CC BY
66
УДК 621.9.06-529
ФОРМИРОВАНИЕ НА ФАСОННОЙ ПОВЕРХНОСТИ УРОВНЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ОПТИЧЕСКОЙ ЧИСТОТЫ ПУТЁМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАНКА С ЧПУ
© 2012 С. Р. Абульханов1, М. Б. Сазонов2
1 Самарский государственный технический университет Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва
(национальный исследовательский университет)
В статье рассмотрена возможность оптимизации уровня шероховатости фасонных поверхностей средствами токарного станка с ЧПУ.
Фасонная поверхность неканонической формы, твёрдотельная модель, рассеиватель осветительного устройства, САМ- система, станок с ЧПУ.
Появление деталей, имеющих нетрадиционные формы, т. е. формы, которые не могут быть представлены с необходимой точностью в виде суперпозиции таких канонических поверхностей, как плоскость, конус, сфера и тор, получаемых путём протягивания профиля вдоль трёхмерной кривой, построения сплайновой поверхности по контрольным точкам, гладкого сопряжения между двумя фрагментами. Такие поверхности сочетают в себе промышленную эстетику и функциональность и играют важную роль при проектировании в авиационной, автомобильной и судостроительной промышленности, а также в других отраслях. Поверхности высокого качества, формируемые из комбинаций фрагментов с высокой степенью гладкости в точках сопряжения (требующей совпадения не только касательных плоскостей, но и кривизны) известны как поверхности класса «А» (Class А) [1]. Во многих источниках информации неканонические поверхности относят к поверхностям свободных форм (Free Form Surface) [2-4]. Такие поверхности используются в оптике [5-6], при проектировании кузовных деталей автомобилей [7-8], в корпусах бытовой техники, обуви [9-10].
Для создания поверхности Free Form, обладающей оптическим действием и являющейся комбинацией фрагментов плоских, сферических, торических, а также асферических и аторических поверхностей, требуются оборудование с ЧПУ и специальное программное обеспечение [11]. С его помощью создаётся точечный файл (Point File), который полностью описывает поверхность Free Form в соответствии с требуемыми допусками на геометрические размеры поверхности Free Form и заданных качест-
венных параметров поверхностного слоя. Точечный файл впоследствии будет использован для задания траектории движения обрабатывающего инструмента.
Малый допуск на изготовление геометрических размеров таких поверхностей приводит к тому, что аппроксимация поверхностей Free Form суперпозицией фрагментов канонических поверхностей (плоскость, конус, сфера и тор) имеют очень малые размеры, величина которых приводит к особенностям функционирования механических систем станка с ЧПУ. Эти обстоятельства определяют особенности написания программы для системы ЧПУ станка, обрабатывающего поверхность оптического качества и свободной формы.
Рассмотрим обработку осесимметричной линзы свободной формы, устанавливаемой на светодиод для формирования в заданном направлении необходимой кривой силы света источником света (светодиода) (рис. 1).
В качестве материала линзы был использован стержень 0 22 мм марки
PLEXIGLAS® XT и GS немецкого завода Rohm AG. По своим физико-технических свойствам возможно использование оргстекла литого ТОСП - У или экструзионного стекла ACRYMA®72 производства ОАО «Оргстекло» г. Дзержинск РФ, имеющего светопроницаемость 92% и коэффициент преломления 1,49 (ГОСТ 19927-74 Пластмассы. Методы определения показателя преломления). В соответствии с рекомендациями справочников [12-13] в качестве режущей пластины резца был выбран естественный алмаз (рис. 2). Резец был изготовлен на Томилинском заводе алмазного инструмента.
Рис. 1. Линза, устанавливаемая на светодиод
Функциональные свойства деталей, среди которых можно отметить электропроводность, теплопроводность, коррозионную стойкость, износостойкость, контактную жёсткость, прочность запрессовок, связаны с качественными параметрами их поверхностей, включающими параметры уровня шероховатости. Интенсивность отражённого или рассеянного света, поглощение его при прохождении через поверхность прохождения сред определяются степенью гладкости поверхностей оптической детали, а также наличием таких дефектов, как царапины, точки, выколки.
