автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Моделирование процесса и управление параметрами двусторонней обработки высокоточных деталей с плоскими поверхностями

РГб од

] С д;]р 2Т-2

Министерство образования Республики Беларусь " БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ _____АКАДЕМИЯ ____

УДК 981.7.023.72

КУЗНЕЧИК Валерия Ольгердовна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА И УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ДВУСТОРОННЕЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОТОЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ПЛОСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ

05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 2000

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель Научный консультант Официальные оппоненты:

Оппонирующая организация -

доктор технических наук, профессор И.П. Филонов.

доктор технических наук, доцент A.C. Коэерук.

академик HAH Б, доктор технических наук, профессор П.И. Ящерицын; кандидат технических наук, Л.И. Мастюгин.

Научно-производственное государственное предприятие «Оптическое станкостроение и вакуумная техника».

Защита диссертации состоится « 25 » апреля 2000 г. в 14.00 часов на заседании специализированного совета Д.02.05.03 в Белорусской государственной политехнической академии по адресу: '220027, г. Минск, пр. Ф. Скорины, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГПА.

Автореферат разослан « 24 » марта 2000 г.

Ученый секретарь В.И.Клевзович

специализированного совета,

кандидат технических наук, ^—~~~

доцент -—~

© Кузнечик В.О., 2000

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ,

Актуальность темы. По существующем технологии шлифование и полирование исполнительных прецизионных поверхностей плоскопараллельных деталей из металла, стекла, керамики, полупроводниковых и др. материалов проводится несвязанным абразивом в условиях силового замыкания с поочередным закреплением заготовок на приспособление посредством наклеенного вещества. Данный процесс является энергоемким, требует дополнительных затрат на вспомогательные материалы и отрицательно сказывается на качестве деталей вследствие их деформации при блокировке, а также ухудшает экологию соответствующего производства за счет выброса в атмосферу вредных канцерогенных веществ фенольной группы, которые образуются при нагреве наклеенной смолы.

Отмеченных недостатков можно избежать в случае применения метода двусторонней обработки. Поэтому создание новых схем технологического оборудования и разработка математических моделей процесса формообразования на нем, позволяющих выявить взаимосвязь между показателями качества деталей и регулируемыми параметрами станка, являются актуальными задачами. Использование предлагаемых в настоящей работе решений проблемы поверхностной обработки вносит определенный вклад в исследование влияния различных технологических параметров на съем материала с заготовки при получении деталей машин и приборов с плоскими прецизионными поверхностями, способствует уменьшению энергоемкости производства, что в целом приводит к повышению производительности процесса и снижению себестоимости продукции, а также улучшает экологические показатели окружающей среды.

В настоящее время практически отсутствуют приемы управления процессом двустороннего формообразования деталей с плоскими прецизионными поверхностями полноразмерным инструментом в условиях силового замыкания, которые учитывали бы влияние взаимосвязи наладочных параметров станка с технологической наследственностью заготовки, учитывающей характер распределения подлежащего удалению припуска по ее поверхности. Поэтому при решении вопросов, связанных с совершенствованием технологии изготовления деталей с плоскими поверхностями, и в особенности для двустороннего формообразования плоскопараллельных пластин, актуальным является разработка технологического оборудования, позволяющего гибко нзме-

нить характер съема материала по поверхности детали, а также осуществление математического моделирования закономерностей двусторонней обработки и создание на его основе методики выбора с помощью ЭВМ наиболее выгодных значений настроечных параметров станка. При этом потребовалось уточнить такую существенную проблему теории математического моделирования закономерностей процесса формообразования в условиях силового замыкания, как особенности распределения динамической эпюры давления в зоне контакта притирающихся поверхностей инструмента и детали в зависимости от скорости их относительного скольжения. Это позволило повысить степень корреляции теоретических и экспериментальных исследований и, сиедовательно, более точно определить рациональные диапазоны режимов работы станка, способствуя тем самым увеличению производи-^ тельностп обработки и улучшению качества формируемой поверхности.

