Введение к работе
Актуальность тэмы. В настоящее время при обработке прецизионных поверхностей в условиях свободной притирки методы управления закономерностями съема припуска разработаны. только для доводки (устранения локальных погрешностей) крупногабаритных деталей малоразмерным инструментом на стадии окончательного полирования. При операции шлифования и на начальном этапе полирования изделий данного класса, а также во всех остальных случаях использования "классического" способа формообразования применяется полноразмерный сплошной инструмент. При этом выбор тех или иных значений наладочных параметров станка, силовых и скоростных характеристик процесса в каждой конкретной ситуаций полностью зависит от опыта и интуиции оператора. Предпринятые попытки автоматизировать функции последнего не привели к успеху, поскольку существующие математические модели не "привязаны" к используемому станку. Они также не учитывает взаимного износа инструмента- и детали, что вызывает перераспределение давления в зоне обработки и сложным образом влияет на закономерности формообразования. В основу кинематики процесса изнашивания не заложена кинематическая передаточная функция станка, которая определяет реальные пути трения зон контакта инструмента по обрабатываемой поверхности. Кроме того, отсутствует технологическое оборудование для двусторонней обработки деталей с прецизионными плоскими и неполными сферическими поверхностями, а такке тел вращения и качения в условиях свободной притирки.
Поскольку в общем объеме производимой в Республике Беларусь продукции изделия точного машино- и приборостроения занимают заметную часть Сизделия БелОМО, НПО "Планар", ПО "Интеграл", загола автоматических линий, "Калибр", станкостроительных и других предприятий) , то разработка еффективнето и приемлемого для производства метода управления формообразованием и технологического оборудования для его реализации является актуальной задачей. Использование предлагаемых в настоящей работе технических решений позволит не только существенно ограничить функцию оператора, но также интенсифицировать процесс, уменьшить его энергоемкость и улучшить экологические показатели на соответствующих предприятиях.
Связь с крупными научными программами и темами. Актуальность научно-технической проблемы подтверждается также выполнением работы по практической реализации теоретических оскп в рамках госу-
2 дарственных научно-технических програми "БелОптика" (задание 04. 30), "Инструмент" Сзадание 4.29), "Триботехника" (задание 3.15) и "Ресурсосбережение" (задания 2.17 и 2.18).
Цель и задачи исследования. Разработка теоретических и технологических основ управления процессом формообразования прецизионных поверхностей посредством выявления взаимосвязи ыакрогеометрии детали и производительности процесса с наладочными параметрами технологического оборудования.
В соответствии с поставленной цельр в работе необходимо было решить следующие проблемы. .
-
Создать метод формообразования деталей с цилиндрическими, коническими и полными сферическими поверхностями в условиях свободной притирки, а также двусторонней обработки линз.
-
Разработать технологическое оборудование для одно- и двусторонней обработки в условиях свободной притирки плоских.и неполных сферических поверхностей, а также тел вращения и качения.
-
Осуществить математическое: моделирование процесса формообразования поверхностей различного профиля, устанавливающее взаимосвязь наладочных параметров станка, а также скоростных и силовых характеристик обработки с закономерностями съема припуска о заготовки и износом рабочей поверхности инструмента.
-
Провести численные исследования с помощью ЭВМ закономерностей распределения путей трения по поверхности детали и на их основе выявить рациональные технологические параметры, необходимые для создания методов управления режимами формообразования.
-
Выполнить экспериментальные исследования закономерностей снятия припуска с поверхностей различного профиля и установить адекватность.математических моделей реальным закономерностям обработки.
. 6. Предложить единую методику управления процессом формообразования прецизионных плоских,: неполных и полных сферических, а также цилиндрических и конических поверхностей с учетом технологической наследственности заготовок..
7. Определить рациональные значения конструктивных параметров инструментов* режимы их эксплуатации и оптимальное количество заготовок в.рабочей зоне, рбеспечиваюіре высокую производительность процесса и необходимое качество стеклянных шариков для микрооптики при их пневмоцентробежной обработке.