Для оценки качества поверхности, определяемого её микрорельефом, используют два критерия: шероховатость поверхности и чистота поверхности. Микрорельеф сопрягаемых или трущихся поверхностей оценивают параметрами уровня шероховатости (ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики), а поверхность оптической детали кроме шероховатости оценивают ещё и чистотой (ГОСТ 11141-84 Детали оптические. Классы чистоты поверхности. Методы контроля). Чистоту оптической поверхности оценивают возникающими при обработке случайными дефектами в виде точек, царапин, выколок, которые приводят к дополнительным энергетическим потерям по сравнению с потерями, вызываемыми шероховатостью оптической поверхности. Количество, продольные и поперечные размеры, а также скопление этих дефектов нормируют классами чистоты. Это в равной степени относится к оптическим поверхностям деталей не только из стекла, но и других материалов (кремний, керамика, алюминий).
Уровень шероховатости поверхностей различных деталей назначают на основании требований, например, технической эстетики, коррозионной стойкости, адгезионных свойств, усталостной выносливости, технологии изготовления.
Уровень шероховатости и геометрические размеры поверхности класса А доводятся до соответствия требуемым техническим условиям путём срезания вершин микрорельефа поверхности, сформированного предыдущими технологическими операциями. При обработке поверхности путём снятия стружки на финишных операциях проводят срезание вершин микрорельефа. Эта операция осуществляется, как правило, многократно до получения вместо вершин плоских фрагментов поверхности, количество которых и величина определяют эксплуатационные и эстетические характеристики поверхности класса А.
При изготовлении элементов дифракционной оптики, имеющих поверхности Free Form, координаты которых заданы точечным файлом (Point File), имеет место достаточно малый допуск (от 10 мкм и значительно менее), т. е. допустимый интервал реальных геометрических размеров, определяемый и уровнем шероховатости обработанной поверхности, очень мал. Помимо этого точечный файл имеет величину дискретизации координат одного порядка с используемыми в 34
Г
Рис. 2. Оснастка (а) для установки алмазного резца (б); в - восьмикратное увеличение режущей кромки алмазного резца; г - размеры углов в плане (<р и (рі) режущих кромок алмазного резца
станках с ЧПУ минимальных и стабильных величин перемещений исполнительных органов (0,5-5 мкм для станков общемашиностроительной точности). Указанные обстоятельства приводят к особенностям функционирования механических систем станка с ЧПУ при обработке элементов дифракционной оптики с поверхностями свободных форм, которые определяют и особенности управляющей программы для ЧПУ.
В неспециализированных станках и центрах используется суппорты, работающие в декартовой системе координат. В этом случая любая кривая траектории движения инструмента, принадлежащая обрабатываемой поверхности, аппроксимируется ступенчато. При использовании оператора линейной интерполяции G1 (стандарт ISO 6983), задающего обрабатываемую поверхность Free Form, будет иметь место снижение точности по причине ступенчатой аппроксимации прямого отрезка траектории движения инструмента от точки к точке Point File (рис. 3). Точность обработки можно повысить при аппроксимации траектории движения инструмента фрагментами окружностей, используя операторы круговой интерполяции G2. При этом два соседних фрагмента аппроксимирующих окружностей должны быть касательными между собой. Это необходимо для того, чтобы на границах аппроксимирующих фрагментов окружностей не было линии со-
пряжения.
Использование оператора G2 позволит также повысить точность обработки, если начало движения по аппроксимирующей окружности начнётся и закончится на точках, не принадлежащих обрабатываемой поверхности (рис. 3). Это необходимо для обеспечения более стабильного режима точения. При движении от одной точки к другой из Point File система числового программного управления в конце выполнения каждого кадра (команды) включает оператор G09, приводящий к замедлению в конце каждой команды движения инструмента по траектории, обусловленной управляющей программой. Поскольку суппорт станка с установленным на нём в резцедержателе инструментом обладают достаточной массой, а дискреты по координатам между точками, задающими обрабатываемую поверхность, малы, то механика станка может не успевать отрабатывать команды, поступающие на исполнительные органы станка, от ЧПУ станка. По этой причине при использовании оператора G2, который начинает и заканчивает работать в точках, не принадлежащих поверхности Free Form, увеличивается длина линии движения инструмента по команде G2, в результате чего срабатывание оператора G09 происходит на участке обрабатываемой поверхности.
