автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование параметров процесса пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ

На правах рукописи

Дубинина Александра Петровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПЛАСТИЧЕСКОГО ШЛИФОВАНИЯ АЛМАЗОВ ПРИ ГРУППОВОЙ ОБРАБОТКЕ НА СТАНКАХ С ЧПУ

Специальность 05.03.01 «Технология и оборудование

механической и физико-технической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва, 2006

Работа выполнена в Московском государственном горном университете

Научный руководитель: доктор технических наук

Сильченко Ольга Борисовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Дронова Нона Дмитриевна

кандидат технических наук Лебедев Николай Николаевич

Ведущее предприятие: ОАО «Мосалмаз»

Защита состоится 15 декабря 2006г. в час. на заседании №2 диссертационного совета Д.520.002.01 ОАО «ЭНИМС» по адресу: г. Москва, 5-й Донской проезд, д.21-6.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке ЭНИМС.

Автореферат разослан 14 ноября 2006 г.

совета к.т.н., доцент

Учёный секретарь диссерт;

Гришин В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обработкой алмазов человечество занимается с древнейших времен. Россия, занимая первое место в мире по объему разведанных запасов алмазов, с конца 1990-х годов активно развивает отечественную гранильную промышленность.

В соответствии с правительственной концепцией реформы алмазно-бриллиантового комплекса добыча алмазов в Российской Федерации к 2010 году должна увеличиться до 3 млрд. долларов США в год по сравнению с почти 2,238 млрд. долларов США в 2005 году. Поэтому актуально развивать обрабатывающую отрасль и экспортировать готовые изделия, а не алмазное сырье, так как в России добывается примерно 20% мирового объема алмазов. Особенности современного рынка драгоценных камней выдвигают новые требования к алмазообрабатывающей промышленности. Повышающийся спрос, возрастающая стоимость сырья, конкуренция со стороны стран с дешевой рабочей силой привели к тому, что решающим фактором для алмазообрабатывающего предприятия становится гибкость технологического процесса. Существуют предприятия, которые специализируются на огранке дорогих бриллиантов. Другая часть предприятий, в ущерб качеству изделий, за счет дешевого сырья и рабочей силы ориентируется на количество. Это две крайности, но в реальности необходимо, чтобы современное предприятие умело рентабельно работать как с дешевым сырьем, обеспечивая малый процент потерь и хорошую производительность, так и с дорогим сырьем, обеспечивая выполнение всех требований по качеству конкретного заказчика. Существует также проблема с огранкой мелкого сырья, которого добывается больше половины от общего количества алмазов, добываемых в мире. Данные по массе добываемых алмазов приведены на рис. 1.

Очевидно, что осуществление технологического процесса обработки алмазов с получением качественных изделий возможно при наличии высококвалифицированного персонала и управляемого и контролируемого производства. По существующей технологии окончательную обработку алмазов в бриллианты осуществляют вручную

з

на основания субъективного контроля размерных параметров, сходимости граней и качества обработки. При этом огранщик контролирует качество изделий, руководствуясь своим опытом и навыками. Контроль процесса обработки зависит от квалификации огранщика. Хотя для операции огранки привлекают мастеров - огранщиков высокой квалификации, невозможно осуществить объективные контроль и управление процессом обработки алмазов. Качество получаемых бриллиантов, как правило, оказывается невысоким из-за отсутствия повторяемости и однозначности при оценке выходных параметров обработки.

70

60 ■

60 ■

ч 40 -

•о

Mf ЭП-

*

20 -

10 •

0

Соотношение количества (в процентах) добываемых алмазов в мире к их массе

105

17

17

ОБ

17

Marc», клр

1-0,98-1,48; 2-1,49-15аЗ-1.Э9-2.ад-г,492,9В; 5-2,99-3,48; 6-Э,49-3.9в:7-Э,93-4.ла 8-4,49-4,98;9-4,99-5.48 _

Рис. 1. Диаграмма соотношения количества (в процентах) добываемых алмазов в мире к их массе

В настоящее время стало возможным обрабатывать хрупкие материалы шлифованием так, что преобладающим механизмом становится не хрупкое, а пластическое разрушение. Основываясь на теории физической мезомеханики, разработанной Паниным В.Е., в работах Коныпина A.C., Сильченко О.Б., Тепловой Т.Б были проведены исследования по пластическому шлифованию твердоструктурных материалов и алмазов. Пластическое шлифование - процесс массового скоростного микрорезания поверхностных слоев твердых тел большим числом мельчайших шлифующих зерен,

4

сцементированных в инструменте с помощью связки, при котором съем материала происходит порциями мезообъемов со скоростью врезной подачи порядка нескольких нанометров на один оборот шлифовального круга. При таком шлифовании в режиме пластичности обработанная поверхность получается примерно с такими же характеристиками как после процесса полирования. Обработка алмазов на миогокоор-динатном станочном модуле с ЧПУ на основе использования компьютерного управления технологией размерно - регулируемого пластического шлифования позволяет получить высокотехнологичные изделия для нано- и микроэлектроники, медицины, а также ювелирной промышленности. При этом в зависимости от цели применения обработанного алмаза могут быть использованы различные технологические приемы и режимы шлифования.

Решением проблемы повышения производительности огранки является использование автоматизированного процесса одновременной групповой обработки алмазов с выбором рациональных режимов. Чтобы автоматизировать групповую огранку необходимо осуществлять контроль этого процесса, прежде всего при обработке каждого отдельного алмаза в реальном масштабе времени. Для этого необходимо формализовать процесс обработки, сделать его объективным и независимым от субъективных оценок огранщика. Автоматизация технологии обработки алмазов возможна на основе постоянного контроля параметров пластического шлифования с тем, чтобы в нужный момент оперативно внести соответствующие коррективы в этот процесс. Одновременно с повышением качества и эффективности производства ставится задача сокращения дефицита рабочих - огранщиков, которые могут быть заменены операторами станков с ЧПУ.

Целью работы является: создание технологии автоматизированного шлифования поверхностного слоя при групповой обработке алмазов, позволяющей получать стабильно высокое качество обрабатываемой поверхности при множественной повторяемости изготовленных изделий.

Для достижения указанной цели требуется решение следующих задач:

1. создание режимов автоматического пластического шлифования для получения заданного качества обрабатываемых алмазов;

2. создание способа диагностирования и контроля параметров пластического шлифования при групповой обработке алмазов в реальном масштабе времени;

3. исследование зависимостей шероховатости от скорости подачи, зернистости шлифовального круга.

Научные положения, разработанные соискателем и их новизна;

1. Математическая модель для определения режимов процесса группового шлифования алмазов, учитывающая в реальном масштабе времени входные и выходные параметры процесса обработки, позволяющая получать оперативную и достоверную информацию, достаточную для последующего целенаправленного воздействия ira процесс обработки.

2. Математическая модель для управления процессом пластического шлифования при групповой обработке алмазов на станках с ЧПУ, позволяющая повысить качество получаемых изделий и производительность огранки.

3. Зависимость шероховатости обрабатываемой поверхности при групповой обработке алмазов от соотношения продольной скорости подачи и зернистости шлифовального круга.

4. Зависимость производительности процесса групповой обработки алмазов и качества получаемых изделий от геометрического расположения заготовок в кассете.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций - базируется на математическом анализе колебаний упругих обрабатывающих систем; теории математического моделирования; использовании в математических моделях основополагающих законов физики твердого тела, физической мезо-механики, минералогии, кристаллографии, теории абразивно-алмазной обработки твердоструктурных материалов; обобщении многолетней эксплуатации опытного

трехкоординатного образца станочного модуля при шлифовании твердоструктурных материалов (таких как алмаз, лейкосапфиры, керамика и др.); статистических методах анализа информации в реальном масштабе времени;

- подтверждается широким объемом экспериментальных результатов и опытных данных, осциллограммами и результатами компьютерной обработки данных, позволивших установить в реальном масштабе времени взаимосвязь математических моделей и алгоритмов, идентифицирующих фактические физические параметры для управления процессом группового резания в соответствии с принятой моделью физической мезомеханики.

Погрешность оценки результата экспериментального исследования при нормальном законе распределения составляет I 8,3%. Научное значение работы;

1. Доказана возможность автоматического управления процессом пластического шлифования алмазов независимо от анизотропных свойств каждого отдельного изделия при групповой обработке.

2. Установлены конкретные зависимости изменения шероховатости поверхности алмаза от продольной скорости подачи и зернистости шлифовального круга.

3. Обеспечение режима пластического шлифования с учетом технических ограничений, налагаемых на условия процесса разрушения поверхностного слоя алмазов, является основным фактором достижения высокого качества обрабатываемой поверхности.

