Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности обработки отверстий в неметаллических материалах алмазным сверлением 8
1.1 Общие сведения и теория разрушения хрупких неметаллических материалов 8
1.2 Технологические особенности алмазного сверления неметаллических материалов, применяемое оборудование и инструмент 16
1.3 Существующие модели и основные закономерности процесса алмазного сверления 29
1.4 Методики выбора режимов алмазного сверления 37
1.5 Выводы по главе 1, цели и задачи исследования 46
ГЛАВА 2. Моделирование процесса алмазного сверления 49
2.1 Основные положения теории подобия и метода анализа размерностей... 49
2.2 Исследование процесса алмазного сверления в неметаллических материалах с помощью методов теории подобия и анализа размерностей 56
2.3 Аналитическое моделирование процесса алмазного сверления 64
2.4 Выводы по главе 2 76
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования процесса алмазного сверления в неметаллических материалах 79
3.1 Методика экспериментального исследования 79
3.2 Экспериментальные исследования процесса алмазного сверления в неметаллических материалах 83
3.3 Разработка методики выбора режимов алмазного сверления 96
3.4 Выводы по главе 3 110
ГЛАВА 4. Разработка системы автоматического управления процессом алмазного сверления 112
4.1 Анализ процесса алмазного сверления как объекта управления 112
4.2 Синтез САУ процессом алмазного сверления в неметаллических материалах 119
4.3 Рекомендации по аппаратной реализации САУ 128
4.4 Выводы по главе 4 138
Основные результаты и выводы 140
Список литературы 142
Приложение А 150
- Общие сведения и теория разрушения хрупких неметаллических материалов
- Технологические особенности алмазного сверления неметаллических материалов, применяемое оборудование и инструмент
- Исследование процесса алмазного сверления в неметаллических материалах с помощью методов теории подобия и анализа размерностей
- Экспериментальные исследования процесса алмазного сверления в неметаллических материалах
Введение к работе
Актуальность. Хрупкие неметаллические материалы, такие как
керамика, стекло, ситаллы (стеклокерамика) находят все более широкое
применение в машиностроительной, электротехнической,
приборостроительной, химической промышленности, авиационно-космической и ракетной технике, ядерной энергетике, строительстве
Стекло, керамика и ситаллы обладают высокой твердостью, износостойкостью и склонностью к хрупкому разрушению, поэтому одной из самых трудоемких и ответственных операций при изготовлении деталей из неметаллических материалов является формообразование отверстий
В настоящее время для формообразования отверстий от 1,0 до 1000 мм наиболее широко применяют алмазное сверление, имеющее ряд особенностей, связанных с кинематикой процесса и обработкой хрупких материалов связанным абразивом Вследствие особенностей хрупкого разрушения неметаллических материалов процесс алмазного сверления протекает достаточно эффективно лишь в режиме самозатачивания инструмента, которое в первую очередь обеспечивается назначением оптимальных режимов сверления
Нужно отметить, что не существует широко распространенной универсальной методики выбора режимов алмазного сверления, подобной методике расчета режимов обработки для металлических материалов Выбор режимов резания при алмазном сверлении осуществляется согласно технологическим рекомендациям производителей алмазных сверл в зависимости от диаметра отверстия и материала обрабатываемой детали, причем рекомендуемые значения подачи и скорости главного движения изменяются в широких пределах При назначении неоптимальных режимов сверления не обеспечивается заявленная поставщиком стойкость и производительность
Сверление неметаллических материалов в основном ведется на универсальных и специальных сверлильных, а также фрезерных станках При этом не обеспечиваются режимы обработки оптимальные для диспергирования неметаллических материалов, что приводит к снижению производительности процесса и перерасходу дорогого алмазного инструмента
Существующие разработки подтверждают, что применение адаптивного управления режимом обработки на основе информации из зоны резания по каналу подачи позволяет значительно повысить эффективность алмазного сверления В этой связи перспективным представляется применение систем, реализующих управление процессом сверления и по скорости главного движения и по подаче