. Сиял, с крупными научными программами и темами. Актуальность научно-технической проблемы подтверждается также выполнением работы по практической реализации разработанных теоретических основ в рамках государственных научно-технических программ "БелОптика" (задание 04.30) и "Триботехника" (задание 2.15).

Цель и задачн-нсследованпя. Цель - разработка теоретических и прикладных основ двусторонней обработки деталей различной жест. кости с прецизионными плоскопараллельными поверхностями путем установления взаимосвязи показателей качества и интенсивности съема припуска с параметрами процесса.

В соответствии с поставленной целью в работе необходимо было решить следующие задачи.

1, Создать технологическое оборудование для двусторонней обработки в условиях силового замыкания деталей различной жесткости с плоскими прецизионными поверхностями, позволяющее гибко управлять процессом съема материала с заготовки. '/ 2. Осуществить математическое моделирование закономерностей формообразования деталей с плоскими поверхностями на созданном прогрессивном технологическом оборудовании с учетом закономерностей движения звеньев исполнительного механизма в каждом конкретном случае.

3. Выявить количественные связи между параметрами рабочей зоны станка, инструмента и детали, их кинематическими и динамиче-

скими характеристиками и показателями качества обработанных поверхностей.

4. Разработать методику вь|бора рациональных параметров про-* цесса двусторонней обработки в условиях силового замыкашй деталей с прецизионными плоскими поверхностями с учетом характера распределения подлежащего удалению материала.

Объект и предмет исследовании. Объектом исследования являются закономерности двустороннего формообразования деталей различной жесткости с плоскими прецизионными поверхностями в условиях силового замыкания, позволяющие установить взаимосвязь между параметрами процесса обработки и показателями качества изделия.

Методология и методы проведенного исследовании. Теоретическая часть работы выполнена с использованием основных положений теоретической механики, теории механизмов и машин, оптики, технологии машино- и приборостроения. Численные исследования проводились на ЭВМ. Для экспериментальных исследовании приме- '' нялись опытные образцы созданного технологического оборудования. Измерения параметров обработанных деталей выполнялись интерференционным методом и с помощью стандартных измерительных устройств и приборов.

Научная новизна и значимость полученных результатов состоит в том, что

- разработана математическая модель, позволяющая определить величину съема материала при обработке в условиях силового замыка- / пня плоских прецизионных поверхностей в зависимости от значения регулируемых параметров технологического оборудования в каждом конкретном случае;

- выявлена зависимость характера распределения износа по обрабатываемой плоской поверхности, определяющего ее макропогрешность, от вида и величины н<хпадочных параметров процесса и особенностей их реализации на предложенном технологическом оборудовании;

- создана методика выбора наиболее выгодных режимов процесса ч'" двусторонней обработки деталей с плоскими прецизионными поверхностями в условиях силового замыкания с учетом характера распределения подлежащего удалению материала.

Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов заключается:

- в созданных устройствах п станках для двусторонней обработки в условиях силового замыкания деталей разной жесткости с плоскими прецизионными поверхностями;

- в прогрессивной методике изготовления деталей с плоскими прецизионными поверхностями в автоматическом режиме;

- в использовании результатов работы в учебном процессе при подготовке студентов специальности "Оптические приборы и системы", -----

В качестве коммерческого продукта могут использоваться следующие результаты работы:

- созданные устройства для плавного изменения в автоматическом режиме точки приложения и величины рабочего усилия, которые предназначены для обработки плоских прецизионных поверхностей

-^деталей из металла, стекла, керамики, полупроводниковых и других материалов в условиях силового замыкания и могут быть смонтированы на серийно выпускаемых в Республике Беларусь станках с рычажным исполнительным механизмом;