Практическое значение работы

1. Разработан способ оперативного контроля технологических параметров процесса пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ.

2. Оптимизирован процесс групповой обработки алмазов, учитывающий основные параметры пластического шлифования на станках с ЧПУ.

3. Получена шероховатость обработанной поверхности с показателем Ra порядка 0,03 - 1,5 нм.

4. Разработаны рекомендации, позволяющие обрабатывать алмазы, независимо от их анизотропных свойств, и изготавливать изделия сложной формы с требуемой шероховатостью поверхности. Это позволяет повысить производительность в среднем в 18,7 раз за счет использования группового метода обработки кристаллов.

Объект исследования - технологический процесс автоматизированной групповой обработки алмазов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на XI Международном симпозиуме «GEOTECHNIKA - GEO-TECHNICS 2004» (Польша, г. Устронь, 2004 г.), на VII Всероссийской научной конференции «Дизайн и технология художественной обработки материалов» (г. Златоуст, ЮУрГУ, 2004г.), на IV Международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня», (г. Магнитогорск, МагГТУ, 2004 г.) на научных симпозиумах «Неделя Горняка» (г. Москва, Московский государственный горный университет. 2004,2005,2006 гг.).

Результаты исследований позволили сформулировать и реализовать в ЗАО «ТехИнвест» технологию пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ с получением стабильно воспроизводимых высококачественных изделий независимо от влияния субъективных факторов (уровня квалификации оператора).

Результаты исследования могут быть применены а ограночных производствах с гибкой системой комплексной автоматизации технологии обработки алмазов в бриллианты.

Реализация выводов работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в

виде:

- математической модели пластического шлифования твердоструктурных минералов, взаимоувязывающей входной силовой параметр обработки со скоростью съема припуска и шероховатостью обрабатываемой поверхности;

- математической модели для управления процессом обработки алмазов при реализации предложенной модели пластического шлифования обрабатываемого материала на основе контроля над процессом;

- программ обработки алмазов для их реализации на персональных компьютерах;

- методических указаний по оптимизации технологического процесса;

- методических указаний по выбору рациональных режимов пластического шлифования алмазов и уточнения технических требований к упругой обрабатывающей системе.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 11 работ. Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 115 наименований, приложения. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 12 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю доктору технических наук, профессору Сильченко О.Б.

Автор признателен сотрудникам кафедры «Технология художественной обработки материалов» МГГУ доктору геолого-минералогических наук, профессору Мельникову Е.П., докторам технических наук, профессорам Морозову В.И., Микову И.Н., кандидату технических наук, профессору Павлову Ю.А., кандидату технических наук, доценту Коньшину A.C.; руководителям и коллективам организаций, с которыми автору приходилось контактировать в процессе выполнения диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности выбранной темы, сформулированы цели и задачи исследований, показана научная новизна, практическая ценность и апробация полученных результатов.

В первой главе выполнен анализ и определены пути совершенствования процесса обработки алмазов. Среди существующих методов обработки алмазов в настоящее время наиболее универсальным и перспективным способом огранки алмазов является алмазно-абразивная механическая обработка. По вопросу физической модели обработки кристалла алмаза существуют две теории. Одна из них основывается на термическом механизме процесса превращения алмаза в графит под воздействием высоких температур (порядка 300°С), возникающих в зоне контакта кристалла алмаза с обрабатывающим инструментом. Вторая теория рассматривает процесс обработки алмаза как скалывание отдельных частиц алмаза по плоскостям наиболее подверженным растяжению под действием силы трения между алмазом и обрабатывающим инструментом. Эти две теории не исключают друг друга.

Проведен анализ станков, используемых в гранильной промышленности. Приведены технические характеристики одношпивдельных ограночных станков с постоянной или переменной частотой вращения шпинделя, также полуавтоматических станков, на которых применяются манипуляторы и специальные ограночные приспособления. Проанализировав данные технологии, приходим к выводу, что с целью увеличения производительности процесса обработки алмазов в бриллианты, самым экономически выгодным будет использование автоматического группового способа огранки.

В работе представлен анализ способов формообразования изделий из хрупких высокотвердых материалов, таких как алмаз. Описаны следующие способы: ультразвуковая алмазно-абразивная обработка поверхностей плоских деталей, обработка поверхностей алмаза лучом лазера с диной волны от 190 до 360 нм, обработка алмазов пластическим шлифованием. Метод групповой обработки алмазов основывается на режиме пластического шлифования. Данный метод позволяет получить оперативную, достоверную и достаточную информацию для контроля процесса огранки. Также этот метод позволит повысить производительность процесса обработки алмазов и качество обрабатываемых изделий,

В главе приведены технические требования к качеству обработки алмазов.

Во второй главе представлено разработанное впервые математическое описание процесса групповой обработки алмазов в режиме пластического шлифования.

Разработана математическая модель для определения оптимального режима процесса группового шлифования, выполняемая в три этапа. На первом этапе составляется система уравнений, описывающих технические ограничения, налагаемые на режим обработки требованиями к изделию, физико-техническими свойствами обрабатываемого материала, станком, инструментом и условиями производства. Второй этап заключается в формировании математического описания целевой функции, т. е. функции, выражающей критерии оптимизации. На третьем этапе проводится совместное рассмотрение технических ограничений и целевой функции для определения на этой основе оптимального режима шлифования.

Технические ограничения, налагаемые на режим пластического шлифования требованиями к изделию, следующие:

1. предельно допустимая высота шероховатости Яг обработанной поверхности после каждой стадии шлифования:

я ч я ;

где Ур - скорость резания, м/с; — фактически снимаемый припуск, мкм; А (0 < А < 2) - коэффициент площади износа режущей поверхности круга; у„ - продольная скорость подачи, мм/мин.

2. по предельной температуре ртях*, допустимой с точки зрения отсутствия графитизации алмаза при обработке:

/ с-0 05 Е* Т/

=52.(|-у).-за— 11- ' <800"С , (2)

где Ур — линейная скорость резания, м/с; уп ~ продольная скорость подачи изделия, мм/мин; Ь*- коэффициент, характеризующий относительное распределение теплоты шлифования между кругом и изделием; кт - коэффициент теплопроводности обраба-

тываемого материала, Дж/см-см-с-К; Ш| — коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала, см2/с; s = 0,01 - 0,03 - темп снижения интенсивности и теплообразования, зависящий от свойств круга и обрабатываемого материала, 1/мм2; Fz - тангенциальная составляющая силы шлифования, Н; Ьк, Вк - ширина и длина контактной площадки круга с изделием, мм.

Технические ограничения, налагаемые на режим резания станком, следующие:

1) мощность привода шлифовального круга: F •V

где т|0 - КПД механизма привода круга, Fz - тангенциальная составляющая силы резания, Н.

2) по частоте вращения шпинделя:

юоог .

где n*max - максимальное значение частоты вращения шпинделя, с"1; n*mi„ - минимальное значение частоты вращения шпинделя, с"1.

3) по скорости подачи:

v„ max* — Vn ^ v„ mjn* , (5)

где vn max* - максимальное значение продольной скорости подачи мм/мин; v„ „,;„* -

минимальное значение продольной скорости подачи мм/мин.

Технические ограничения, налагаемые на режим резания шлифовальным кругом, следующие:

1) по стойкости круга:

где Ст- коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала, размеров и характеристики круга и других факторов; - средняя скорость съема обрабатываемого материала, мм3/мин; пс - показатель степени, зависящий от условий шлифования; Кс- коэффициент, равный отношению фактической скорости съема к теоретической, связанной с режимом обработки.

2) по прочности круга:

УР*>УР, (7)

где Ур* - предельная окружная скорость вращения, допускаемая прочностью круга, м/с.

Комплекс технических ограничений (1 - 7) описывает область всевозможных режимов пластического шлифования. При изготовлении изделий из твердоструктур-ных материалов, в зависимости от конкретных условий производства, при оптимизации можно обеспечить наименьшую себестоимость обработки на данной операции, достижение на данной операции наибольшей производительности, обеспечение минимальных затрат на шлифующий инструмент или другие конкретные цели.

В большинстве случаев при определении оптимальных режимов пластического шлифования целью оптимизации должно быть получение минимальной себестоимости операции. Целесообразно за основу оптимизации режимов шлифования принять достижение наибольшей производительности процесса с минимально возможным расходом алмазного инструмента.

Наибольшей производительности при прочих равных условиях соответствует наибольшая скорость съема обрабатываемого материала:

д = , мм3/мин (8)

где Н„- величина припуска за один проход обрабатывающего инструмента, мм3, Нп -Ьк • В* • б, где Ьк, Вк - ширина и длина контактной площадки круга с изделием, мм, в -

глубина шлифования, мм; I - время обработки за один проход обрабатывающего инструмента, мин.

