гравирование, т.е. образование на поверхности материала точек и штрихов долблением или резанием. Сейчас ручное гравирование штихелями все в большем объеме заменяют станочные технологии: факсимильные растровое и векторное гравирование, осуществляемое на гравировально-фрезерных станках с ЧПУ. Так же используются технологии лазерной гравировки. С целью повышения качества и производительности станочного механического факсимильного гравирования была разработана технология ударного микрофрезерования [1, 2].

Инструмент - конусная фреза или, как ее еще называют, конусный гравер, реализующий совмещение одновременно двух рабочих движений - поступательного и вращательного (режим УМФ). Применим твердый сплав, позволяющий обрабатывать как металл, так и мягкий и средней твердости ка-

мень (в основном мрамор). Возможна работа одной или двумя режущими гранями. В первом случае лезвие начинается от вершины конуса, проходящей через ось, что дает профиль идеальной конической лунки. Во втором случае -между режущими кромками имеется перемычка (аналогично спиральному сверлу), которая препятствует созданию острой вершины конусной лунки. Два лезвия повышают производительность и позволяют работать с уменьшенным числом оборотов инструмента, но вместе с тем затрудняется отвод стружки из зоны резания.

Способ УМФ позволяет избавиться от выплыва при обработке пластичных материалов и дополнительного скола с формированием ровного (кругового) края контура края лунки при обработке хрупких материалов, соответственно если эта обработка производится в области пластичных деформаций материала заготовки (рис. 1).

Рассмотрим более подробно этапы УМФ в табл. 1. Рис. 2 иллюстрирует эти этапы.

Пластичный материал заготовки ( металл ) Отсутствует фрезерование ( только удар ), наблюдается выплыв по краям контура лунки

Хрупкий материал заготовки ( камень ). Отсутствует фрезерование ( только удар ), наблюдается дополнительный скол по краям “рваного”котура лунки

Пластичный материал заготовки ( металл ). Присутствует и удар и фрезерование , отсутствует выплыв по краям контура лунки

Хрупкий материал заготовки ( камень ). Присутствует и удар и фрезерование , отсутствует дополнительный скол по краям “ровного”контура лунки

Рис. 1. Лунки, получаемые при гравировании и УМФ на пластичных и хрупких материалах

Таблица 1

Технологические этапы УМФ материалов

Этапы УМФ Пластичный материал Хрупкий материал

I этап Разгон: за время прохождения зазора гравер развивает скорость до максимального заданного значения с целью превышения энергии упругой деформации и полного прохода режущей кромкой контура лунки за время внедрения инструмента. К нему приложено усилие Fэм у1, создаваемое электромеханическим преобразователем. Инструмент имеет энергию Q1, позволяющую ему преодолеть технологический зазор Ан за время х и внедриться в заготовку на АЬд

II этап Упругое деформирование материала заготовки под действием усилия Fэм у2 = Fэм у1 + та. Инструмент уже внедрился в материал, но в начале внедрения резания не происходит. Фреза начинает резать лишь когда глубина внедрения АН становится большей радиуса скругления г вершины режущей кромки: АН > (0,3-0,5)г (рис. 2). Инструмент внедряется с угловой ю и осевой Vz скоростями. Касание материала - преодоление упругих деформаций. Важно не только обладание достаточной энергией, большей, чем критическая для материала заготовки, но и достаточное (для ввода энергии в материал) время контакта инструмента с заготовкой. Инструмент незначительно (1 -5 мкм) внедряется в материал, но не происходит разрушения, а лишь упругие и пластические деформации. Соответственно, усилие Fэм у2, а энергия Q2. Образование ядра уплотнения (ЯУ).

III этап Внедрение инструмента с угловой ю и осевой Vz скоростями

Пластическое деформирование - резание материала. Разрушение материала - разрушение ЯУ и проваливание долбяка в лунку.