8. Выявить пути интенсификации процесса получения шариков и хрупких материалов в поле сил инерции.
9. Установить взаимосвязь производительности процесса и динамической нагруженности технологического оборудования с его наладочными параметрами при формообразовании тел качения в условиях усложненной кинематики инструментов.
10- Разработать технологию центрирования микролинз, обеспечивающую повышенную точность совмещения их оптической и геометрической осей.
Методы исследований. Теоретическая часть работы выполнена с использованием, фундаментальных положений и теорем теоретической механики, теорий механизмов и машин, оптики, технологий машино- и приборостроения. При этом основное внимание уделено Количественной оценке параметров, не зависящих явно от времени, которые позволяют характеризовать процесс в динамическом отношении. Такое представление позволило увязать параметры качества обработанной поверхности с наладочными характеристиками технологического оборудования, а также с силовыми и скоростными показателями процесса формообразования.
Численные исследования проводились на ЭВМ.
Для экспериментальных исследований использовались опытные образцы разработанного технологического оборудования и серийные станки.
Измерения параметров ббработанных деталей выполнялись интерференционным методом и с помощью стандартных измерительных устройств и приборов.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что: разработана математическая модель, устанавливающая количественную связь интенсивности сьема припуска и показателей качества обработанной поверхности с Динамикой процесса изнашивания заготовки и инструмента,а также учитывающая кинематическую передаточную, функцию исполнительного механизма станка;
установлена функциональная взаимосвязь между наладочными параметрами предложенного технологического оборудования и закономерностями съема припуска с обрабатываемой поверхности, учитывающая износ инструмента. Разработана.методика численного исследования такой взаимосвязи с помощью ЭВМ;
создана единая методика управления процессом формообразования прецизионных плоских, неполных й полных сферических, а также цилиндрических и конических.поверхностей с учетом технологической наследственности заготовок; .
определено направление дальнейшего развития метода пневмо-
4 центробежной обработки сферических поверхностей в части выявления оптимальных диапазонов конструктивных параметров инструмента и режимов его эксплуатации. Установлен эффект саморегулирования процесса обработки стеклянных шариков из заготовокнекруглой формы, закличающийся ч автоматическом уменьшении переносней скорости деталей по мере увеличения степени ик сферичности;
предложено, исследовано и апробировано в производственных условиях направление интенсификации процесса обработки шариков б поле сия инерции за счет усложнения их кинематики, разработана методика оценки динамической нагруженности технологического оборудования.
Практическая значимость полученных результатов заключается:
в созданных методах формообразования в условиях свободной притирки тел качения и вращения с прецизионными поверхностями, двусторонней обработки линз и центрирования ыккролинз;
в разработанном технологическом оборудовании для финишной обработки свободным абразивом деталей с плоскими, цилиндрическими,
КОНИЧеСКИМИ, НеПОЛНЫМИ И ПОЛНЫМИ СферИЧеСКИМИ ПреЦИЗИОННЫМИ ПО'
Еерхностями Сстепень готовности: изготовлены и апробированы опытные образцы соответствующие устройств и станков);
в полученных аналитических выражениях для расчета путей трения в произвольной точке притирающихся поверхностей изделия и инструмента в зависимости от конкретных значений наладочных геометрических и кинематических параметров станка, а также для определения оптимального количества заготовок в рабочей зоне при изготовлении шариков в поле сил инерции (степень готовности: разработаны и отлажены лрограммы расчета путей трения на ЭВМ для всех предложенных схем обработки);
в методиках управления формообразованием прецизионных поверхностей различного профилч, интенсификации процесса и уменьшения его энергоемкости, а также оценки динамической нагруженности технологического оборудования для обработки стеклянных шариков с усложненной их кинематикой Сстепень готовности: разработана последовательность действий для определения оптимальных условий формообразования ;деталей); .