G2
Рис. 3. Траектория движения режущего инструмента при различных видах аппроксимации поверхности свободной формы: а - линейная интерполяция; б - круговая интерполяция
Таким образом, возможные сбои работы механики либо исключаются полностью, либо происходят за границей обрабатываемой поверхности.
Помимо этого любой механической
системе присущ люфт, величина которого определяется классом точности станочного оборудования. Ввиду того, что траектория движения инструмента аппроксимируется некоторой совокупностью фрагментов ок-
ружностеи, соседние из которых попарно касательны между собой, то люфты поперечного и продольного ТТТВП могут снизить точность обработки поверхности Free Form. Устранить влияние люфтов можно, подходя к точке начала движения по аппроксимирующей окружности, двигаясь к точке начала движения по окружности по определённой траектории, которая позволяет предварительно (до начала движения по аппроксимирующей окружности) выбрать люфты поперечного и продольного ТТТВП Методика определения такого рода траектории, позволяющей выбрать люфты ТТТВП, изложена в работах [14-15]. Известные авторам CAE-системы не позволяют сгенерировать управляющие программы для станков с ЧПУ, учитывающие приведённые выше обстоятельства.
Для повышения точности обработки точением поверхностей свободных форм целесообразно использовать опции ЧПУ, поддерживающие постоянной скорость резания. Кроме того, в соответствии с рекомендациями системы СПИД необходимо оптимизировать жёсткость тела резца с алмазной режущей кромкой.
Учитывая существующий практический опыт и технические требования, была изго-
товлена из экструзионного оргстекла АСЖУМА®72 линза, устанавливаемая на светодиод (рис. 1). При обработке поверхности свободной формы линзы использовались операторы линейной интерполяции 01. Резец двигался с подачей £ = 0,02 мм/об, при каждом проходе по контуру снималась толщина оргстекла 1 = 0,1 мм. Охлаждение отсутствовало, при поддержании постоянной скорости резания частота вращения (И) шпинделя из металось в пределах от 500 до 1500 об/мин.
Внутренний контур требовал специальной оснастки, которая не была выполнена, поэтому исследовался и анализировался микрорельеф только наружной поверхности линзы. Характер сформированного алмазным резцом микрорельефа исследовался с помощью инструментального микроскопа при 8 - кратном увеличении.
Поскольку резец двигался с подачей
0,02 мм/об, то ожидалось увидеть на поверхности винтовую линию с шагом 0,02 мм. Однако на обработанной поверхности были обнаружены только кольцевые канавки (рис. 4). Это указывает на два обстоятельства, обусловливающие формирование такого микрорельефа на поверхности свободной формы:
Рис. 4. Формирование микрорельефа на поверхности свободных форм при использовании оператора линейной
интерполяции О!
- движение по оси X в системе ЧПУ производства «Балт-Систем» является приоритетным по отношению к движению по оси Z. Это означает, что при формировании криволинейной траектории движения режу-
щего инструмента в границах точности, обеспечиваемой используемым станком, в первую очередь осуществляется движение по оси X и лишь потом по оси Ъ,
- на обработанной поверхности невоо-
ружённым взглядом были видны кольцевые канавки, что свидетельствует о срабатывании оператора G09 в завершении каждого оператора G1. Поскольку длина перемещения вершины резца по команде каждого оператора G1 невелика, то механика станка не успевает отработать команды G1 и затем хронологически G09. Это означает, что процесс торможения суппорта по команде G09 начинается практически сразу после начала работы оператора G1, именно поэтому на обработанной поверхности формируются кольцевые канавки.
Выводы
1. Для снижения уровня шероховатости на поверхности свободных форм целесообразно использовать при аппроксимации обрабатываемой поверхности операторы круговой интерполяции.
2. Жёсткость резца должна быть оптимизирована с учётом жёсткостей обрабатываемой детали и шпинделя станка.
3. Для достижения требуемого уровня шероховатости и геометрических размеров детали необходимо выбирать точку начала движения вершины резца по окружности таким образом, чтобы резец срезал вершины микрорельефа участков, предварительно обработанных с помощью оператора G2.
Библиографический список
1. http://www.kodg-3d.com/m/tutorials / aliasvsrhino/45-class-a.html
2. Алгоритм визуализации трёхмерных данных, заданных поверхностями свободных форм [Текст] / С И. Вяткин, Б. С. Долгове-сов, А. В. Есин [и др.] // Программные продукты и системы. - 1999. - № 3. - С. 6-13.