IV этап Возврат долбяка в исходное положение за счет возвратной пружины (однокатушечный электромеханический преобразователь (ЭМП)) или электромагнитной силы возвратной катушки (двухкатушечный ЭМП)

Рис. 2. Этапы УМФ

Таблица 2

Формулы для расчета энергетических передаточных характеристик технологических этапов внедрения инструмента при гравировании

I этап II этап III этап

Хруп- кие мате- риалы Проход зазора до касания с заготовкой. Энергия долбежного инструмента находится на 1-м участке - а: Ql = шя 2 (Дн)2/ ^ Дн +с Дн , где тД„ - время прохода инструментом зазора Дн (длительность импульса, Тдн = Т/2) Конец этапа пластичных деформаций и начало этапа деформаций разрушения. Сжатие заготовки острием инструмента на Дк = (Дкк) и образование ЯУ глубиной к. Энергия долбежного инструмента на 2-м участке - Ь: Q2 = Шя 2 (Дкк)2/т2н +с (ДкК) 2 + + QЯУ1, где Дкк - глубина внедрения, с которой начинается деформация разрушения; тн - время разрушения материала; QяУ1 - энергия первичного разрушения ядра уплотнения Дальнейшее внедрение инструмента на Дкд = Н - Дкк Энергия долбежного инструмента на 3-м участке - с: Qз = шя 2(Н -Дкк)2/Д2н + с(Н -Дкк )2 + Q ЯУ2, где QяУ2 - энергия вторичного разрушения ядра уплотнения

Приме- чание Формирование лунки производится в 2 такта. 1-й такт, один удар - внедрение, но проникновение инструмента - многократное. Величина глубины внедрения Начальна рассчитывается из условия, что на этапе 3 результирующая величина дополнительного скола С = Ес1 + с2 + ... после многочисленных проникновений инструмента первого внедрения Н 1-го = ХНначальное + Нначгшьное + Нначгшьное + ... обеспечит диаметр лунки меньший окончательного. 2. Далее следует этап 4, который функционирует на этапе пластичных деформаций Ь заданием соответствующего Дкд 2-го = Нрасчетное - Н 1-го < Дкк. При этом обеспечивается окончательный диаметр лунки, а заданием инструменту <в об/мин обеспечивается срезание выплыва, возникающего даже у камня, поскольку он работает на этапе пластичных деформаций

Окончание табл. 2

I этап II этап III этап

Пла- Проход зазора Сжатие заготовки острием инстру- Прецизионное внедре-

сти- до касания с мента на Дк, упругие деформиро- ние и фрезерование

чные заготовкой. вание материала под заготовкой и инструмента Дкпрец,

мате- Энергия дол- начало ее резания. для ликвидации незна-

риалы бежного инст- Q2 = тя 2(Дк)2/Г2н + с(Дк)2 + Qдеф чительного выплыва,

румента нахо- где Гн - время прохода инструмен- который может воз-

дится на 1-м том пути Дк никнуть из-за недос-

участке - а: Гн = Дк (Дн +Дк)* Т/2 тающей скорости фре-

Ql = Шя 2 (Дн)2/т2Дн + с Дн2 Qдeф - энергия упругого и пластичного деформирования материала заготовки и ее резания при внедрении инструмента на глубину Дк зерования Qз = шя 2(Н - Дк)2/Г2н +с (Н - АН)2 + Qдеф

Приме- Формирование лунки производится в 1 или 2 такта.

чание 1-й такт. Может возникнуть незначительный выплыв, из-за недостающей скоро-

сти фрезерования.

2-й такт. Прецизионное внедрение и фрезерование инструмента

А^прец Нрасчетное - ЛЬ

Определение энергий для каждого участка возможно на основе энергетических передаточных характеристик Q = &). (табл. 2):

На рис. 3 приведены в качестве примера энергетические передаточные характеристики для минерала (хрупкого материала) [2]. Они отражают зависимость Q = Дг), где Q - энергия, требуемая для прохода ? инструментом технологического зазора - участок а, упруги, пластичных - Ь и деформаций разрушения - с материала заготовки.

Пластичные материалы имеют идентичные характеристики с той разницей, что участок упруго-плас-тичных деформаций - Ь у них значительно больше, а разрушение - с может вовсе не наступить при внедрениях 1-2 мм.

