Новая технология и оборудование с ЧПУ для бездефектного размерного микрошлифования материалов и минералов (алмазов) наукоемких изделий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

.....СЕМИНАР . 23 .

: :::::::ДОКЛАД . НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ . ГОРНЯКА -

2000"

МОСКВА, М ГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года

I:::. fö О.Б. Сильченко, : :::

А.С. Коньшин, 2000 : :

УДК 679.8 ........................

О.Б. Сильченко, А.С. Коньшин

НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ С ЧПУ ДЛЯ БЕЗДЕФЕКТНОГО РАЗМЕРНОГО МИКРОШЛИФОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И МИНЕРАЛОВ (АЛМАЗОВ) НАУКОЕМКИХ ИЗДЕЛИЙ

П

редлагается к технической реализации комплексное техническое решение [1], впервые в мировой практике механической обработки при огранке натуральных алмазов позволяющее осуществить бездефектное размернорегулируемое микрошлифование даже в том случае, если вектор скорости резания совпадает с "твердым" направлением к истиранию кристаллической решетки алмаза, что впервые дает возможность гибко с воспроизводимыми результатами автоматизировать процесс групповой огранки алмазов в различных видах производств на станках с числовым программным управлением при минимизации весовых потерь каждого отдельного наукоемкого изделия из природных алмазов для нано- и микроэлектроники, медицины и ювелирных изделий на базе компьютерных технологий.

Условия управляемости процессом микрорезания твердоструктурных минералов (алма-зов) определены возможностью на основе информации об упругих деформациях в динамически нагруженной обрабатывающей системе реализации предложенной модели физической мезоме-ханики с технологической диагностикой самоорганизующегося процесса накопления усталости преимущественно к возвратно-пово-ротным модам деформаций в период формирования на площади макромасштабного уровня однослойной унитарной ячеистой структуры в виде движущегося в

релаксационном режиме по схеме «сдвиг + материальный поворот» множества трехмерных мезообъемов, являющихся в указанный период синхронного накопления усталости носителями пластического течения и преобразующихся по окончании этого периода в одновременно срезаемое со всей указанной площади множество единичных пластически деформированных стружек с формированием при этом диссипативной структуры приповерхностного слоя обработанного кристалла.

Разработанные способ [2,3] и устройство [4,5] дают возможность впервые сформулировать и реализовать технические требования на изготовление соответствующих многокоординатных станочных модулей различных типоразмеров с интеллектуальными системами числового программного управления.

При этом конструктивные и компоновочные решения станочных модулей обеспечивают следующие базовые технологические возможности:

• размерно-регулируемое микрошлифование в упругой обрабатывающей системе со сверхнизкой врезной подачей, с адаптивным выбором режимов интенсивности съема припуска в области пластичного микрошлифования и их технологической диагностики, обеспечивающей стабильный дискретный процесс струж-кообразования и получения на обработанной поверхности оптических характеристик чистоты (Кг = 0,03 - 0,05 мкм);

• совмещение технологических операций шлифования и микрошли-

фования предварительно необработанных заготовок с отсутствием в результате обработки привнесенных технологическим процессом дефектов в приповерхностном слое готового изделия;

• геометрическую точность обработки по отклонениям от плоскостности не более 1,0 мкм на площади 100 • 100 мм;

• размерную точность обработки по отклонениям от заданных линейных размеров готового изделия не более 1,0 мкм.

Технологическое и программное обеспечение интеллектуальных систем числового программного управления многокоординатными станочными модулями обеспечивают:

• автоматическое определение области режимов интенсивности бездефектного съема припуска в реальных (конкретных) условиях обработки с учетом фактических механических характеристик твердоструктурного и анизотропного обрабатываемого материала и минерала (алмаза);

• технологическое диагностирование и оперативное формирование режимов интенсивности бездефектного съема припуска с учетом фактической режущей способности инструмента, величины исходного припуска на обработку, упругих и температурных деформаций в обрабатывающей системе;

• управление процессом формирования методом "следа" отдельной поверхности в многогранных изделиях произвольно заданной формы в условиях групповой обработки с минимизацией весовых потерь каждого отдельного изделия.