3. Tatiana, S. Matching and Morphing Freeform Surfaces. Research Thesis, LAMBERT, 2010.- 160 p.
4. Free-Form Deformation for Implicit Surfaces. A Sketch-Based Method to Control Deformation in a Skeletal Implicit Surface Modeler, LAMBERT, 2010.- 160 p.
5. Досколович, JI.JI. Проектирование светотехнических устройств и ДОЭ [Текст] / Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский, С.И Хари-
тонов // Компьютерная оптика. - 1998. - № 18. - С. 91-96.
6. Технология Free Form в производстве очковых линз http://www.optica4all.ru.
7. Евграфов, А.Н. Аэродинамика колёсного транспорта [Текст] / А.Н. Евграфов, М.С. Высоцкий. - Минск: НИРУП «Белав-тотракторостроение», 2001. - 368 с.
8. Папанек, В. Дизайн для реального мира [Текст] / В. Папанек; пер. с англ. - М.: Издатель Д. Аронов, 2004. - 416 с.
9. Фокс, А. Вычислительная геометрия. Применение в проектировании и на производстве [Текст] / А. Фокс, Е. Пратт; пер. с англ. - М.: Мир, 1982. - 303 с.
10. Стрельченя, В. Delcam Shoe Solution -от идеи дизайнера до серийного производства обуви [Электронный ресурс] / В. Стрельченя // САПР и графика, № 9, 2003. http://www.delcam.ru/industry/footwear/Delca m_Shoe_Solution.htm
11. Методы изготовления элементов дифракционной оптики резанием на станках с ЧПУ [Текст] / С.Р. Абульханов, Н.Л. Казанский, Л.Л. Досколович [и др.] // Станки и инструменты, 2011. - № 9. - С. 20-28.
12. Баранчиков, В.И. Обработка специальных материалов в машиностроении: справочник. Библиотека технолога. [Текст] / В.И. Баранчиков, А.С. Тарапанов, Г.А. Харламов - М.: Машиностроение, 2002. - 264 с.
13. Адаскин, А.М. Материаловедение и технология материалов [Текст] / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. //"Профессиональное образование" ГРИФ, - М.: Форум, 2010. - 334 с.
14. Системы числового программного управления [Текст] / В.Л. Сосонкин [и др.]. -М.: Логос, 2005. - С.124, 263-266.
15. Повышение точности определения периодических составляющих микропрофиля обработанных ультрапрецизионных поверхностей [Текст] / М.С. Сазонова, Е.Е. За-порожченко, С.Н. Лавриненко [и др.] // Сучасні технології в машинобудуванні = Modem Technologies of engineering. - Харьков: НТУ “ХПГ, Вип. 5, 2010. - C.209-217.
I III FORMATION OF I II I CONTOURED SURFACE ROUGHNESS LEVEL OF OPTICAL PURITY BY USING A CNC MACHINE
© 2012 S. R. Abulkhanov1, М. B. Sazonov2
Samara State Technical University 2Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov
(National Research University)
The possibilities of optimizing the level of roug Samara State Aerospace Universityhness profile surfaces means CNC lathe. Using a diamond cutter, especially machine design and software provided by the CNC system, the technological process, which is close to the technical nature of nursing, which can significantly reduce the level of rouglmess of the curved surface. The reduced level of rouglmess occurs at any fragment contoured surface. Software, the influence of transverse and longitudinal play ball - screw propellers, and get micro rough surface with a flat top, which favorably affect the performance properties, such as diffractive optical elements.
Shaped surfaces noncanonical form, solid model, diffuser lighting device, CAM-svstem, numerical controlled machine.
Информация об авторах
Абульханов Станислав Рафаелевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и станочные комплексы», Самарский государственный технический университет. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: процессы резьбонарезания и поверхностно-пластического деформирования.
Сазонов Михаил Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры механической обработки материалов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: [email protected]. Область научных интересов: процессы поверхностно-пластического деформирования материалов.
Abulkhanov Stanislaw Rafaelevich, Candidate of Technical Sciences, associate Professor of "Cars and the complex of machines", Samara State Technical University. E-mail: [email protected]. Area of research: processes of screw cutting and surface plastic strain.
Sazonov Mikhail Borisovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: [email protected]. Area of research: processes related to surface plastic strain of materials.