Повышение производительности алмазного сверления в неметаллических материалах при заданном качестве обработанной поверхности на основе автоматического управления режимами обработки в настоящее время является актуальной научной задачей
Цель работы — повышение производительности алмазного сверления в деталях из стекла и других неметаллических материалах при заданном качестве обработанной поверхности на основе адаптивного управления режимами обработки
Методы исследований. В настоящей работе используются методы классической механики, теории сопротивления материалов, теории подобия и анализа размерностей, аналитическое и численное моделирование, методы теории автоматического управления Исследование объекта управления проводилось экспериментальными методами, обработка экспериментальных данных - методами математической статистики
Научная новизна. 1 Установлено, что силовые параметры процесса зависят не только от
абсолютных величин факторов режима обработки, но и от их отношения
Предложен новый показатель процесса сверления - критерий диспергирования
На основе выявленных с помощью методов теории подобия и анализа размерностей функциональных связей между критерием диспергирования и факторами режима сверления разработана математическая модель процесса обработки
Разработан алгоритм выбора подачи и скорости резания при алмазном сверлении по заданным параметрам качества обработанной поверхности
Разработана система адаптивного управления процессом алмазного сверления по каналам подачи и скорости резания для оптимального хода процесса диспергирования неметаллических материалов Практическая ценность и реализация работы. На основе проведенных
исследований разработана методика выбора режимов алмазного сверления, учитывающая материал детали, параметры алмазного инструмента и желаемые параметры качества обработанной поверхности Даны рекомендации по реализации адаптивной системы управления процессом алмазного сверления по каналам подачи и скорости главного движения на базе систем ЧПУ PCNC
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на X и XI Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград - 2005 г, 2006 г), на 44-ой ежегодной научной конференции в ВолгГТУ (Волгоград - 2007 г) и заседаниях кафедр «Автоматизация производственных процессов» и «Технология машиностроения»
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 5 публикациях, в том числе 2 публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы из
93 наименований и приложения Основное содержание работы написано на 139 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок и 22 таблицы
Общие сведения и теория разрушения хрупких неметаллических материалов
К конструкционным неметаллическим материалам, наиболее широко применяющимся в машиностроении, относят керамику, стекло и ситаллы (стеклокерамику). Они отличаются высокой твердостью и износостойкостью, низкой обрабатываемостью и склонностью к разрушению при местной, даже незначительной концентрации напряжений.
Керамика - это разновидность композиционных материалов, получаемых спеканием размельченных горных пород, минералов, окислов и других неорганических составляющих. Характерными свойствами керамических материалов является достаточная прочность, жаро- и кислотостойкость, износостойкость и твердость и др.
В зависимости от основной кристаллической фазы материалы разделяются на следующие типы керамик: корундовая, периклазовая, берил-лиевая, ториевая, рутиловая, муллитовая, корундомуллитовая, стеатитовая, цельзионовая, шпинельная, циркониевая, форстеритовая, кордиеритовая.
По области применения [8] можно разделить керамику на следующие виды: конструкционная керамика для огнеупорных, химически и радиационно стойких деталей, изделий машино- и приборостроения; электротехническая керамика (для изоляторов и других изделий электротехники); радиоэлектронная (для установочных деталей, конденсаторов, магнитных элементов изделий радиоэлектроники и радиотехники).
Стекло - аморфный изотропный, твердый и хрупкий, в большей или меньшей мере, прозрачный материал, получаемый в результате переохлаждения расплава различных стеклообразующих компонентов. По назначению стекло подразделяют на техническое, строительное и тарно-бытовое. Техническое стекло: оптическое, светотехническое, химико-лабораторное, медицинское, электротехническое, автотранспортное, приборное, защитное, электро-, тепло-, и звукоизоляционное, сцинтилляционное, люминесцентное, а также растворимое, стекловолокно и ткани из него, стеклопластики и др.
