Технологические аспекты диагностики бездефектной обработки кристаллов Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

1АР 23

1ЛД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2 10СКВА.^МГГУ.я31яянваряя-я4яфевраляя2000я-одая

Т.Б. Теплова, О.Б. Сильчен А.С. Коньшин, 2000

к°.

УДК 679.8:622.371

Т.Б. Теплова, О.Б. Сильченко, А.С. Коньшин

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДИАГНОСТИКИ БЕЗДЕФЕКТНОЙ ОБРАБОТКИ КРИСТАЛЛОВ

Огранка алмазов в бриллианты является наиболее ответственным и трудоемким технологическим процессом в ограночной отрасли. Анализ путей совершенствования процесса огранки алмаза показывает, что без развития методов и средств технологической диагностики невозможно снизить трудоемкость в ограночной отрасли за счет автоматизации этого процесса.

В настоящее время, когда окончательную огранку осуществляют вручную, имеет место субъективный контроль размерных параметров, сходимости граней и качества обработки. При этом огранщик руководствуется своими органами чувств и диагностика процесса обработки субъективно зависит от квалификации огранщика. Поэтому для операции огранки привлекают мастеров- огранщиков супервысокой квалификации. В связи с тем, что при этом невозможно осуществить объективное диагностирование процесса огранки, то качество получаемых бриллиантов, как правило, оказывается невысоким из-за отсутствия повторяемости и однозначности при оценке выходных параметров обработки.

Существующее представление о физике процесса огранки алмазов не позволяет его автоматизировать в первую очередь с целью осуществления одновременной групповой обработки, повышающей не только качество, но и производительность огранки. При этом ручной процесс огранки осуществим только при обработке алмаза в «мягком» направлении. Принятое в настоящее время объяснение физической сути шлифовки и полировки алмаза базируется на принципах процесса истира-

ния кристаллической решетки в мягком направлении.

Решение проблемы диагностики параметров шлифования является ключевым при автоматизации процесса одновременной групповой огранки алмазов. Чтобы автоматизировать групповую огранку необходимо осуществить диагностику этого процесса, при обработке каждого отдельного алмаза в реальном масштабе времени с учетом конкретных анизотропных характеристик обрабатываемой поверхности относительно вектора скорости резания. Для этого необходимо формализовать процесс диагностики, сделать его объективным и независимым от субъективных оценок огранщика. Огранка алмаза относится к числу критических технологических процессов с точки зрения необходимости исключения возможных дефектов привносимых технологическим процессом на обработанную поверхность. Для автоматизации такой критической технологии необходим постоянный контроль всех параметров обработки с тем, чтобы в нужный момент оперативно внести соответствующие коррективы.

Для объективной диагностики и управления параметрами огранки требуется создание и реализация принципиально новой физической модели деформационных процессов при микрорезании, учитывающей не только «мягкое», но также и «твердое» направления. Так как существующая теория истирания кристаллической решетки при огранке алмаза только в «мягком» направлении не может явиться основой для осуществления управления обработки алмаза в «твердом» направлении, то до настоящего времени отсутствовала возможность автоматизации процесса огранки алмазов для их одновременной групповой обработке, при которой одновременно имеет место огранка алмазов как в «твердом», так и в «мягком» направлениях.

Докторантом МГГУ Сильченко О.Б. разработана принципиально новая модель пластической деформации кристалла в мезо-

объемах при бездефектной обработке, основанная на физической мезомеханике. Суть этой модели изложена в докладе Сильченко О. Б. « Современные проблемы пластичности и прочности кристаллов» на нашем семинаре. Реализация этой модели позволяет диагностировать состояние параметров процесса огранки и упругой обрабатывающей системы в состоянии установившегося устойчивого процесса, т.к. в этой области имеет место однозначное соответствие между скоростью врезной подачи (мм/сек) и скоростью удаления припуска (мм/сек). В соответствии с реализуемой моделью индикатором установившегося процесса резания является наличие в упругой обрабатывающей системе динамической составляющей силы резания, изменяющийся в режиме автоколебаний. Идентифицируя по таким автоколебаниям наличие процесса обработки в устойчивом состоянии, получается размерноуправляемый и бездефектный режим огранки алмазов, который можно непрерывно диагностировать как по размеру так и по качеству обработанной поверхности. При этом имеет место математически однозначная функциональная взаимосвязь между входными и выходными параметрами, которые постоянно возможно контролировать.

Для диагностики параметров процесса резания в упругой обрабатывающей системе удобно идентифицировать и, тем самым, диагностировать постоянную времени переходных процессов резания в этой системе, так как этот параметр интегрально отображает:

• фактическое состояние упругой обрабатывающей системы;

• анизотропию характеристик обрабатываемой поверхности материала;

• остроту режущих зерен;

• механическую жесткость станка и крепления деталей, а также жесткость связки обрабатывающего инструмента;

• температурные деформации.

Постоянная времени переходных процессов резания определяет решение дифференциального уравнения, описывающего процесс микрошлифования, при котором скорость съема припуска пропорциональна статической составляющей силы резания:

где Л - жесткость системы, кг/мкм; Хвх -суммарная врезная подача, мкм; Хвых - снятый припуск, мкм; С р - коэфф. пропорциональности, кг-с/мкм.

Решение этого уравнения имеет вид:

А, =

-1 Т

( тЫ, ^

1 - е~ ~

(1),

где 8о - исходная подача, мкм; д -

знаменатель затухания подачи по закону геометрической прогрессии; N - количество проходов; т - время одного прохода, с; А, -упругая деформация, накапливаемая в упругой обрабатывающей системе, мкм; Т - постоянная времени переходных процессов, с.

Кроме того при реализации модели пластической деформации в мезообъемах, разработанной Сильченко О.Б., обеспечивается объективный контроль не только размерных параметров обработки, но также и контороль качества обработанной поверхности по величине микронеровностей Р2. При этом за счет непрерывной идентификации отношения между статическими Аф (мкм) и динамическими А,ф (мкм) (факти-чес-кими) составляющими упругих деформаций в обрабатывающей системе, а также идентификации фактической частоты fф (сек-1 ) автоколебаний динамической составляющей А,ф (мкм) возможно непрерывно идентифицировать фактическую величину - постоянную времени Тф (сек) переходных процессов в упругой обрабатывающей системе путем осуществления вычислительных операций при решении уравнения:

Тф=-

А

Ф

(2)

Систему уравнений (1) и (2) непрерывно в реальном времени анализируют численными методами в устройстве ЧПУ (на базе персонального компьютера) шлифовального станка путем соответствующей переработки информации об упругих деформациях в обрабатывающей системе, поступающей с пьезоэлектрических датчиков. Это позволяет постоянно, т.е. в реальном масштабе времени обработки, технологически диагностировать и контролировать основные параметры бездефектного микрореза-

Т

ния (по размерным параметрам с точностью 0,1 мкм и по качеству обработанной поверхности ^=0,03-0,05 мкм) автономно

на каждом отдельном изделии в процессе их одновременной групповой обработки.

Теплова Т.Б. - аспирант, кафедра «Технология художественной обработки минералов», Московский государственный горный университет,

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 «Анкон».

У