CC BY
30
© И.Н. Миков, И.А. Науменко, В.А. Казаков, 2004
УДК 621.9:51
И.Н. Миков, И.А. Науменко, В.А. Казаков
АНАЛИЗ ДЕФОРМАЦИИ МАТЕРИАЛОВ УДАРОМ И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГРАВИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМ МИКРОФРЕЗЕРОВАНИЕМ
Семинар № 20
Для получения на плоской поверхности минерала полутоновых и штриховых изображений механическим способом применяют методы гравировки - нанесение изображения резанием (долблением с удалением стружки) [1, с. 18-23], [2, с. 341-343] и пластическое деформирование - чеканка.
При факсимильном копировании изображений применяется метод растрирования, который заключается в замене полутонового оригинала - микроштриховым, состоящим из линейных и точечных элементов, при этом имеет место импульсное модулирование - 1еидео=
/йф (У, А), где / - частота
импульсов удара, А - амплитуда. В результате различных сочетаний взаимных перемещений инструмента (при дискретных методах разрушения поверхностного слоя материала), происходит формирование последова-
тельности штриховых и точечных элементов вдоль поверхности материала, с за-
даннои оптическои плотностью.
Станочное сканерное факсимильное гравирование, является одной из новых компьютерных технологий гравирования плоских художественных изделий из твердых хрупких материалов, при применении которой достигается:
1. факсимильность отображения, что
является непременным условием при гравировке художественных изображений (портретов, рисунков), антиквариата, клише и т.д.;
Рис. 1. Функциональная схема технологической системы получения изображения растрированием на поверхности минерала
Рис. 2. Формирование точки на плоской поверхности
2. повышение производительности, при том же качестве, в сравнении с ручной гравировкой в 6.. .7 раз;
3. повышение уровня качества гравировки с минимального, при ручном (шаг точек более 100 мкм - обычный класс), до высшего, при станочном, (шаг точек менее 5 мкм -высокой класс).
Рассмотрим подробнее процесс нанесения изображения на поверхность минерала методом растрового станочного гравирования.
На рис. 1 представлена функциональная схема технологических этапов получения факсимильного изображения на поверхности минерала методом растрирования.
Изображение, имеющее распределенную по поверхности оптическую плотность Бор вводится посредством сканера в память компьютера и хранится в виде массива пикселов. Далее этот массив построчно передается через порт компьютера в память программируемого контроллера.
В контроллере программно организован импульсный генератор с амплитудной ит = /(ивидео) и частотной Т = /(ивидео) модуляциями по видео сигналу ивидео, где ит, Т -амплитудное значение и период следования импульсов на выходе генератора. В этом случае в соответствии с программно-
переналаживаемыми ха-
рактеристиками производится формирование последовательности импульсов напряжения, амплитуда и частота которых пропорциональны пикселу и видео.
Импульсная последовательность поступает на катушку электромеханического преобразователя, который состоит из магнитопровода, якоря с долбяком, пружин и катушек. Ток управления 1у создает катушкой м>1 электромагнитное импульсное усилие ¥эм. Якорь с долбяком, имея массу шя, преодолевает зазор Ан между острием долбяка и поверхностью минерала на величину АИд, оставляет воронку разрушения площадью Бпр внутри площади растрового элемента Бо.
АИд = /ивидео),
где АИд - глубина погружения (долбления), ивидео - уровень видеосигнала. При этом происходит преобразование линейного перемещения долбяка ДЪд вдоль оси ъ в относительную площадь пробельного элемента 8 [1]:
Б = /(АИд) = (Бо—Бпр)/Бо
где Бпр - площадь пробельного элемента.