Геометрическая величина 0 не зависит от скорости шлифования Ур. Однако на практике вследствие износа круга и его отжатая в процессе резания зависимость минутного съема О от элементов режима резания оказывается более сложной, и поэтому целевая функция может быть представлена в виде формулы:

0 = Уп2(3- 1р<3 - шах, (9)

где х<3, Р<3 - показатели степеней элементов режима резания в процессе пластического шлифования, Со - коэффициент разрушения и энергоемкости поверхностного разрушения обрабатываемого материала (алмаза) = Црм / Эп, где |1рм - коэффициент разрушения обрабатываемого материала (алмаза), Э„ - энергоемкость поверхностного разрушения обрабатываемого материала (алмаза), Дж/м2.

Выражения (1 - 7) вместе с целевой функцией (9) представляют математическую модель оптимального режима группового пластического шлифования, которые решаются сравнительно просто средствами линейного программирования.

Расчет режимов пластического шлифования резко упрощается с уменьшениями количества переменных, подлежащих оптимизации. Расчет режима шлифования целесообразно проводить для условий производства, когда незначительные отклонения от оптимальных условий обработки могут привести к существенным потерям.

Разработана математическая модель для управления процессом пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ. которая отображает взаимосвязь сил резания и воздействий, учитывающих влияние на динамику процесса шлифования собственно процесса резания, износа шлифовального круга, упругой обрабатывающей системы, а также «следов» обработки. Основными из этих параметров являются следующие: постоянная времени процесса шлифования; скорость съсма припуска; сила (или мощность) резания; коэффициент режущей способности

шлифовального круга; приведенные к зоне резания упругие деформации в системе станок - приспособление - инструмент - деталь.

Процесс шлифования в этом случае может быть представлен в виде - уравнения;

«^-^-expC-r/rj)^ (10)

где Т„ - постоянная времени процесса шлифования, с; v„ - продольная скорость подачи, м/с; и - припуск, м; т - временной интервал, с.

Расчет скорости съема припуска с помощью прибора активного контроля (ПАК), как на стационарном, так и на переходном участках резания, связан с операцией дифференцирования в приращения текущего съема припуска:

du _ Аи _ и, dz At т,-г,.,'

Для нахождения значения коэффициента режущей способности шлифовального круга в условиях обработки можно воспользоваться зависимостью:

Л — — JFH = const, (12)

dx!

где FH - нормальная составляющая силы резания.

Постоянная времени процесса пластического шлифования представляет собой один из важнейших параметров процесса врезного шлифования, поскольку она является интегрированной оценкой двух основных параметров - коэффициента режущей способности круга и приведенной к зоне резания жесткости системы станок - приспособление — инструмент - деталь.

Задание технологических режимов основывается на данных силы резания, измеренных пьезоэлектрическим датчиком. Во время определения статической и динамической составляющей силы резания система ЧПУ обрабатывающего станка рассчитывает величину Тп постоянной времени переходных процессов резания в упругой обрабатывающей системе из выражения:

(13)

[1-9.1 п ~Т„Уп Г T.V„

. 9» . lA+r.&J

Тп - найденный интервал времени, с; который характеризует постоянную времени переходных процессов резания.

Определение постоянной времени на основе информации о силовом параметре (силе или мощности резания) производиться на двух участках процесса резания: переходном или стационарном. Фиксируют амплитуду и фактическую частоту автоколебаний динамической составляющей силы резания и компьютерными вычислениями в реальном масштабе времени обработки определяют фактическую величину постоянной времени переходных процессов резания в каждой .¡-ой из к одновременно обрабатываемых заготовок из формулы:

^=-/'1-' С (14) г<н Уфп/

где: - фактическая постоянная времени переходных процессов резания .¡-ой упругой обрабатывающей системы, с; Рд - статическая составляющая силы резания в ]-ой упругой обрабатывающей системе, Н; Р^ - амплитуда автоколебаний динамической составляющей силы резания .¡-ой упругой обрабатывающей системе, Н; - фактическая частота автоколебаний динамической составляющей силы резания .¡-ой упругой обрабатывающей системе, с"1.

Затем рассчитывают величину статической составляющей упругой деформации обрабатывающей системы по соотношению: 8 V Т

, мкм (15)

А.

где: Д„ - величина статической составляющей упругой деформации, мкм; 5„ - глубина врезной подачи в момент выхода обрабатывающей системы станка на управляемый режим шлифования, мкм; - заданная скорость продольного перемещения указанных точек касания, м/с; Ьх - заданная длина расчетной траектории одного прохода, мкм.

Глубину врезной подачи 5П в момент соответствия фактического закона изменения съема припуска заданному закону определяют компьютерными вычислениями из уравнения:

¿„»¿■„■»„'"Лмкм (16)

Величину динамической составляющей упругой деформации Хц в обрабатывающей системе определяют компьютерным вычислением из уравнения:

Л=^Д„.мкм (17)

где: Рд - величина динамической составляющей силы резания, Н; Рс - величина статической составляющей силы резания. Величину снятого припуска Н„ по нормали к плоскости формообразования за N-06 количество продольных проходов определяют компьютерным вычислением из уравнения:

я. =

-Чо

, мкм (18)

1-9. I,

Совместное использование математических моделей, приведенных выше, позволяет создать технологию групповой обработки алмазов пластическим шлифованием с заданным качеством обрабатываемой поверхности.

В третьей главе приведена методика проведения экспериментального исследования, поставлены задачи эксперимента, описано оборудование, инструмент, датчики, обрабатываемые изделия, применяемые в ходе исследования. В задачи эксперимента входили:

1. Исследование характера изменения скорости съсма припуска при выбранной схеме обработки (с продольной подачей) твердострукгурных материалов.

2. Исследование выбора оптимальных режимов на процесс группового шлифования с целью повышения качества и производительности процесса обработки изделий сложной формы из твердоструетурных материалов.

3. Исследование влияния продольной скорости подачи на шероховатость обработанной поверхности алмаза.

4. Исследование влияния зернистости шлифовального инструмента на шероховатость обработанной поверхности алмаза.

5. Проверка и уточнение результатов теоретического анализа по влиянию условий группового шлифования на получение заданного качества обработанной поверхности и точность размерных параметров изделий.

6. Обоснование технических требований к оборудованию и инструменту, обеспечивающих получение необходимого размера и качества изделий из твер-доструктурных материалов.

7. Идентификация математических моделей процесса пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ.

Для проведения экспериментального исследования использовался станок с ЧПУ АН15Ф4, осциллограф АСК-2021, двухканальный PC осциллограф Velleman PCS64i, пьезоэлектрический датчик силы, усилитель сигнала датчика силы, персональный компьютер и оптический бесконтактный интерферометр Zygo NewView 5000. В качестве обрабатывающего инструмента применялись два алмазных шлифовальных круга чашечных конических с углом 45°. Первый круг изготовлен на керамической связке со 150 %-ной концентрацией синтетического алмазного микропорошка фракции 20/14 мкм. Маркировка круга: 12А2-450 (АЧК) АСМ 20/14 150% КПГ 250x20x5x25 (мм) ГОСТ 16172-80. Второй круг изготовлен на связке из костной муки со 150 %-ной концентрацией синтетического алмазного микропорошка фракции 3/2 мкм. Маркировка круга: 12Л2-450 (АЧК) АСМ 3/2 150% ВФ1 250x20x5x25 (мм) ГОСТ 16172-80. Обрабатывались изделия из поликристаллического алмаза, предоставленные Центром естественнонаучных исследований института Общей физики им. A.M. Прохорова РАН.

В четвертой главе представлены данные экспериментального исследования и их результаты. Полученные результаты экспериментальных исследований идентифицируют модель размерно-регулируемого пластического шлифования алмазов при групповой обработке. Установившийся режим процесса обработки алмаза сопровождается автоколебательным характером удаления припуска. Это подтверждает корпускулярный характер съема припуска в виде отдельных частиц. Частота автоколебательного процесса зависит от скорости подачи стола станочного модуля вдоль оси X,

при этом, чем выше скорость подачи, тем выше частота, и она соответствует частоте съема порций мезообъемов обрабатываемого материала. Контроль параметров шлифования осуществляется по характеристикам автоколебаний силы резания, которые измеряются в процессе обработки в реальном масштабе времени, что позволяет регулировать выходные параметры огранки. Теоретическая шероховатость обработанной поверхности определяется по формуле:

(19)

где кф - коэффициент отклонения от формы, определяется по режимам обработки; (2„ - объем одного снятого мезообъема, который представлен в виде куба и определяется из выражения:

а,=^,нм3 (20)

где, 0ПОр - объем порции снятых мезообъемов в режиме пластического деформирования материала.