в разработанном инструменте с совмещенными операциями предварительной и окончательной пневмоцентробежной обработки шариков, предназначенном для утилизации отходов из хрупких материалов с 'целью получения микроопткки, шаровидных изделий из драгоценных камней и хрусталя и позволяющим увеличить колігчество рабочих мест
ка соответствующих г:редгхиятаях (степень готовности: разработан, азготозлен и апробирован в производственных условиях инструмент я определены оптимальные условия его эксплуатации);
в экологически более чистой и менее энергоемкой технологии изготовления оптических деталей с прецизионными плоскими и сферическими поверхностями '."степень готовности: разработаны, изготовлены к апробированы, опытные ооразцы технологического оборудования для обработки плосяопараллельных пластин и линз);
в исполк'оваь'і'П результатов работы В полнен объеме при подготовке студентов спецсальности "Оптические приборы и системы" и в сокращенном варианте для магистров специальности "Технология, оборудование и автсхаткзацяя производстга" Сстепень готовности: изданы учебно-четодичзские пособия, ."Управление формообразованием прецизионных поверхностей деталей машин и приборов", "Основы формообразования микрооитики" и "Технология оптических деталей").
Экономическая значимость полученных результатов. Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы на заводе "Транзистор" СПО "Интеграл", г. Минск) при восстрчовлении рабочей поверхности планшайб для блокировки подложек из полупроводниковых материалов в 1992 г.. составил 131888 руб. На заводе "Сфера" (БелОМО, г. Минск) при обработке оптических деталей в 1997 г. - 385 млн. руб. На малом научно-исследовательском внедренческом предприятии "Эпаз" Сг. Лида) при утилизации отходов оптического стекла в 1997 г. - 196,9 млн. руб. Кроме того, в качестве коммерческого продукта могут быть использованы следуейие результаты работы:
разработанный тлйфовально-полировалько-доводочный станок 2ЭД-30О для двусторонней обработки плоскопараллельных прецизионных деталей толщиной от 0,5 до 60 км и диаметром до 300 мм, изготовленных из металла, стекла, керамики, полупроводниковых и других материалов-,
модернизированный серийный станок мод. Ю,М3 105.004 для односторонней обработки кремниевых пластин, исгпяьзуемых в электронной промышленности;
технология двусторонней обработки прецизионных линз;
технология формообразования деталей с цилиндрическим!! и коническими прецизионными поверхностями по методу свободной притирки на серийных отечественных станках моц.ШН;
высокоэффективная технология изготовления микрооптики из отходов оптической промышленности и шаровидных изделий из драгоценных камней и хрусталя;
программы для расчета рациональных значений наладочных параметров технологического оборудования при обработке деталей с плоскими, цилиндрическими, коническими, неполными и полными сферическими поверхностями в условиях свободной притирки.
Основные положения диссертации, выносимые на зециту. Автор защищает разработку теоретических и технологических основ управления процессом формообразования прецизионных поверхностей, включающих:
1) математические модели закономерностей- сьема припуска с
плоских, цилиндрических, конических, неполных и полных сферических
поверхностей, учитывающие кинематические передаточные функции ис
полнительных 'механизмов технологического оборудования и динамику
износа инструмента и заготовки;
2) методику управления формообразованием прецизионных поверх
ностей в условиях свободной притирки, учитывающую технологическую
наследственность заготовки, обеспечивающую повышение производи
тельности обработки и уменьшение, энергоемкости технологического
оборудования, а также способствующую автоматизации процесса;
3D методы обработки цилиндрических и конических поверхностей в условиях свободной притирки, а также двустороннего формообразования линз, расширяющие технологические возможности серийных отечественных станков мод. ШП и решающие некоторые проблемы промышленной экологии на предприятиях оптического приборостроения;
4) технологию изготовления прецизионных микролинз, существен
но увеличивающую процент годных деталей и их качество, а также ре
шающую проблему утилизации отходов дорогостоящего оптического
стекла;
* 5) методику формообразования полных сферических поверхностей
в условиях усложненной кинематики заготовок, интенсифицирующую процесс пневмоцентробежйой обработки и позволяющую утилизировать отходы ювилирной промышленности и хрусталя;
6) конкретные схемы технологического оборудования, улучшающего качество обработанных поверхностей, повышающего производительность труда и позволяющего механизировать трудоемкие финишные операции в точном мацшно- и приборостроении.