Из передаточных характеристики видно, что хрупкие материалы обладают зоной пластичности. Работая в ней возможно добиться срезания стружки, а не разрушения ЯУ, приводящего к допол-н и т е л ь н о м у с к о л у .

Рис. 3. Энергетические передаточные характеристики Q = Ді) при гравировании минерала однокатушечным преобразователем

Реализация *совмещения этапов разрушения и пластического деформирования при гравировании хрупких материалов позволяет многократное проникновение (с одного внедрения) на полную глубину лунки, но состоящую из серии малых глубин. Они объединены продолжительностью импульса силы, на этапе разрушения, с целью малого дополнительного скола и прецизионного прохода инструмента, имеющего технологические режимы долбления и фрезерования. Последнее внедрение происходит на этапе действия упруго-пластичных деформаций. Тогда процесс УМФ сводится к двум внедрениям с последующим переходом к следующей лунке: первое -многократное долбление на месте (разрушение) с целью получения заданной глубины лунки и отсутствия дополнительного скола, второе - прецизионный проход в пластичной области.

Для реализации данного метода необходимо импульсное изменение скорости (во время отработки лунки инструмент стоит на месте, а потом скачком переходит к следующей лунке). Практически это реализуемо уменьшением частоты шагового двигателя привода перемещения по строке и изменением математики в ЧПУ гравировального станка.

Отметим, что наличие ЯУ при разрушении хрупких материалов делает возможным сделать двух- (однократное разрушение и затем форматирование краев лунки), а не многопроходный режим.

Отсутствие дополнительного скола можно реализовать другим методом -заменить первое внедрение серией вторых (прецизионных) внедрений, т.е. гравировать хрупкий материал как пла-

стичный. Но тогда резко падает производительность.

Важно, что срезание стружки при пластическом деформировании во время УМФ начинается с определенной глубины, зависящей от радиуса (г) скругле-ния при вершине режущей кромки, и выражается по формуле

8 > (0,3 - 0,5)г,

где 8 - минимальная глубина резания.

С другой стороны, получить ровный контур лунки на хрупком материале возможно путем гравирования в два прохода: 1) черновой проход с разрушением материала и образованием дополнительного скола величины С; 2) чистовой проход на этапе упруго-пластичных деформаций, с учетом 2С+А<- г (А1 -ширина инструмента, г - радиус лунки) при котором форматируется лунка. Такой метод более производителем, по сравнению с многократным внедрением. Но требуется тщательного отслеживания износа инструмента, поскольку увеличение А 1 приведет к увеличению С и следовательно суммы 2 С + А1 [3].

с = 1602 Е2 ц'л

9В2стД3ст0(1 - 2ц)к ’

Q - работа силы F при деформировании ЯУ; Е - модуль упругости; В - ширина инструмента; А1 - ширина лезвия инструмента; ц - коэффициент Пуассона, для минерала; ст - предел прочности минерала при растяжении; ст0- предел прочности минерала при объемном сжатии; п - коэффициент эффективности; k - коэффициент пластичности.

Можно принять [2]

С = 0,24 О2ЯУ2

На рис. 4 представлено образование дополнительного скола.

Реализация ударного станочного гравирования возможна применением оного из двух механизмов - приводов по оси 7/

Рис. 4. Образование дополнительного скола

1) привод подач по оси z - шаговый двигатель-винт/гайка (интегрирующее звено, преимущество- возможность регулировки скорости перемещения в процесс перемещения, недостаток - небольшая частота колебаний (0,5 .. .1 Гц ) при переводе его в колебательное звено;

2) привод подач по оси z - подпружиненный якорь электромагнита (колебательное звено, недостаток - отсутствие возможность регулировки скорости перемещения в процесс перемещения (возможна регулировка до начала перемещения), преимущество - большая частота колебаний (до 100 Гц).

В обоих случаях привод подач по осям х и у одинаковый и каких-то изменений в части скрабирования не ожидается. В первом случае скорость осевой подачи V инструмента является постоянной величиной, во втором - переменной, т.е. имеет место удар. Таким образом, имеет место динамическое разрушение хрупкой заготовки, возникновение ЯУ, возникает возможность разру-

шения 2-х кратным внедрением и т.д. Но сложно выдержать строго детерминированную глубину разового внедрения.