На основании результатов экспериментальных исследований были построены графические зависимости полученной теоретической и фактической шероховатости от скорости подачи стола станочного модуля вдоль оси X. Из приведенных на рис. 2 графических зависимостей следует, что фактическая шероховатость увеличивается с увеличением продольной скорости подачи стола, так как уменьшается количество мезообъемов, но увеличиваются его линейные размеры (рис. 3, 4). В зависимости от кристаллографического направления съема припуска (выбор «мягкого» или «твердого» направления огранки) изменяются величины силы резания и интенсивность съема припуска. Увеличение скорости подачи влияет на производительность, но бесконечно увеличивать скорость подачи невозможно из-за ограничений возможностей станка, "возможностей шлифовального круга, возрастания температуры в зоне обработки. Кривая зависимости теоретической шероховатости от скорости подачи отличается от фактической, потому что коэффициент отклонения от заданной формы недостаточно учитывает волновой характер пластического деформирования обрабатываемого материала.

На рис. 5 представлена зависимость шероховатости обрабатываемого материала от зернистости обрабатываемого инструмента. Шероховатость поверхности нелинейно увеличивается с увеличением зернистости обрабатываемого шлифовального круга, а также зависит от других параметров инструмента (связка, тип круга, распределение зерен по объему и поверхности инструмента, охлаждение зоны обработки) и режимов шлифования. Выбор зернистости шлифовального круга перед началом огранки влияет на выбор параметров обработки.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволяют обосновано рекомендовать оптимальные режимы работы оборудования в зависимости от заданных выходных параметров обработки, выбирать параметры настройки приводов координатных перемещений исполнительных органов станка, а также выбирать оптимальную траекторию движения шлифовального инструмента в плоскости формообразования, устанавливать первоначальные режимы резания, а также выбирать продольную скорость подачи для получения заданных выходных параметров обрабатываемой поверхности. Эти исследования позволили разработать рекомендации по назначению оптимальных режимов резания, так как они влияют на весь процесс обработки алмазов.

-РяД1 -Ряд2

1,5 -

41 45 51 58 68

РЯД1 1,276 1,325 1,372 1,485 1,513

Р яд2 0,931 0,939 1,014 1,014 1,048

Скорость подачи Уп, мм/с

Ряд 1 - фактическая шероховатость поверхности. Ряд 2 - теоретическая шероховатость поверхности.

Рис. 2. Зависимость фактической и теоретической шероховатости от скорости подачи стола шлифовального станочного модуля вдоль оси X.

Рис. 3. Фото полученной шероховатости обработанной поверхности поликристаллического алмаза: II, = 1,276 нм (зернистость шлифовального круга 20/14, скорость подачи 41 мм/с)

Рис. 4. Фото полученной шероховатости обработанной поверхности поликристаллического алмаза: = 0,030 нм (зернистость шлифовального круга 3/2, скорость подачи 41 мм/с)

Зависимость шероховатости обработанной поверхности от зернистости шлифовального круга

_тз

20Л4 з а

Зернистость, мкм

Рис. 5. Зависимость шероховатости обрабатываемой поверхности от зернистости

шлифовального круга

В пятой главе изложена практическая ценность работы и представлена оценка экономической эффективности. Приведены критерии выбора рациональных параметров процесса групповой обработки алмазов, а также обобщены требования к обрабатывающему оборудованию. Разработана оптимизация технологического процесса одновременной огранки двадцати одной заготовки вместо пятнадцати заготовок алмазов на станочном модуле с ЧПУ АН15Ф4. Для этого необходимо оборудовать огра-ночную кассету двумя линиями закрепления заготовок алмазов. Исходя из того, что длина хорды обрабатывающего шлифовального круга неизменна, можно заготовки расположить в два ряда в шахматном порядке с интервалом между ними 27,4 мм, а интервал между рядами должен составлять 13,7 мм (рис.6, 7). Закрепление заготовок приведенным способом позволит увеличить количество заготовок на шесть штук, таким образом, общее количество одновременно обрабатываемых изделий будет не пять, а семь штук, а общее количество заготовок в кассете увеличится с 15 до 21 шт. Время на обработку 21 заготовки будет в среднем такое же, как и при групповой ог-

ранке пятнадцати заготовок алмаза. В табл. 1 приведен расчет годовой производительности бриллиантов 57Кр массой 0,05 - 1,48 карат.

Таблица 1. Сравнительная характеристика годовой производительности процессов

огранки алмазов в бриллианты Кр 57.

№ Вид обработки Количество рабочих часов в год, ч. Затраты времени на огранку, ч. Количество одновременно обрабатываемых изделий, шт. Годовая производительность, шт./год

1 Ручная огранка (1 специалист- огранщик) 2008 3,5 1 574

2 Огранка с помощью полуавтоматического приспособления «01атапс ОБ7000» (1 рабочее место: 4 приспособления, I шлифовальный круг) 4016 4,5 4 3570

3 Групповая огранка 15 изделий (1 станок АН15Ф4) 5271 9,7 15 8151

4 Групповая огранка 21 изделий (1 станок АН15Ф4) 5271 10,3 21 10747

На рис. 8 представлена диаграмма с показателями годовой производительности процессов огранки алмазов в бриллианты Кр 57. Таким образом, из вышеприведенных расчетов следует, что при использовании предлагаемой технологии [рупповой огранки алмазов (21 заготовка) для автоматизации процесса обработки можно повысить производительность в 18,7 раз по сравнению с ручной технологией, в 3 раза по сравнению с огранкой на полуавтоматическом приспособлении «П1атайс 087000», в 1,3 раза по сравнению с групповой огранкой одновременно пятнадцати заготовок. Исследования в области увеличения производительности процесса огранки, а также

выявление зависимости влияния увеличения числа заготовок на качество полученных изделий и на износ инструмента являются перспективными.

I

I

(общее число заготовок - 15 шт.)

I

■

ном порядке (общее число заготовок - 21 шт.)

12000

10000

8000

6000

4000 —

с о ас

2000

| 10747

------- --------- 8151 -------

3570

574 1 1

2 . 3

Вид обработки алмазов а бриллианты

Рис. 8. Диаграмма годовой производительности процессов огранки алмазов в бриллианты Кр 57 массой 0,05 - 0,5 кар; где 1 - ручной вид огранки, 2 - огранка с помощью полуавтоматического приспособления «В1атаи"с 087000», 3 - групповая огранка 15 изделий, 4 - групповая огранка 21 изделия.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована и экспериментально идентифицирована модель пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ.

2. Разработана математическая модель для определения режимов процесса группового шлифования алмазов на станках с ЧПУ, учитывающая критерии выбора рациональных параметров обработки.

3. Разработана математическая модель для управления процессом пластического шлифования алмазов при групповой обработке, позволяющая повысить качество получаемых изделий и производительность.

4. Установлены зависимости шероховатости поверхности обработанного алмаза от продольной скорости подачи и от зернистости шлифовального инструмента.

5. Установлено, что величина шероховатости обрабатываемой поверхности соизмерима с величиной снимаемых мезообъемов в режиме пластического шлифования.

6. Экспериментальные исследования показали, что при групповой обработке алмазов достигается качество изделий, которое удовлетворяет техническим условиям к качеству обработки алмазов.

7. Подтверждена зависимость выбора технологических параметров процесса групповой обработки алмазов от технических требований, налагаемых на режим шлифования требованиями к изделию, станку, шлифовальному кругу.

8. На основе экспериментальных исследований выявлены основные критерии и сформулированы требования к процессу групповой обработки сверхтвердых материалов, а также к оборудованию, применяемому при данном процессе.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Дубинин П.И., Дубинина А.П. К вопросу классификации обработки природного камня. - М., Горный информационно-аналитический бюллетень, №5, 2006, с.36-48

2. Дубинина А.П. Влияние технологических режимов на качество обрабатываемых поверхностей алмазов при групповой огранке. - М., Горный информационно-аналитический бюллетень, №9, 2005, с. 321-325.

3. Дубинина А.П. Метод групповой огранки мелких алмазов. - Сб. науч. тр. IV Международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня». - Магнитогорск: МагГТУ, 2004, с.224-227.

4. Дубинина А.П. Особенности технологического процесса групповой огранки алмазов в режиме пластического шлифования. - Труды VII Всероссий-

ской научной конференции «Дизайн и технология художественной обработки материалов», вып. 8. - Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2004, с. 49-53.

5. Морозов В.И., Дубинин П.И., Дубинина А.П. Тенденции развития художественной обработки природного камня в России. - Труды XI Международного симпозиума «GEOTECHNIKA - GEOTECIINICS 2004», Польша, г. У стронь, 2004, с. 51-58.