Суперпрецизионные многокоординатные станочные модули с числовым программным управлением позволяют обеспечить:

• число одновременно управляемых осей координат - 6;

• число шпинделей для режущего инструмента (револьверная головка) - 3;

• дискретность задания и отработки перемещений по:

осям X, Y, мкм - 0,05;

оси Z, мкм - 0,005;

осям А,В, град - 0,0001;

• диапазон рабочих подач, мм/мин

- 0,06 ... 4500;

• шероховатость обработанной поверхности Кг, мкм - 0,03...0,05;

варьируемые параметры в зависимости от диаметра инструмента (алмазного шлифо-вального круга) диаметр инструмента 150 мм 250 мм

максимальные величины перемещений по:

линейной оси X, мм 600 1000

линейной оси Y, мм 150 300

линейной оси Z, мм 10 10

круговой оси А, град 90 90

круговой оси В, град 360 • N 360 • N

количество мест в многоместной сменной кассете 9 15

наибольшее число одновременно обрабатываемых

изделий в многоместной сменной кассете 3 5

диапазон частоты вращения шпинделей с режущими

инструментами, об/мин 5000...10000 3000...6000

суммарная подводимая мощность, квт 4,6 7

габаритные размеры станка

длина, мм 1275 2000

ширина, мм 950 1150

высота, мм 1680 1960

вес станка, кг 800 1400

Технические решения механической, электрической и электронной частей станка и программноматематического обеспечения отвечают требованиям дальнейшего совершенствования его потребительских свойств на базе компьютерных технологий за счет расширения технологических возможностей и концентрации операций. В этой связи возможно дальнейшее совершенствование станка за счет наращивания базовых технологических возможностей (обра-ботка исходной произвольной формы каждого "сырого" алмаза в бриллиант, включая предварительную и окончательную обработку "рунди-ста", граней "павильона" и граней "короны") дополнительными функциями, обеспечивающими с одного постанова осуществление измерения и сертификации каждого отдельного "сырого" алмаза с составлением технологического маршрута механиче-

ской обработки и управляющей программы, геометрического формообразования конечного продукта, а также дополнительными функциями, обеспечивающими измерение и сертификацию отдельных внутренних дефектов, не снимая обработанные бриллианты со станка, а также устранение выявленных отдельных дефектов в бриллиантах воздействием на них, например, лазерного луча непосредственно на станке.

В результате применения предложенных способа и устройства возможно обеспечить следующие выходные экономические показатели:

• совместить операции шлифования и микрошлифования при полном устранении микротрещин и достичь оптических классов чистоты на обработанной поверхности;

• достичь с воспроизводимыми результатами высокое качество и размерную стабильность обработанных

оптических поверхностей на технологически сложных деталях оператором независимо от уровня его квалификации;

• повысить точность обработки и снизить долю поверхности, подвергшейся при шлифовании хрупкому разрушению с 99 % до 5 %;

• осуществить автоматический выбор оптимальных режимов резания на более высоких технологических параметрах, чем при ручных операциях полировании и притирке;

• осуществить групповую обработку изделий типа "ювелирная вставка" (диаметр 1...25 мм) в 15-ти местной сменной кассете со стабильным эстетическим качеством, соответствующим бриллиантовой огранке, в условиях мелкосерийного и серийного производства при минимизации весовых потерь на каждом отдельном изделии;

• обеспечить 10-и кратное повыше-

ние производительности при отказе от использования операторов (огранщиков) высокой квалификации, а

также от доводочных операций (притирке, полировки);

• обеспечить годовой объем в количестве 30000 штук в год при огранке "ювелирных вставок" с 57-ю гранями из природных алмазов (объемом сырья 25000 карат) тремя операторами на 2-х станках при 3-х сменной работе;

• обеспечить годовой объем в количестве 420000 штук в год при обработке в "твердом" направлении подложек из натуральных алмазов для изделий нано- и микроэлектроники тремя операторами на 2-х станках при 3-х сменной работе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сильченко О.Б., Коньшин А.С. "Моделирование процессов бездефектного резания алмазов на принципах физической мезомеха-ники". Труды Научно-практической конференции МГГУ "Неделя горняка - 99", с.6.

2. Сильченко О.Б. "Разработка метода и требований к оборудованию для бездефектного (пластичного) размерного резания хрупких материалов", - Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук, Москва, ЭНИМС, 1995 г.

3. А.Е. Панин "Теория физической мезомеханики материалов". Журнал "Физика", Известия ВУЗов, N1, 1998, с.7-34.

4. Konszin Л£., Мото^о^^ W.I., Prodedowicz J.W., Silczenko О.В. Wybrane ргоЫету ukladow те^ап^пу^ оЬгаЫагек ргесу2у]пуск-XXXVII Sympozjon «Modelowame w те^атсе», 1998, zeszyt пг 7, р.173.

5. Патенты Российской Федерации: №№ 1309444, 1356359, 1695595, 1783696, 2019384, 2123627.

X*

Сильченко Ольга Борисовна — кандидат технических наук, докторант кафедра «Технология художественной обработки минералов», Московский государственный горный университет, директор ЗАО «Анкон».

Коньшин Анатолий Сергеевич — кандидат технических наук, президент ЗАО «Ан-

г