Для подсчета требуемого количества оборотов фрезы обратимся к перемещению точки М на режущей кромке фрезы (гравера) в процессе образования лунки в материале при УМФ (рис. 5).

Точка М лежит в плоскости перпендикулярной оси X.

р = kф = аф/2л,

где р - радиус спирали, k - смещение точки М конца вектора р при его повороте на 2л радиан, т.е. k = а/2л (а - шаг спирали (приращение при его повороте на 2 л радиан).

Путь точки М по спирали равен длине дуги

I— = ф^ 1 + ф + 1п ^ф + 1 + ф ^

Число оборотов, необходимое для получения полно-профильной лунки N = (r/Sz) tg(a/2) + 1/Ь или N = Sh/Sz + 1/Ь,

где г - радиус лунки, а - угол при вершине фрезы, Ь - число режущих кромок.

2-5 мс. Тогда порядка п = 30000 об/мин. Рис. 5. Перемещение точки «М» по боковой [2]

конической поверхности формируемой лун- т-г _

г г г г* * При правильном назначении п

Гравирование - допскол. УМФ - форматирование лунки, если 2С+А1<Дх.

Срезание рваных краев. Отсутствие допскола ------------------------------------------------У

гис. б. Реализация многопроходового гравир.

Гравирование - большой допскол.

Тогда, зная время внедрения на заданную глубину (из модели колебательного звена «долбяк на пружине»), можно рассчитать число оборотов шпинделя:

В среднем частота ЭМП (она указывается в диалоговом окне программы Grave, управляющей станком) по рекомендациям [4] варьируется в пределах 70-75 Гц. Глубина внедрения 0,1 мм, зазор в среднем 0,20 ... 0,30 мм. Этому соответствует время внедрения порядка

об/мин для хрупких материалов гравирование в два или более прохода позволяет дополнительно повысить качество получаемых лунок, а следовательно и все гравирование поскольку тогда оптические плотности оригинала и изображения будут наиболее приближены. Искажение в виде дополнительного скола и неровного профиля лунки будет отсутствовать. То же при гравировании пластичных материалов отсутствие выплыва приведет к отсут-

ствию искажений оптической плотности.

Схематично особенности технологии гравирования материалов в несколько проходов можно представить в виде (рис. 6).

Итак, повысить качество станочного растрового гравирования возможно путем введения УМФ, совмещающего поступательное и вращательное движение инструмента. Данная технология убирает выплыв при обработке пластичных материа-

1. Миков И.Н., Науменко И.А. Теоретиче-

ские аспекты технологии гравирования изображений на материалах методом динамического микрофрезерования. // Г орный информационно-аналитический бюллетень. - М.:

МГГУ, № 6., 2005. - с. 288 - 294.

2. Миков И.Н., Морозов В.И. Технология автоматизированного гравирования художественных изображений. - М.: Изд-во «Мир горной книги», 2007. - 346 с.

лов и дополнительный скол при гравировании хрупких.

Дополнительно повысить качество лунок на изделиях требующих особо точного исполнения (клише в полиграфии, в т.ч. для денег) позволяет совмещение рабочего и чистового (прецизионного) гравирования. Так предлагается делать рабочий проход за одно или несколько внедрений инструмента, а чистовой однократным внедрением на глубину действия пластических деформаций.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Протасов Ю.И. Теоретические основы механического разрушения горных пород. -М.: НЕДРА, 1985. - 239 с.

4. Гравировально-фрезерный станок

«График 3К/3КМ» // Руководство по эксплуатации. - М.: НПФ ООО «САУНО», 1997, 2003.

— Коротко об авторах

Миков И.Н. - доктор технических наук, профессор кафедры Технологии художественной обработки материалов

Ивлева Л.П. - аспирант кафедры Технологии художественной обработки материалов

Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ГУРИЕВА Евгения Владимировна Повышение полноты использования недр интенсификацией выпуска при добыче потерянных руд 25.00.22 05.05.06 к.т.н.