В зависимости от исходного сырья стекло различают: силикатное (на основе двуокиси кремния), алюмосиликатное (окись алюминия и двуокись кремния), боросиликатное (борный ангидрид и двуокись кремния), бороалюмосиликатное, алюмофосфатное, силикоцирконатное. Дополнительной обработкой — отжигом обеспечивается снятие внутренних напряжений в стеклянных изделиях, закалкой достигается значительное повышение механической прочности и термической стойкости [9].
Стеклокристаллические материалы (ситаллы) [10] получаются путем тонкой кристаллизации стекол или расплавов различных составов. Кристаллизация приводит к получению мелкозернистой и равномерной структуры, обеспечивающей высокие механические и термомеханические свойства изделий. По своей природе и технологии изготовления ситаллы занимают промежуточное положение между обычным стеклом и минералокерамикой. От стекла они отличаются тем, что имеют минералокерамическую структуру, а от керамики - тем, что ситаллы получаются путем полного плавления материалов с последующим формированием изделий из пластической (жидкой) стекломассы и их кристаллизацией.
Наиболее широкое применение минералокерамические и стеклокристаллические материалы нашли в качестве износостойких и работающих в условиях высоких температур деталей машин и приборов, металло-керамических конструкций в электронной, радиоэлектронной и электротехнической промышленности (оболочки приборов, герметичные выключатели, вакуумные разъемы и т. п.), деталей ядерных энергетических установок и газовых турбин, деталей авиационно-космической и ракетной техники [11,12]. Некоторые свойства неметаллических материалов приведены в таблице 1.1 [9,12]. Таблица 1.1- Свойства некоторых хрупких неметаллических материалов. Материал Плотность,г/см3 МодульЮнга,МПа Пределпрочности,МПа Микротвердость,кгс/мм2 Теплопроводность при 20С, ккал/град-м-ч на сжатие на изгиб Листовое стекло 2.50 6,8-104 250 40 500-600 0,77 Прозрачное кварцевое 2,20 7,45-Ю4 650 ПО 700-900 1,20 Оптическое стекло К-8 2,52 7,15-Ю4 660 96 565-645 0,85-1,0 Ситалл СТЛ-1 2,53 8,1-Ю4 681 104 744 1,08 Ситалл СТЛ-10 2,45 8,5-104 1000 225 627 1,40 Ситалл СТМ-1 2,83 13,2-Ю4 453 179 967 1,83 Феррит 1000 МЗ 3,8-4,2 0,9-1,1-104 168 30 850-950 Керамика 22ХС 2,53 - 110-125 350-400 1300-1500 2,1-2,3 Кварц монокристаллический 2,65 7,35-Ю4 2802 179 1145-1315 6,0-7,2 Керамика ЦМ-332 3,93 4,0-104 900-1500 300-350 2000-2300 1,0 Алмаз 3,49-3,54 9,0-104 2000 300 10000 35
Керамика и ситаллы, несмотря на имеющиеся различия по физико-механическим свойствам и исходным материалам, применяющимся для их изготовления, имеют много общего, что позволяет условно объединить их в одну общую группу высокотвердых, труднообрабатываемых неметаллических материалов [13]. Ввиду специфичности технологии формообразования, детали из стекла, керамики и ситаллов нуждаются в дальнейшей механической обработке, которая в ряде случаев по посадочным и рабочим поверхностям ведется по 9-12-му квалитету и шероховатости поверхности і?а=0,02-0,63 мкм при соблюдении высоких требований к точности геометрической формы и взаиморасположению поверхностей [14].
Весьма важной механической характеристикой неметаллических материалов является хрупкость. Степень хрупкости определяется по формуле у - СДВ к (1.1) где % - критерий хрупкости; асдв - сопротивление сдвигу; ар - сопротивление на отрыв. Материалы находятся в хрупком состоянии (а не пластическом), если% 1 [14].