6. Сильченко О.Б., Дубинина А.П. Возможности применения метода пластических деформаций в мезообъемах для групповой огранки алмазов в бриллианты. - М., Горный информационно-аналитический бюллетень, №4, 2004, с. 275-276.

7. Сильченко О.Б., Дубинина А.П. Критическая технология размерно-регулируемой бездефектной обработки твердоструктурных минералов микрошлифованием. - Сб. науч. тр. Международной конференции «VI Школа геомеханики», Польша, г. Устронь, 2003, с. 167-180.

8. Сильченко О.Б., Дубинина А.П. Критические технологии обработки сверхтвердых материалов. - М., Горный информационно-аналитический бюллетень, №3, 2004, с. 139-141.

9. Сильченко О.Б., Дубинина А.П. Особенности алмазно-абразивной обработки минералов в режиме пластического шлифования на станке АН15Ф4. -М., Драгоценные металлы. Драгоценные камни, №6(126), 2004, с. 94-96.

10. Сильченко О.Б., Дубинина А.П. Особенности групповой алмазно-абразивной обработки минералов в режиме пластического шлифования па станке АН15Ф4. - Труды XI Международного симпозиума «GEOTECHNIKA -GEOTECIINICS 2004», Польша, г. Устронь, 2004, с. 85-89.

11. Сильченко О.Б., Попов В.Н., Дубинина А.П, Повышение производительности и экологичности производства бриллиантов за счет применения группового метода огранки алмазов. - Материалы конференции «VII SZKOLA GE-OMECHANIKI», Польша, Устронь, 2005, с. 491-497.

Подписано в печать 13.11.2006. Формат 60x90/16. Бумага офсетная 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1635

»-■лшишвикы! и 1 ииУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 062809 Код издательства 5X7(03)

Отпечатано в типографии Издательства Московского государственного горного университета

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД№ 53-305

119991 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6; Издательство МГГУ; теп. (095) 236-97-80; факс (095) 956-90-40

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ АЛМАЗОВ.

1.1. Физико-технические и эстетические свойства алмазного сырья.

1.2. Анализ методов огранки алмазов.

1.3. Анализ способов формообразования изделий из твердоструктурных материалов.

1.4. Технические требования к качеству обработки алмазов.

1.5. Выводы. Цель и задачи диссертационного исследования.

1.5.1. Выводы.

1.5.2. Цель и задачи диссертационного исследования.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАСТИЧЕСКОГО ШЛИФОВАНИЯ АЛМАЗОВ ПРИ ГРУППОВОЙ ОБРАБОТКЕ НА СТАНКАХ С ЧПУ.

2.1. Теоретические основы формирования пластической деформации при шлифовании алмазов.

2.2. Процесс пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ.

2.3. Математическое описание процесса пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЛАСТИЧЕСКОГО ШЛИФОВАНИЯ АЛМАЗОВ.

3.1. Задачи экспериментального исследования.

3.2. Объект экспериментального исследования.

3.3. Оборудование, применяемое при проведении экспериментального исследования.

3.4. Инструмент, используемый для проведения экспериментального исследования.

3.5. Датчики, применяемые в ходе экспериментального исследования.

3.6. Порядок проведения экспериментального исследования.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЛАСТИЧЕСКОГО ШЛИФОВАНИЯ АЛМАЗОВ.

4.1. Основные данные, полученные в ходе экспериментального исследования.

4.2. Алгоритм обработки экспериментальных данных.

4.3. Анализ результатов экспериментального исследования.

4.4. Выводы по результатам экспериментального исследования.

ГЛАВА 5. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ГРУППОВОЙ ОБРАБОТКИ АЛМАЗОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЕГО ВНЕДРЕНИЯ.

5.1. Критерии выбора рациональных параметров процесса групповой обработки алмазов.

5.2. Требования, предъявляемые к оборудованию при групповой обработке алмазов.

5.3. Оптимизация технологического процесса групповой обработки алмазов в бриллианты.

5.4. Результаты внедрения технологического процесса групповой обработки алмазов в бриллианты.

5.5. Выводы.

Актуальность работы: Обработкой алмазов человечество занимается с древнейших времен. Россия, занимая первое место в мире по объему разведанных запасов алмазов, с конца 1990-х годов активно развивает отечественную гранильную промышленность.

В соответствии с правительственной концепцией реформы алмазно-бриллиантового комплекса добыча алмазов в Российской Федерации к 2010 году должна увеличиться до 3 млрд. долларов США в год по сравнению с почти 2,238 млрд. долларов США в 2005 году. Поэтому актуально развивать обрабатывающую отрасль и экспортировать готовые изделия, а не алмазное сырье, так как в России добывается примерно 20% мирового объема алмазов. Особенности современного рынка драгоценных камней выдвигают новые требования к алмазообрабатываю-щей промышленности. Повышающийся спрос, возрастающая стоимость сырья, конкуренция со стороны стран с дешевой рабочей силой, привели к тому, что решающим фактором для алмазообрабатывающего предприятия становится гибкость технологического процесса. Существуют предприятия, которые специализируются на огранке дорогих бриллиантов. Другая часть предприятий, в ущерб качеству изделий, за счет дешевого сырья и рабочей силы ориентируется на количество. Это две крайности, но в реальности необходимо, чтобы современное предприятие умело рентабельно работать как с дешевым сырьем, обеспечивая малый процент потерь и хорошую производительность, так и с дорогим сырьем, обеспечивая выполнение всех требований по качеству конкретного заказчика. Существует также проблема с огранкой мелкого сырья, которого добывается больше половины от общего количества алмазов, добываемых в мире. Данные по массе добываемых алмазов приведены на рис. 1. [102]

Очевидно, что осуществление технологического процесса обработки алмазов с получением качественных изделий возможно при наличии высококвалифицированного персонала и управляемого и контролируемого производства. По существующей технологии окончательную обработку алмазов в бриллианты осуществляют вручную на основании субъективного контроля размерных параметров, сходимости граней и качества обработки. При этом огранщик контролирует качество изделий, руководствуясь своим опытом и навыками. Контроль процесса обработки зависит от квалификации огранщика. Хотя для операции огранки привлекают мастеров - огранщиков высокой квалификации, невозможно осуществить объективные контроль и управление процессом обработки алмазов. Качество получаемых бриллиантов, как правило, оказывается невысоким из-за отсутствия повторяемости и однозначности при оценке выходных параметров обработки.

Соотношение количества (в процентах) добываемых алмазов в мире к их массе

Масса,кар

0,99-1,48 ■ 1,49-1,98 □ 1,99-2,48 □ 2,49-2,98 ■ 2,99-3,48 □ 3,49-3,98 ■ 3,99^,48

4,49-4,98 В4,99-5,48

Рис. I. Диаграмма соотношения количества (е процентах) добываемых алмазов в мире к их массе П021

В настоящее время стало возможным обрабатывать хрупкие материалы шлифованием так, что преобладающим механизмом становится не хрупкое, а пластическое разрушение. Основываясь на теории физической мезомеханики, разработанной Паниным В.Е., в работах Коньшина А .С., Сильченко О.Б., Тепловой Т.Б были проведены исследования по пластическому шлифованию твердоструктур-ных материалов и алмазов. Пластическое шлифование - процесс массового скоростного микрорезания поверхностных слоев твердых тел большим числом мельчайших шлифующих зерен, сцементированных в инструменте с помощью связки, при котором съем материала происходит порциями мезообъемов со скоростью врезной подачи порядка нескольких нанометров на один оборот шлифовального круга. При таком шлифовании в режиме пластичности обработанная поверхность получается примерно с такими же характеристиками как после процесса полирования. Обработка алмазов на многокоординатном станочном модуле с ЧПУ на основе использования компьютерного управления технологией размерно - регулируемого пластического шлифования позволяет получить высокотехнологичные изделия для нано- и микроэлектроники, медицины, а также ювелирной промышленности. При этом в зависимости от цели применения обработанного алмаза могут быть использованы различные технологические приемы и режимы шлифования.

Решением проблемы повышения производительности огранки является использование автоматизированного процесса одновременной групповой обработки алмазов с выбором рациональных режимов. Чтобы автоматизировать групповую огранку необходимо осуществлять контроль этого процесса, прежде всего при обработке каждого отдельного алмаза в реальном масштабе времени. Для этого необходимо формализовать процесс обработки, сделать его объективным и независимым от субъективных оценок огранщика. Автоматизация технологии обработки алмазов возможна на основе постоянного контроля параметров пластического шлифования с тем, чтобы в нужный момент оперативно внести соответствующие коррективы в этот процесс. Одновременно с повышением качества и эффективности производства ставится задача сокращения дефицита рабочих - огранщиков, которые могут быть заменены операторами станков с ЧПУ.