Технологический процесс растрового факсимильного гравирования обеспечивает получение интегральной оптической плотности Бв на длине шага растрирования 8 заготовки равной оптической плотности оригинала Бор на этой же длине, т.е. непременным условием получения качественного изображения является: Бор &Бв плотность Бв
Интегральная оптическая получается из сложения оптической плотности полированной поверхности заготовки Бп и оптической плотности Бо следов (точек пробель
№ п.п. обозначе- ние величина размер- ность название уравнение
1 Ус 2,8 г/см3 удельный вес
2 5Р 2*105 г/см2 предел прочности при сжатии
3 Ц 0,14 - коэффициент Пуассона
4 Е 1*109 г/см2 модуль упругости (Юнга)
5 Е0 0,47* 109 г/см2 модуль объемной упругости Ео =Е/3(1-2 ц)
6 к 2 - коэффициент пластичности
7 Р 2,8*10-3 г сек2/см4 плотность Р=Го^
Рис. 3. а: 1 - Зависимости изменения величины дополнительного скола «С» от глубины внедрения «Н» 2 -Зависимость изменения диагонали пробельного элемента «а» от глубины внедрения «Н» б: Зависимость относительной площади от нормируемой глубины долбления
ного элемента) долбяка, оставляемых после разрушения материала заготовки.
Величина относительной площади пробельного элемента 5 при общей площади растрового элемента Бо должна быть такой, чтобы обеспечить равенство оптической плотности оригинала Бор и интегральной (визуальной) оптической плотности Бв, воспринимаемую потребителем.
Математически этот эпат декодирования описывается уравнением Шеберстова -Муррея - Девиса:
Бв = - 1% [5*10'Оп + (1-.5)*10-Во] Бв = - 1%[{(Бо-Бпр)/Бо}*10'Вп + {1 - (Бо--Бпр)/Бо)}*1(ГВо]
Площадь растрового элемента определиться, как Бо = 82 где 8- шаг растрирования.
В свою очередь шаг растрирования определиться, как = ¥я*Т,
где ¥5 - скорость подачи по строке, Т = 1// -период следования импульсных ударов (рис. 2).
Однако, учитывая особенности деформирования хрупких пластичных материалов, необходимо отметить область действия и пути ее расширения для существующего технологического процесса.
При гравировании твердых хрупких материалов, на 3-м технологическом этапе происходит дальнейшее внедрение долбяка на величину ЛкдЗ = И-Лкк >> Акк, происходит удаление объема ¥ (вторичное разрушение ЯУ) с удалением пыли из ЯУ.
В этом случае долбяк преодолевает зазор Ан, значительно внедряется в поверхность минерала на величину АИд > (0,01 ...0,05) мм, преодолевая упругие и пластические деформации, разрушает минерал, оставляя после возвратного движения воронку глубиной И>0 (коэффициент восстановления равен 0). Долбяк обладает энергией Q3>Qк (энергия долбяка больше критической энергии), при этом время силового воздействия на минерал (т.е. длительность силового воздействия больше критического времени, т.е. энер-
б)
гия Q3 вводится в минерал и ее достаточно для разрушения) тразруш >ткр.
То есть, задавая энергию долбяку, получаем технологический режим гравировки с отделением объема ¥ от основной массы минерала и воронку разрушения в массе минерала глубиной И (рис. 3).
На этом этапе имеет место величина дополнительной длины скола -_С определяется из
[3]:
С = (16 Q2E2 цтЦ/9 Л13В28803 (1-2ц) к
На рис. 3 представлены зависимости изменения величины дополнительного скола «С» от глубины внедрения и изменение диагонали пробельного элемента «а» от глубины внедрения «Н» для минерала типа гранит, с характеристиками приведенными в табл.
Исходя из соотношений зависимостей, видно, что рост скола с ростом глубины внедрения происходит не линейно и с ростом ДИд величина и влияние скола на величину пробельного элемента увеличивается, что приводит к снижению передачи оптической плотности и ухудшению качества изображения. Чтобы этого избежать должно соблюдаться условие, что С<0,1*2 АкД*1% а/2. Из рис. 3. а видно, что для гранита это условие соответствует зна-
чению приблизительно [Ah] = 100 мкм, для иных материалов это соотношение имеет другие значения, при этом, чем хрупче материал, тем меньше допустимая величина внедрения, тем больше скол - c, и как следствие относительная площадь пробельного элемента - s (рис. 3. б). Итак, для достижения необходимых глубин с учетом наличия допустимой величины скола приходится прибегать к методу многократных проходов, что значительно снижает производительность. Таким образом при гравировании полутоновых изображений необходимо учитывать ограничения, которые накладываются величиной дополнительного скола, при увеличении глубин внедрения т.е. необходимо выбирать такие технологические режимы, при которых С <0,1 а, т.е. находиться в конце области 2-го технологического этапа или в начале области 3-го технологического этапа.