Личный вклад исполнителя. Решена актуальная научно-техническая проблема - разработаны теоретические и технологические основы управления процессом формообразования прецизионных поверхностей деталей машин и приборов. При выполнении работы исполнителем
осуществлено математическое моделирование закономерностей
\ "
поверхностной обработки с учетом кинематических передаточных функций исполнительных механизмов станков и износа притирающихся поверхностей;
разработана методика управления процессом формообразования с учетом технологической наследственности заготовки и методы изготовления тел вращения в условиях свободной притирки и технологическое оборудование для их реализации;
предложен метод пневмоцентробежной обработки стеклянных шариков для микрооптики из заготовок некруглой формы и создан инструмент для его реализации, а также отработаны режимы эксплуатации инструмента;
предложен метод интенсификации обработки шариков в поле сил инерции, и выполнено математическое моделирование процесса их формообразования и динамической погруженности технологического оборудования;
создан высокоэффективный метод центрирования микролинз;
изготовлены устройства для обработки деталей с плоскими, цилиндрическими, коническими, неполкьппї и полными сферическими прецизионными поверхностями;
проведены численные и экспериментальные исследования закономерностей формообразования прецизионных поверхностей различного профиля по методу свободной притирки, а также стеклянных шариков в поле сил инерции и возникающей при этом динамической нагружен-ности технологического оборудования;
изучены многочисленные литературные и патентные источники по методам управления формообразованием прецизионных поверхностей. Участие соавторов в совместных работах: И.П.Филонов участвовал в разработке математических моделей процесса формообразования прецизионных поверхностей, методов и технологического оборудования для поверхностной обработки в условиях свободной притирки и обкатки под действием сжатого воздуха, а также в обсуждении результатов исследований; Ф. Ф. Климсвич участвовал в разработке математических моделей поверхностной обработки по методу свободной притирки и отдельных технических решений для формообразования криволинейных поверхностей; остальные соавторы принимали участие в написании программы для ПЭВМ, в проведении численных и экспериментальных исследований и в изготовлении устройств для выполнения экспериментов.
Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях: "Отделочно-упрочнявщая технология в
8 маанкостроении" СМинск, 1934), "Состояние и перспектива развития науки и подготовка инженеров высокой квалификации в Белорусской государственной политехнической академии" СМинск, 1993), "Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды" СМинск, 1995), "Современные проблемы машиноведения" С Гомель, 1996), "Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии" СГродно, 1936); на научно-технических семинарах: "Новое б технологии обработки стекла, кристаллов, керамики и поделочного камня" СМосква, 1993), "Технология изготовления прецизионных оптических элементов" СС.-Петербург, 1996); на 40...50 НТК Белорусской государственной политехническое академии С1986 - 1935 гп).
Олубликовашюсть результатов. По теме работы опубликована монография, учебник Св соавторстве с И.П.Филоновым и Ф.Ф.Климовичем), три учебно-методические пособия С в соавторстве с И.П.Филоновым. Ф.Ф.Климовичем, В.0.Кузнечик и Т. Л. Ветчинкиной ), 21 статья в международной печати, 9 тезисов докладов на конференциях, 1С авторских свидетельств СССР на изобретения, 2 патента Российской Федерации и 14 заявок Республики Беларусь на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, оещуэ характеристику работы, шесть глав, выводы, список использованных источников и приложения. Включает 194 страниц текста, 9 7 иллюстраций, 5 таблиц, библиографию из 224 наименований и приложение на 11 страницах.