Целью работы является: создание технологии автоматизированного шлифования поверхностного слоя при групповой обработке алмазов, позволяющей получать стабильно высокое качество обрабатываемой поверхности при множественной повторяемости изготовленных изделий.

Для достижения указанной цели требуется решение следующих задач:

1. создание режимов автоматического пластического шлифования для получения заданного качества обрабатываемых алмазов;

2. создание способа диагностирования и контроля параметров пластического шлифования при групповой обработке алмазов в реальном масштабе времени;

3. исследование зависимостей шероховатости от скорости подачи, зернистости шлифовального круга.

Научные положения, разработанные соискателем и их новизна:

1. Математическая модель для определения режимов процесса группового шлифования алмазов, учитывающая в реальном масштабе времени входные и выходные параметры процесса обработки, позволяющая получать оперативную и достоверную информацию, достаточную для последующего целенаправленного воздействия на процесс обработки.

2. Математическая модель для управления процессом пластического шлифования при групповой обработке алмазов на станках с ЧПУ, позволяющая повысить качество получаемых изделий и производительность огранки.

3. Зависимость шероховатости обрабатываемой поверхности при групповой обработке алмазов от соотношения продольной скорости подачи и зернистости шлифовального круга.

4. Зависимость производительности процесса групповой обработки алмазов и качества получаемых изделий от геометрического расположения заготовок в кассете. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций - базируется на математическом анализе колебаний упругих обрабатывающих систем; теории математического моделирования; использовании в математических моделях основополагающих законов физики твердого тела, физической мезомеханики, минералогии, кристаллографии, теории абразивно-алмазной обработки твердоструктурных материалов; обобщении многолетней эксплуатации опытного трехкоординатного образца станочного модуля при шлифовании твердоструктурных материалов (таких как алмаз, лейкосапфиры, керамика и др.); статистических методах анализа информации в реальном масштабе времени;

- подтверждается широким объемом экспериментальных результатов и опытных данных, осциллограммами и результатами компьютерной обработки данных, позволивших установить в реальном масштабе времени взаимосвязь математических моделей и алгоритмов, идентифицирующих фактические физические параметры для управления процессом группового резания в соответствии с принятой моделью физической мезомеханики.

Погрешность оценки результата экспериментального исследования при нормальном законе распределения составляет 18,9 %. Научное значение работы;

1. Доказана возможность автоматического управления процессом пластического шлифования алмазов независимо от анизотропных свойств каждого отдельного изделия при групповой обработке.

2. Установлены конкретные зависимости изменения шероховатости поверхности алмаза от продольной скорости подачи и зернистости шлифовального круга.

3. Обеспечение режима пластического шлифования с учетом технических ограничений, налагаемых на условия процесса разрушения поверхностного слоя алмазов, является основным фактором достижения высокого качества обрабатываемой поверхности. Практическое значение работы

1. Разработан способ оперативного контроля технологических параметров процесса пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ.

2. Оптимизирован процесс групповой обработки алмазов, учитывающий основные параметры процесса пластического шлифования на станках с ЧПУ.

3. Получена шероховатость обработанной поверхности с показателем Ra порядка 0,03 - 1,5 нм.

4. Разработаны рекомендации, позволяющие обрабатывать алмазы, независимо от их анизотропных свойств, и изготавливать изделия сложной формы с требуемой шероховатостью поверхности. Это позволяет повысить производительность в среднем в 18,7 раз за счет использования группового метода обработки кристаллов.

Объект исследования - технологический процесс автоматизированной групповой обработки алмазов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на XI Международном симпозиуме «GEOTECHNIKA - GEO-TECHNICS 2004» (Польша, г. Устронь, 2004 г.), на VII Всероссийской научной конференции «Дизайн и технология художественной обработки материалов» (г. Златоуст, ЮУрГУ, 2004г.), на IV Международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня», (г. Магнитогорск, МагГТУ, 2004 г.) на научных симпозиумах «Неделя Горняка» (г. Москва, Московский государственный горный университет. 2004,2005,2006 гг.).

Результаты исследований позволили сформулировать и реализовать в ЗАО «ТехИнвест» технологию пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ с получением стабильно воспроизводимых высококачественных изделий независимо от влияния субъективных факторов (уровня квалификации оператора).

Результаты исследования могут быть применены в ограночных производствах с гибкой системой комплексной автоматизации технологии обработки алмазов в бриллианты.

Реализация выводов работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в виде:

- математической модели пластического шлифования твердоструктурных минералов, взаимоувязывающей входной силовой параметр обработки со скоростью съема припуска и шероховатостью обрабатываемой поверхности;

- математической модели для управления процессом обработки алмазов при реализации предложенной модели пластического шлифования обрабатываемого материала на основе контроля над процессом;

- программ обработки алмазов для их реализации на персональных компьютерах;

- методических указаний по оптимизации технологического процесса;

- методических указаний по выбору рациональных режимов формообразования бриллиантов и уточнения технических требований к упругой обрабатывающей системе.

Настоящая работа состоит из пяти глав.

В первой главе рассматриваются существующие методы огранки алмазов и сверхтвердых материалов. Описаны физико-технические и эстетические свойства алмазного сырья. Приведены технические требования к качеству обработки алмазов. Проанализированы способы формообразования изделий из твердоструктурных материалов, указаны пути повышения производительности процесса обработки.

Вторая глава посвящена исследованию процесса пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ. Рассматриваются теоретические основы формирования пластической деформации при шлифовании алмазов. Предлагается способ пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках ЧПУ. Во второй главе представлено разработанное впервые математическое описание процесса пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ. Разработана математическая модель для определения оптимального режима процесса группового шлифования алмазов, также сформулирована математическая модель для управления процессом пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ.

Третья глава включает методику проведения экспериментального исследования процесса пластического шлифования алмазов, где описывается оборудование, инструмент, датчики, используемые в ходе эксперимента, а также порядок его проведения.

В четвертой главе приводятся данные, полученные в ходе эксперимента, а также результаты экспериментального исследования, при анализе которых выявлены зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности алмаза от продольной скорости подачи и от зернистости обрабатывающего шлифовального круга.

Пятая глава описывает оптимизацию технологического процесса групповой обработки алмазов на станке с ЧПУ АН15Ф4, где указаны требования к оборудованию. Сформулированы критерии выбора рациональных параметров при групповой обработке алмазов. Приведены результаты внедрения процесса групповой обработки алмазов в производство.

Окончена работа заключением.

Основные выводы по работе:

1. Теоретически обоснована и экспериментально идентифицирована модель пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ.

2. Разработана математическая модель для определения режимов процесса группового шлифования алмазов на станках с ЧПУ, учитывающая критерии выбора рациональных параметров обработки.

3. Разработана математическая модель для управления процессом пластического шлифования алмазов при групповой обработке, позволяющая повысить качество получаемых изделий и производительность.

4. Установлены зависимости шероховатости поверхности обработанного алмаза от продольной скорости подачи и от зернистости шлифовального инструмента.

5. Установлено, что величина шероховатости обрабатываемой поверхности соизмерима с величиной снимаемых мезообъемов в режиме пластического шлифования.

6. Экспериментальные исследования показали, что при групповой обработке алмазов достигается качество изделий, которое удовлетворяет техническим условиям к качеству обработки бриллиантов.

7. Подтверждена зависимость выбора технологических параметров процесса групповой обработки алмазов от технических требований, налагаемых на режим шлифования требованиями к изделию, станку, шлифовальному кругу.

8. На основе экспериментальных исследований выявлены основные критерии и сформулированы требования к процессу групповой обработки сверхтвердых материалов, а также к оборудованию, применяемому при данном процессе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Абразивная и алмазная обработка материалов справочник под ред. Резникова A.M., - М.: Машиностроение, 1977 - 391 с.

2. Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов. М., Недра, 1984, с.27.

3. Аврамов Ю.С., Лещенко М.И., Шляпин А.Д., Шляпин С.Д., Ягудин Т.Г. Научные основы и технология получения режущего инструмента с пластинами из композиционных материалов. М.: МГИУ, 2002 - 352 с.

4. Александров В.А. Обработка природного камня алмазным дисковым инструментом. Киев.: Наукова думка, 1979 - 240 с.

5. Андриец С.П., Белявская О.А., Толмачев А.И., Клименов В.А., Лавренков А.В., Городищенский П.А., Коломеец Н.П., Дедов Н.В. Способ ультразвуковой обработки хрупких материалов. Патент РФ № 2191673 от 2002.

6. Архаров В.И. Мезоскопические явления в твердых телах и их мезострук-тура. Проблемы современной физики. М.: Наука, 1980.- с. 357-382.