Рядом исследований установлено, что при обработке неметаллических материалов вследствие высоких контактных температур, сложного напряженного состояния поверхностного слоя, высоких скоростей деформирования обрабатываемый материал в зоне обработки может находиться в хрупком или пластическом состоянии. В частности, исследование Волпера [15] процесса ца-рапанья алмазной иглой показали, что при нагрузке меньше 500 кгс/мм стекло деформируется упруго, а при нагрузке более 500 кгс/мм2 наблюдались пластическая деформация (длинная стружка спиральной формы) и выкрашивание по обеим сторонам канавки.
Технологические особенности алмазного сверления неметаллических материалов, применяемое оборудование и инструмент
В настоящее время для формообразования отверстий от 1,0 до 1000 мм наиболее широко применяют алмазные сверла [6, 26]. Алмазное сверление представляет собой одну из разновидностей шлифования - древнейшего процесса обработки материалов. В нашей стране применение алмазного инструмента начало свое развитие в начале XX века в связи с внедрением твердосплавного режущего инструмента, обработка которого абразивным инструментом представляла большие трудности. Открытие месторождений природных алмазов в Якутии, а в дальнейшем разработка и промышленное освоение технологии получения синтетических алмазов позволило в широких масштабах применять высокоэффективные алмазные инструменты при обработке труднообрабатываемых материалов на различных операциях, в том числе на операции сверления отверстий [7].
Зернистость на порошки для получения алмазно-абразивного инструмента, как из природных, так и синтетических алмазов устанавливается ГОСТ 9206—89. По этому ГОСТу алмазные зерна в зависимости от их размера и способа классификации делятся на шлиф- и микропорошки вплоть до субмикропо-рошков. За размер зерна микропорошка согласно ГОСТ 9206—89 принимается полусумма проекций наибольших длины и перпендикулярной к ней ширины алмазного зерна, определенных с использованием микроскопа или проектора. Для изготовления алмазных сверл используют шлифпорошки искусственных алмазов марок от АС6 до АС 160 [27], при этом цифровое обозначение указывает на среднеарифметическую прочность порошка всех зернистостей на сжатие в ньютонах.
Повышение режущей способности и срока службы алмазных зерен может быть достигнуто путем металлизации их, т. е. нанесением на зерна металлической оболочки из никеля или меди [26]. Металлическая оболочка упрочняет зерна, позволяет лучше удерживать зерна связкой, повышает теплоотвод от поверхности зерен и препятствует выпадению зерен и их расколовшихся частиц из связки. Металлизированное зерно частично предохраняет от графити-зации алмаза в случае перегрева, так как металлическая оболочка в известной мере является тепловым барьером. Толщина покрытия зерна металлом в зависимости от времени выдержки колеблется от 1,5 до 3 мкм. Металлизированное зерно в маркировке обозначается буквой М после зернистости.
В алмазно-абразивном инструменте содержание алмазного порошка принято оценивать концентрацией и выражать ее в процентах. Условное обозначение концентрации алмаза принято по норме, введенной фирмами США и Англии. За 100%-ную концентрацию было принято содержание алмаза в алмазоносном слое в количестве 72 карат/дм3, что в переводе составляет 0,00439 ка рата/мм . Содержание алмазов в алмазоносной части сверла (концентрация) дает представление о числе алмазных зерен, способных выполнять резание. С увеличением относительной концентрации алмазов возрастает число режущих зерен на рабочем торце сверла, что позволяет повысить производительность (таблица 1.3).
Конструкции алмазных сверл (рис. 1.2) можно разделить на два вида: специальные, предназначенные для образования отверстий определенного диаметра, и универсальные - с изменяющимся номинальным размером. В свою очередь, специальные сверла в зависимости от формы режущей поверхности подразделяют на полые и стержневые [28].
Режущая поверхность алмазных полых сверл в сечении, перпендикулярном к оси инструмента, имеет замкнутый или прерывистый контур различной формы. Алмазные полые сверла в процессе сверления образуют в материале кольцо, ширина которого соответствует толщине режущей кромки. Материал вырезаемого кольца переводится в шлам. Стержневые сверла керна не образуют, а перерабатывают весь материал в шлам.
