CC BY
22
УДК 666.9-16 Т.Б. Теплова
УЧЕТ УПРУГИХ ПОСТОЯННЫХ УПРУГОЙ ОБРАБАТЫВАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ПРИ МИКРОШЛИФОВАНИИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Семинар № 23
Традиционными способами обработки лейкосапфира является шлифование и полирование. Известные методы шлифования этих материалов связанным и свободным абразивом имеют ряд недостатков, главным из которых является нарушение поверхностного и подповерхностных слоев при обработке. Это существенно уменьшает выход годной продукции.
Известен метод шлифования в режиме пластичности. Шлифование в режиме пластичности достигается при обеспечении жесткости конструкции шлифовальной установки, регулирования поперечной подачи в масштабе реального времени, современной технологии правки шлифовального круга и относительной изоляции от внешних возмущений. В результате заготовки из хрупких материалов можно механически обрабатывать в регулируемом режиме. При этом обеспечивается такая чистота обработки поверхности, как при полировании и притирке, осуществляемых в ручном режиме. При малой глубине резания и низких врезных подачах все хрупкие материалы могут обрабатываться в режиме пластичного течения, а не хрупкого разрушения.
В результате проведенных экспериментов на большом количестве аморфных стекол, монокристаллов и
современных керамических материалов авторами (1) была сформулирована гипотеза шлифования в режиме квазипластичности, суть которой состоит в том, что все материалы, независимо от их твердости и хрупкости, в процессе механической обработки претерпевают переход от хрупкого режима разрушения материала к ква-зипластическому, если подача достаточно мала. Этими исследованиями установлено, что изменение поперечной подачи на оборот шлифовального круга при шлифовании с 75 до 2 нм*мин-1 приводит к уменьшению доли поверхности, охваченной разрушением с 99 до 5 %.
Для того, чтобы обеспечить достаточную жесткость, высокую разрешающую способность дискретного стабильного перемещения относительно производящей инструментальной поверхности (ПИП), создана упругая обрабатывающая система (УОС), которая реализована в станке АН12ф4 с числовым программным управлением (ЧПУ) на основе использования компьютерного управления технологией бездефектного размерно - регулируемого шлифования.
Упругая обрабатывающая система (УОС) позволяет осуществить:
• повторяемость и с высокой точностью воспроизводимость микроперемещений исполнительных орга-
Рис. 1
нов шлифовального станка одновременно по меньшей мере по 6-ти координатным осям в режиме управления прямым счетом импульсов (без датчиков обратной связи), обеспечивающих высокоточный контроль входных параметров интенсивности съема припуска;
• супервысокоточное динамическое воздействие на ОП кристалла ритмичным полем УОС;
• контроль выходных параметров микрошлифования на основе математической (цифровой) обработки информации о фактических упругих деформациях в обрабатывающей системе, в том числе контроль за отношением между величиной статической и амплитудой динамической составляющими упругих деформаций, а также контроль за частотой колебаний динамической составляющей упругой деформации;
• тестовую идентификацию фактической постоянной времени пере-
ходных процессов резания (в реальном масштабе времени обработки) в УОС, интегрально характеризующую фактическое состояние ее статических и динамических параметров;
• управление с заданной высокой точностью статическими параметрами и размерной настройкой УОС;
• управление с заданной высокой точностью динамическими параметрами УОС для получения заданных (выходных) оптических характеристик чистоты на окончательно обработанной поверхности;
• технологическую диагностику в реальном масштабе времени процесса резания с адаптивной
стабилизацией постоянной времени переходных процессов резания в УОС для обеспечения квазипластичного микрорезания без потери сплошности основного монокристалла, формирования диссипативной структуры приповерхностного слоя на обработанной поверхности с отсутствием нижележащих нарушенных слоев.
Параметры станочного модуля приведены в работе (2). Схема станочного модуля приведена на рис. 1
Для получения стабильных результатов микрошлифования с наномет-ровой шероховатостью поверхности необходимо контролировать и регулировать все упругие звенья упругой обрабатывающей системы станочного модуля.
Обладая достаточной жесткостью в каждом своем звене УОС все же имеет подвижность между своими частями. При этом можно выделить упругие взаимодействия частей, оказываю-
л,
Б = 0.17182815 г = 0.99740803
Р, кГ
М = а + ЬР, а = - 0.36071842, Ь = 1.3847045
Рис. 2
щих наибольшее влияние на результаты микрошлифования
материала:
1. ПИП-ОП образца материала;
2. Образец-державка;
3. Державка-цанга;
4. Цанга-плита;
5. Плита-станина
Общая упругая деформация является суммой деформаций каждой части.
В соответствии с законом Гука Р = = к*х, где к-жесткость (Н/м), х-деформация(м), среднее значение силы Рср = Р/2.
Т.к. работа по упругому сжатию над системой в целом равна сумме работ по сжатию каждой части, то:
Атр. уос = к1*х12/2 + к2*х2 2/2 +
+к3*х32/2 + к4*х42/2 + к5*х52/2
Были проведены эксперименты по определению зависимости деформации упругой обрабатывающей системы при нагружении в статическом и динамическом состоянии. По результатам полученных значений величин нагрузок и деформации системы построен график рис. 2
При исследовании процесса нагружения упругой обрабатывающей системы в динамике были получены осциллограммы процесса микрошлифования (рис. 2), зависимость амплитуд которых от величены приложенной нагрузки приведена в таблице.
Величина нагрузки, кГ Амплитуда, В
3,7 0,94
5 0,54
0 1,14
мкм
Эксперимент проводился при микрошлифовании монокристалла искусственно выращенного лейкосапфира.
Составив систему уравнений с применением коэффициента пропорциональности:
Р -3,7 = к*0,94 Р -5 = к*0,54,
можно определить силу Р - нормальную составляющую силы резания, действующую в упругой обрабатывающей системе станочного модуля в процессе квазипластичного микрошлифования, а также повести торри-ровку осциллограмм, сопоставляя
1. Bifano. T.G. .Blake. P., Dow, T.A., and Scattergood, R.O., “Precision Machining of Ceramic Materials” Proc. of the Intersociety Symposium on the Machining of Ceramic Materials and Components. R. E. Parks. K. Subramsnian K Ball eds Am Cer. Soc., ASME Abras. End. Soc..pp.99-120, April. 1987 (Updated and Reprinted in American Ceramic
усилия, развиваемые системой при микрошлифовании с амплитудой выходного сигнала пьезодатчика, расположенного под обрабатываемым кристаллом. Проведя необходимые вычисления, находим величину силы F = =2,7кГ
Учет упругих постоянных УОС имеет важное значение для определения одного из критериев процесса размерно-регулируемого шлифования для получения обрабатываемого изделия с заданными параметрами, а также для последующей автоматизации этого процесса.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Society Bulletin, June. 1988. Vol. 67, No.6. pp. 1038-1044.
2. Теплова Т.Б. Перспективы технологии размерно-регулируемого шлифования твердых высокопрочных материалов. - М: ГИАБ, 2004, №7.
— Коротко об авторах
Теплова Т.Б. - кандидат технических наук, докторант, кафедра «Физика горных пород и процессов», Московский государственный горный университет.