7. Бакуль В.Н., Лощак М.Г., Мильнев В.И. Микротвердость алмаза и ее зависимость от температуры. М. Синтетические алмазы, 1978, № 1, с.7-10.

8. Балыков А.В. Диагностика шлифования хрупких твердых неметаллических материалов по динамическим параметрам. Доклады 8 Международной конференции по шлифованию, абразивным инструментам и материалам. Ленинград, 1991, ч 2, с. 107-112.

9. Балыков А.В. Исследование процесса алмазного шлифования кварцевых пластин специальных радиоэлектронных приборов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1971.

10. Ю.Балыков А.В. О некоторых закономерностях алмазного шлифования хрупких неметаллических материалов. В кн. «Синтетические алмазы -ключ к техническому прогрессу», ч. 2 Киев, Наукова Думка, 1977, сЛ 71-181.

11. Балыков А.В., Калугина J1.M. Работоспособность алмазных кругов при шлифовании неметаллических материалов. М., Алмазы и сверхтвердые материалы, 1979, вып. 6, с. 4-6.

12. Балыков А.В., Попов С.А. Влияние рельефа рабочей поверхности алмазных кругов на их работоспособность и шероховатость обработанных поверхностей. Межвузовский сборник «Вероятностно-статические основы процессов шлифования и доводки». JL, СЭПИ, 1974.

13. Балыков А.В., Попов С.А. Состояние поверхностного слоя кварцевых пластин при алмазном шлифовании. М., Вестник машиностроения, 1970, №2, с. 73-76.

14. М.Банк Г. В мире самоцветов. Пер. с нем. М.: Мир, 1978 - 300 с.

15. Владимиров В. И., Романов А.Е. Дисклинации в кристаллах. Л.: Наука, 1986.-223 с.

16. Глейзер J1.A. О сущности процесса шлифования. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, М., 1956.

17. П.Григорьев А.П., Лифшиц С.Х., Шамаев П.П. Способ обработки алмаза. Патент США № 4339304, Кл. 51-206, 1985.

18. Дубинин П.И., Дубинина А.П. К вопросу классификации обработки природного камня. М., Горный информационно-аналитический бюллетень, №5, 2006, с.36-48

19. Дубинина А.П. Влияние технологических режимов на качество обрабатываемых поверхностей алмазов при групповой огранке. М., Горный информационно-аналитический бюллетень, №9, 2005, с. 321-325.

20. Дубинина А.П. Метод групповой огранки мелких алмазов. Сб. науч. тр. IV Международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня». Магнитогорск: МагГТУ, 2004, с.224-227.

21. Евсеев Д.Г., Сальников А.Н. Физические основы процесса шлифования. -Издательство Саратовского университета, 1978 128 с.

22. Егорушкин В.Е. Динамика пластической деформации. Волны локализованной пластической деформации в твердых телах. Журнал «Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов» под ред. В.Е. Панина Новосибирск: Наука, 1995 Т. 1, с. 50 - 77.

23. Епифанов В.И. Влияние напряжений в кристаллах на механическую обработку алмаза. Алмазы и сверхтвердые материалы. 1977, вып.2.

24. Йошида С. Динамика пластической деформации и заряда пластической деформации. Томск, Физическая мезомеханика, №4 2003, с. 37-43

25. Кабанов А.В., Шигин В.К., Солодова Ю.П. Обработка алмазов, драгоценных и цветных поделочных камней. М. Изд. МГРИ, 1985.

26. Казарян Ж.А. Природный камень: добыча, обработка и применение. М.: ГКГранит: Петрокомплект, 1997 - 252 с.

27. Каминский М.Е. и др. Рациональная эксплуатация алмазного инструмента. М.: Машиностроение, 1965 - 239 с.

28. Качалов Н. Технология шлифовки и полировки листового стекла. М., Машиностроение, 1958, 153 с.

29. Качанов JT.M. Основы механики разрушения. М., Недра, 1974, 185 с.

30. Кащеев В.Н. Абразивное разрушение твердых тел. М.: Наука, 1970 -247с.

31. Кичигин А.Ф., Игнатов С.Н., Климов Ю.И., Ярема В.Д. Алмазный инструмент для разрушения крепких горных пород. М.: Недра, 1980 - 159 с.

32. Колев А.Н., Ищенко С.Ю. Диагностика процесса алмазной обработки твердых и хрупких неметаллических материалов. М.: Электронная техника, сер.7, вып. 7, 1988.

33. Конева Н.А. Природа стадий пластической деформации. Статьи Соросов-ского Обозревательного журнала. Томский государственный архитектурно-строительный университет, 1998 г.

34. Конева Н.А., Козлов Э.В. Физическая природа стадийности пластической деформации. Изв. вузов. Физика.- 1990,-№2.- с. 89-108.

35. Коньшин А.С., Баранова Л.М., Майорова Р.И. Разработка модели адаптивных систем управления размерной настройкой системы СПИД для шлифовальных ГПМ и алгоритма тестового диагностирования процесса резания. М., НПО ЭНИМС, 1986 г., 49 с.

36. Коньшин А.С., Сильченко О.Б., Теплова Т.Б. Обработка твердоструктурных минералов резанием на шлифовальных станочных модулях с ЧПУ с применением новой технологии. М., Горные машины и автоматика № 11 с.31-33.

37. Корнилов Н.И., Солодова Ю.П. Ювелирные камни. М.: Недра, 1987 -282с.

38. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967 - 360 с.

39. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела. T.IV Томск, 1947.

40. Лифшиц С.Х. Способ обработки алмаза. Патент РФ № 2123424 от 1999.

41. Лихачев В.А., Рыбин В.В. Дисклинации в идеально фрагментированном кристалле. ФТТ. 1976. - Т. 18. - с. 163-165.

42. Лихачев В.А., Рыбин В.В. Дисклинационная модель пластической деформации и разрушения кристаллов. Вестн. Ленинград, ун-та. 1976.-№7.- с. 103-108.

43. Лихачев В.А., Хайров Р.Ю. Введение в теорию дисклинаций. Л.: Изд-во ЛГУ, 1975.- 183 с.

44. Лоскутов В.В., Тамбулатов В.Я., Перфильев Г.Л. Измерение силы резания при внутреннем шлифовании. М., Станки и инструмент, № 5, 1971, с. 30-31.

45. Лурье Г.Б. Шлифование металлов. -М.: Машиностроение, 1969. 175 с.51 .Макклинтон Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. М.: Мир, 1970.-360 с.

46. Маслов Е.Н. Механизм работы абразивного зерна при шлифовании. В кн.: Основные вопросы высокопроизводительного шлифования М.: Машгиз, 1960, с. 5-29.

47. Маслов Е.Н. Основные закономерности высокопроизводительного шлифования. В кн.: Высокопроизводительное шлифование М.: АНСССР, 1962, с. 3-17.

48. Маслов Е.Н. Основы теории шлифования металлов. М.: Машгиз, 1951, 190 с.

49. Маслов Е.Н. Теоретические основы процесса алмазной обработки материалов. В кн.: Обработка машиностроительных материалов алмазным инструментом. М.: Наука, 1966, с. 14-29.

50. Маслов Е.Н. Теория шлифования материалов М.: Машиностроение, 1974-320 с.

51. Маслов Е.Н. Чистота поверхности при обработке деталей из минералоке-рамики высокой твердости. М.: Вестник машиностроения, 1965, №3, с.59-61.

52. Маслов Е.Н., Игнатов Б.А. Новые исследования в области чистоты шлифованной поверхности. В кн.: Новые исследования в области обработки резанием металлов и пластмасс. М.: Машгиз, 1952, с. 45-48.

53. Маслов Е.Н., Попов С.А. Абразивная обработка металлов. В кн.: Развитие науки о резании металлов. М.: Машиностроение, 1967, с. 335-378.

54. Матвеев А.С., Протасов В.Ф. Развитие алмазной промышленности России и эффективность инвестиций. Проблемы, теория, практика. М.: Издательство «Полярный круг», 2004 - 448 с.

55. Милашев В.А. Алмаз. Легенды и действительность. Ленинград: Недра, 1989- 159с.

56. Михелькевич В.Н. Автоматическое управление шлифованием. М.: Машиностроение, 1975 - 304 с.

57. Михелькевич В.Н. Системы автоматического регулирования технологических процессов шлифования. Куйбышевское книжное издательство, 1969- 152 с.

58. Морозов В.И., Дубинин П.И., Дубинина А.П. Тенденции развития художественной обработки природного камня в России. Труды XI Международного симпозиума «GEOTECHNIKA GEOTECHNICS 2004», - Польша, г.Устронь, 2004, с. 51-58.