При нанесении рельефов на плоские пластичные материалы наблюдается следующее: На рис. 4 рассмотрено вдавливание в пластическую полуплоскость твердого клина. При этом при вдавливании клина, образуются выступы, а объем материала, заключенный в этих выступах равен объему материала, вытесненного клином [4].
l = h/(cosy- sin (у tp)}
hi = h*sin (у (p)*{ sin y+ cos (уф))/ cosy- sin (y
Ф)}
где hi - размер «выплыва»; Ahx - глубина внедрения; 2у - угол клина, связь между углами у и р выражается следующей зависимостью - 2у= р + arcctg(n/4- (р/2).
Рис. 4. Поле напряжении при вдавливании гладкого клина в полубесконечное тело
То есть для технологического процесса чеканки следует отметить, что:
1. Оптическая плотность
Вп исходной поверхности и оптическая плотность Во пробельного участка (линии 2*АК) различны. Исходя из этих оптических плотностей, производится вычисление шага растрирования 8 и глубины внедрения АНд. Возникающая дополнительная оптическая плотность Впдоп участка АС влекущая за собой искажение оптической плотности Во пробельного участка искажает значение интегральной оптической плотности Вв, что приводит к формированию «выплывов».
2. Длина участка ОС переменна и не линейно зависит от глубины внедрения АЬЛ, что делает практически невозможной ее учет при вычислении 8, а последующее внедрение клина своим новым АС нарушает предыдущее АС и частично заполняет лунку АКБ (при малых 8), что еще в большой степени нарушает Вв.
Таким образом, технологический процесс чеканки, без принятия специальных мер для перевода его в процесс гравировки, для передачи факсимильных полутоновых изображений (посредством точек) мало применим и пригоден для передачи штриховых контрастных изображений.
Учитывая вышеизложенные ограничения, и рассматривая вопрос расширения области применения копировально-гравии-ровальной техники предлагается новая технология - динамического микрофрезерования, которая совмещает одновременно процессы удара и вращения обрабатываемого инструмента, сводя тем самым к минимуму наличие недостатков и дефектов обработки и позволяет увеличить область применения данного метода как для пластичных так для твердых материалов (а именно устранить и минимизировать влияние скола при получении значительно больших глубин -для хрупких материалов; устранить наличие «выплывов» у пластичных материалов).
Одним из основных параметров предлагаемого метода можно считать величину внедрения инструмента за один оборот его вращения (подача мкм/об.). Исходя из уело-
Рис. 5. Электромеханический преобразователь
вий образования скола, допустимый диапазон внедрения определится как:
[ЛИ] <С/0.2*1%о/2.
Если инструмент за каждый свой оборот будет внедряться в материал на глубину [АЬ], то скорость его внедрения в материал -Уъ (линейная скорость) будет зависеть от угловой скорости ю (об/мин), тогда можно записать - Уъ= [АЬ]*ю. Тогда время внедрения, определяющее быстродействие или производительность процесса можно записать - твн = Н/Уъ = Н / [ДЬ]*ш, где: [АЬ] -дискрета внедрения; - угловая частота вращения. То есть чем больше величина внедрения АЬ и угловая частота вращения инструмента, тем меньше время внедрения одного цикла (выше производительность).
На рис. 5 представлена схема устройства электромеханического преобразователя, которая реализует назначенный режим.
Дальнейшей задачей разработки является определение оптимальных технологических параметров подачи и скорости вращения инструмента исходя из физико-механических свойств обрабатываемых материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Миков И.Н., Морозов В.И., Павлов Ю.А., Технологические принципы факсимильного механического копирования. - М.: Автоматизация и современные технологии, К, 2000. - с. 18-23.
2. Темников Ф.Е., Афонин В.А., Дмитриев В.И. Теоретические основы информационной техники. - М.: ЭНЕРГИЯ, 1970, - с. 341-343.
3. Протасов Ю.И Разрушение горных
пород. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 1995.
4. Миков ИН, Кондратенко В.Г., Казаков
В.А., Порцев В.М. Станочная компьютерная технология чеканки при нанесении художественных изображений на поверхностях пластичных материалов методом растрирования. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, ГИАБ № 4, 2003, - с. 147150.
— Коротко об авторах
Миков ИН - кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