Исследование процесса алмазного сверления в неметаллических материалах с помощью методов теории подобия и анализа размерностей
Процесс алмазного сверления сопровождается многочисленными и разнообразными физическими явлениями, и характеризуется большим числом случайных факторов, поэтому законченного теоретического описания его в настоящий момент не существует. При исследовании процесса алмазного сверления, как показано в первой главе, в основном прибегают к экспериментальным методам. В связи с этим можно выделить два подхода к изучению процесса алмазного сверления.
Процессы шлифования, к которым относят и процесс алмазного сверления неметаллических материалов, обычно рассматривается как совокупность большого количества актов микрорезания-царапания отдельными алмазными зернами. Основные параметры процесса (силы резания, напряжения в материале и инструменте и т. д.) определяют, используя усреднение и принцип суперпозиции с последующим распространением результатов исследования единичного зерна на работу группы зерен. Такой подход не всегда применим к изучению алмазного сверления, так как некоторые явления (например, действие СОЖ, взаимодействие инструмента со шламом) не возможно учесть при рассмотрении работы единичного зерна.
Используя другой подход, исследуют закономерности работы множества абразивных алмазных зерен в составе инструмента. При этом из рассмотрения не исключаются факторы, отсутствующие при изучении работы единичного зерна, но, как правило, такой подход ведет к увеличению числа рассматриваемых факторов, повышению количества опытов необходимых для экспериментального исследования процесса и часто требуют проведения отсеивающих и уточняющих экспериментов.
Как показано в первой главе, большинство зависимостей, описывающих процесс алмазного сверления, носит эмпирический характер. Они в основном применимы лишь в узком диапазоне параметров обрабатываемого материала и инструмента, носят прикладной характер и не раскрывают наиболее общих закономерностей процесса.
Исходя из накопленного наукой опыта изучения сложных многофакторных процессов, стройное теоретическое описание которых отсутствует, представляется возможным использовать методы теории подобия и анализа размерностей для исследования процесса алмазного сверления в неметаллических материалах [54].
Применительно к экспериментальному методу исследования физических процессов и явлений теория подобия позволяет обобщить результаты ограниченного количества опытов, выявив наиболее общие закономерности процесса, получить однородные по размерности зависимости, составляющие математическую модель системы и распространить полученные результаты на схожие объекты.
Для исследования процесса алмазного сверления целесообразно применение теории подобия в форме автомоделирования. При этом в качестве модели и натуры рассматривают одну и ту же систему при различных значениях ее параметров. Таким образом, изучив один из режимов работы системы, можно описать работу системы в подобных режимах с другими значениями параметров.
Развитие и становление теории подобия и методов анализа размерностей связано с именами И. Ньютона, Ж. Фурье, Дж. Рэлея, Р. Бэкингема и др. В дальнейшем, широкому распространению данных методов в начале XX века способствовала работа Бриджмена [55]. В отечественной научно-технической практике начало активного применения теории подобия и методов анализа размерностей связано с работами М. В. Кирпичева и Л. И. Седова [56, 57]. Основными областями приложения анализа размерностей являются: выбор единиц измерения для количественных соотношений; проверка алгебраических соотношений между единицами; преобразование и систематизация единиц измерения физических величин; уменьшение числа независимых параметров; обобщение экспериментальных данных в сравнении с теорией; установление законов физического или механического моделирования; определение системы основных независимых параметров; разработка методов физико-математических аналогий; ревизионный анализ задач с использованием ступенчатых матриц размерностей.
Ниже приведены некоторые базовые понятия и определения теории подобия. Комплекс - безразмерная комбинация разноименных величин, т.е. величин, имеющих разные размерности, которая выражена в виде степенного одночлена. Симплекс - отношение двух одноименных величин, т.е. величин, имеющих одинаковые размерности. Масштаб подобия выражает отношение рассматриваемой величины в натуре к значению той же величины в модели.