59. Налимов В.В., Голикова Т.И. Логические основания планирования эксперимента. М.: Металлургия, 1976 - 128 с.

60. Нобухиро Ота, Кацуко Харано, Наодзи Фудзимори. Способ обработки материала. Патент РФ № 2094225 от 1998.

61. Орлов Ю.Л. Минералогия алмаза. М.: Наука, 1973 - 223 с.

62. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Физическая мезомеханика новая парадигма на стыке физики и механики деформируемого твердого тела. - Томск, Физическая мезомеханика, №4 2003, стр. 9-36.

63. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф., Иванчин А.Г. Структурные уровни деформации твердых тел. Изв. вузов. Физика. -, 1982.-№6.- с. 5-27.

64. Панин В.Е., Деревягина Л.С., Дерюгин Е.Е., Панин А.В., Панин С.В. Закономерности стадии предразрушения в физической мезомеханике. -Томск, Физическая мезомеханика, №6 2003, с. 97-106.

65. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск: Наука, 1985. - 229 с.

66. Панин В.Е., Фомин В.М., Титов В.М. Физические принципы мезомехани-ки поверхностных слоев и внутренних границ раздела в деформируемом твердом теле. Томск, Физическая мезомеханика, №2 2003 , с. 5-15.

67. Попов С.А. Шлифовальные работы. М.: Высшая школа, 1987-300 с.

68. Ребрик Ю.Н., Михин К.Е., Бочаров A.M., Зиенко С.И. Способ обработки кристаллов алмаза. Патент РФ № 2174910 от 2001.

69. Рыбин В.В. Структурно-кинетические аспекты развитой пластической деформации. Изв. вузов. Физика. 1991, N 3, с. 7-22.

70. Рыбин В.В., Зисман АЛ. Золотаревский И.Ю. Стыковые дисклинаций в пластически деформированных кристаллах. ФТТ. -1985. Т. 27.-№ 1.-е. 181-186.

71. Рыбин В.В., Золотаревский И.Ю., Жуковский И.М. Эволюция структуры и внутренние напряжения на стадии развитой пластической деформации твердых тел. ФММ. 1990, № 1, с. 5-26.

72. Сильченко О.Б. Разработка метода и требований к оборудованию для бездефектного (пластичного) размерного резания хрупких материалов, -Автореферат дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук, М., ЭНИМС, 1995.

73. Сильченко О.Б. Теория и методы размерно-регулируемой и бездефектной обработки твердоструктурных минералов резанием. Автореферат дис. на соиск. учен. степ. док. техн. наук, М., ЭНИМС, 2000.

74. Сильченко О.Б., Дубинина А.П. Возможности применения метода пластических деформаций в мезообъемах для групповой огранки алмазов в бриллианты. М., Горный информационно-аналитический бюллетень, №4, 2004, с. 275-276.

75. Сильченко О.Б., Дубинина А.П. Критическая технология размерно-регулируемой бездефектной обработки твердоструктурных минералов микрошлифованием. Сб. науч. тр. Международной конференции «VI Школа геомеханики», Польша, г. Устронь, 2003, с. 167-180.

76. Сильченко О.Б., Дубинина А.П. Критические технологии обработки сверхтвердых материалов. М., Горный информационно-аналитический бюллетень, №3, 2004, с. 139-141.

77. Сильченко О.Б., Дубинина А.П. Особенности алмазно-абразивной обработки минералов в режиме пластического шлифования на станке АН15Ф4. М., Драгоценные металлы. Драгоценные камни, №6(126), 2004, с. 94-96.

78. Сильченко О.Б., Дубинина А.П. Особенности групповой алмазно-абразивной обработки минералов в режиме пластического шлифования на станке АН15Ф4. Труды XI Международного симпозиума «GEO-TECHNIKA GEOTECHNICS 2004», - Польша, г. Устронь, 2004, с. 85-89.

79. Сильченко О.Б., Коньшин А.С. Моделирование процессов бездефектного резания алмазов на принципах физической мезомеханики. Труды Научно-практической конференции МГГУ «Неделя горняка 99», с.6.

80. Сильченко О.Б., Попов В.Н., Дубинина А.П. Повышение производительности и экологичности производства бриллиантов за счет применения группового метода огранки алмазов. Материалы конференции «VII SZKOLA GEOMECHANIKI», Польша, Устронь, 2005, с. 491-497.

81. Сильченко О.Б. Теплова Т.Б., Морозов В.И. Тестовые методы диагностирования параметров пластичного микрошлифования кристаллов. Материалы конференции «V Юбилейная Школа Геомеханики», Польша, Устронь, 2001.

82. Синкенкес Дж. Руководство по обработке драгоценных и поделочных камней. М.: Мир, 1998 - 423 с.

83. Сиротин Ю.И., Шаскольская М.П. Основы кристаллофизики. М.: Наука, 1979-640 с.

84. Смирнов Б.И. Дислокационная структура и упрочнение кристаллов. JL: Наука. Ленинград, отд., 1981 г. - 235 с.

85. Солодова Ю.П., Андреенко Э.Д., Гранадчикова Б.Г. Определитель ювелирных и поделочных камней. М:, 1985 г. - 160 с.

86. Способ размерного микрошлифования изделий, устройство для его осуществления и приспособление для крепления обрабатываемых изделий. Патент РФ № 2123627. Коныиин А.С., 1995 г.

87. Справочник технолога-машиностроителя под редакцией Косиловой А.Г. и Мещерякова Р.К. т.1. М.: Машиностроение, 1986 г. - 549 с.

88. Стельмах М.Ф. Лазеры в технологии. М.: Энергия, 1975 г. 156 с.

89. Степанов А.В. Основы практической прочности кристаллов. -М.: Наука, 1974 г. 133с.

90. Сычев Ю.И., Берлин Ю.Я. Шлифовально-полировальные и фрезерные работы по камню. М.: Стройиздат, 1985 - 312 с.

91. Теплова Т.Б., Сильченко О.Б., Коньшин А.С. Анализ путей повышения эффективности обработки алмазов.: Горный информ.-аналит. бюллетень 2000, N9. М.: МГГУ, с. 184-187.

92. Теплова Т.Б., Сильченко О.Б. Коньшин А.С. Технологические аспекты диагностики бездефектной обработки кристаллов.: Горный информ.-аналит. бюллетень 2000, N11. М.: МГГУ, с.201.

93. Тер-Азарьев И.А., Симонян А.В. Особенности разрушения хрупких материалов в зоне контакта. Труды НИИКС, вып. 8. Ереван, 1975.

94. Третьяков И.П., Карпов А.Б. и др. Метод исследования напряженного состояния системы связка зерно - обрабатываемый материал придинамических нагрузках. Научный технический реферативный сборник «Алмазы». - М.: НИИМАШ, 1978, вып.4, с. 19-22.

95. Харькив А.Д., Зинчук Н.Н., Зуев В.М. История алмаза. М.: Недра, 1997 -601с.

96. Ходанов Г.С., Кудрявцева Н.А. Физико-химические процессы полирования стекла. М.: Машиностроение, 1985 - 224 с.

97. Чубуков А.С. Разработка и исследование методов самонастройки режимов обработки на круглошлифовальных станках с оперативной системой ЧПУ на основе микро-ЭВМ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. НПО ЭНИМС, 1979.

98. Штрюбель Г., Циммер З.Х. Минералогический словарь. М. «Недра», 1987-494 с.

99. Щичилин B.JI. и др. Ультразвуковое шлифование абразивно-алмазным инструментом новых конструкционных материалов. JI., 1969, с.4-7.

100. Якобе Г.Ю., Якоб Э., Кохан Д. Оптимизация резания. М.: Машиностроение, 1981 -279 с.

101. Bifano T.G. and Dow Т. A. Real Time Control of Spindle Runout. Optical Engineering, 1985. Vol. 24. No.5.

102. Griffiths D.J. Introduction to electrodynamics, Upper Saddle River, -N.J.: Prentice Hall, 1999. 576p.

103. Schiff L.I. Quantum mechanics. Tokyo: McGraw Hill, 1968. - 521 p.

104. Toh S.B. and McPherson R. Fine Scale Abrasive Wear of Ceramics by a Plastic Cutting Process, Science of Ceramics by a Plastic Cutting Hard Materials, Inst. Phys. Conf. 1986, Serf. No.75. Chap. 9, Adam Hilder. Ltd., Rhodes, pp. 865-871.

105. Yoshida S., Toyooka S. Field theoretical interpretation on dynamics of plastic deformation Portevin - Le Chatelie effect and propagation of shear band. J. Phys. Condens. Matter. - 2001. V. 13.-pp. 6741 -6758.