Индикатор подобия представляет собой комбинацию масштабов подобия, равную единице. Индикаторы подобия следуют из условия равенства единице всех масштабов подобия, которые вводятся в уравнения задачи, записанные для модели, при требовании идентичности их уравнениям для натуры.
Экспериментальные исследования процесса алмазного сверления в неметаллических материалах
Исследования процесса сверления проводилось на вертикально-фрезерном станке модели KIP фирмы "Makino" (Япония), имеющем диапазон чисел вращения шпинделя от 400 до 4000 об/мин и обеспечивающий вертикальную подачу шпиндельного узла в диапазоне 10-80 мм/мин. На станке был смонтирован специальный патрон, позволяющий производить подачу СОЖ через внутреннюю полость сверла.
В качестве СОЖ согласно рекомендациям [60] использовался 3%-й водяной раствор кальцинированной соды.
В качестве заготовок применялись пластины листового стекла марки Ml толщиной 5 мм с габаритными размерами 150x80 мм. Предел прочности на сжатие для материала заготовок принималась равной 250 МПа.
Сверление отверстий диаметром 26 мм производилось кольцевыми алмазными сверлами на связке М, с алмазами марки АС50, зернистостью 160/125, концентрацией 150% (рис. 3.1).
Измерение осевой составляющей силы резания Ру производилось с помощью тензометрической станции конструкции МГТУ им. Баумана с пределами измерений 10-300 Н в состав которой входят тензодинамометр оригинальной конструкции, усилитель модели 8АИЧ-7М, фильтр сигнала и осциллограф Н-700.
Для обеспечения измерения осевой силы Ру производилась предварительная тарировка тензостанции при статическом нагружениии.
Тензорезисторные преобразователи нашли наиболее широкое применение для измерения сил, моментов, напряжений. Выбор тензорезисторов в качестве основного вида преобразователей обуславливается рядом их положительных свойств: высокой точностью преобразования деформаций в изменение сопротивления, практически неограниченным диапазоном измерений, малыми габаритными размерами и массой, возможностью измерения в большом числе точек, низкой стоимостью [63, 64].
Датчик выполнен из стали по традиционной схеме с крестообразными упругими элементами (рис. 3.1). Нагрузка, приложенная к внешнему фланцу датчика, приводит к деформации восьми тензорезисторов.
Тензорезисторы 1-4 наклеены на верхних гранях, тензорезисторы 5-8 на нижних гранях четырех радиально расположенных упругих балок. Жесткость упругих элементов датчика составляет 10бН/м. Измерительный мост составлен из тензорезисторов (1-4, 5-8) по схеме, приведенной на рис. 3.2, где R{-R% сопротивления тензорезисторов, R I 0Ц 0 1 Рисунок 3.3 - Схема измерительного моста. Такая схема обеспечивает независимость измерения силы от точки ее сопротивления, встроенные в электронный блок питания.
Такая схема обеспечивает независимость измерения силы от точки ее сопротивления, встроенные в электронный блок питания. приложения, т.е. компенсируется воздействие изгибающего момента, возникающего из-за внецентрового приложения силы. Вторым преимуществом схемы является компенсация воздействий внешней среды и, что особенно важно, компенсируется изменение сопротивлений тензорезисторов под воздействием температуры.
Зависимость между входным сигналом и питающим напряжением определяется по формуле: С 2( + + 3+ 4+ 5+ 6+ 7+ ) (3.1) Электронный блок датчика состоит из блока питания, тензометрического усилителя и схемы компенсации нуля датчика. Основные характеристики применяемого в тензостанции усилителя следующие: несущая частота 10 кГц; максимальный коэффициент усиления - 30000; частота пропускания на уровне 0,7-500 Гц; уровень шума, приведенный по входу не более 2 мкВ; линейность не хуже 0,2%; потребляемая мощность без учета датчиков - не более 0,5 Вт. Датчик тензостанции датчика обеспечивает погрешность измерения осевой силы не более 3%.