-разработанный и изготовленный станок для двустороннего шли- V фования, полирования н доводки по методу силового замыкания плоскопараллельных прецизионных деталей различной жесткости, изготовленных из металла, стекла, керамики, полупроводниковых и др. материалов";

- программы для расчета наиболее выгодных значений наладочных параметров процесса двустороннего шлифования и полирования пластин из различных материалов на созданном перспективном технологическом оборудовании.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту. Автор защищает разработку теоретических и прикладных основ процесса двустороннего шлифования и полирования деталей с плоскими прецизионными поверхностями в условиях силового замыкания, включающую:

- математическую модель, а также алгоритмы и программы численных исследований, позволяющие выявить наилучшее сочетание геометрических, кинематических и динамических параметров разработанного технологического оборудования, что способствует повышению производительности процесса и качества обработки;

- теоретико-экспериментальные исследования процесса съема , припуска с обрабатываемых поверхностей;

- методику выбора наиболее выгодных режимов формообразова-'-' ния деталей с учетом характера распределения подлежащего удалению материала с заготовки;

- новые технические решения, обеспечивающие более высокое качество обработанных плоских поверхностей, снижающие энергоёмкость и повышающие производительность процесса и улучшающие экологические показатели на соответствующих предприятиях.

Личный вклад соискателя заключается в разработке, изготовлении и апробации технических решений для шлифования и полирования по методу силового замыкания деталей различной жесткости с плоскими прецизионными поверхностями, а также в создании математической модели с алгоритмами для численных исследований законо мерностей съема материала и методики выбора наиболее выгодных наладочных параметров технологического оборудования.

Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты работы были доложены на 46...52 НТК Белорусской государственной политехнической академии (1993-1998), на международ-ных^аучно-технических конференциях «Совершенствование процессов финишной: обработки в машино- и приборостроении, экология и4 защйта'окружающей среды» (Минск, 1995), «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века» (Севастополь, 1999), «Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий» (Волгоград, 1999). •

Опубликоппнность результатов. По теме опубликовано 4 статьи в международной печати, 4 тезиса докладов на конференциях, 2 авторских свидетельства СССР на изобретение и 1 патент Российской Федерации.

Структура н объем диссертации. Диссертация содержит введение, общую характеристику работы, пять глав, заключение, список использованной литературы и приложения. Включает 166 страниц текста, 44 иллюстрации, библиографию из 132 наименований и приложение на четырех страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖА1IIIВ РАБОТЫ

В первой главе на основе анализа литературных источников установлено, что среди технических решений по обработке деталей с плоскими поверхностями наибольшее внимание уделяется регулированию геометрических и кинематических параметров процесса формообразования. Имеются также работы, посвященные изучению влияния рабо-

чего усилия на закономерности съема припуска в условиях силового замыкания. Причем основной акцент в данном вопросе делается на непрерывное изменение площади контакта соприкасающихся поверхностей инструмента и детали. Что же касается зависимости динамической эпюры давления от скорости скольжения, то здесь только получена взаимосвязь в общем виде. Аналитическое решение этой задачи в пригодном для практического использования виде нам неизвестно. Поэтому имеющиеся математические модели не находят широкого применения на практике из-за невысокой степени адекватности результатов численных и экспериментальных исследований.

Нами не выявлено также наличие высокопроизводительного технологического оборудования, пригодного для двустороннего формообразования плоскопараллельпых деталей с прецизионными поверхностями в условиях силового замыкания, являющегося, как известно, одним из наиболее распространенных методов, обеспечивающих высококачественную обработку на сравнительно простых станках. Характерным конструктивным недостатком существующих схем устройств является то, что в их исполнительных механизмах отсутствуют узлы для гибкого изменения регулируемых параметров процесса формообразования, особенно в случае изготовления маложестких деталей.

В связи с изложенным возникает необходимость в дальнейшем совершенствовании процесса формообразования деталей машин и приборов с плоскопараллельными прецизионными поверхностями, в частности получения математических моделей, пригодных для использования при разработке методов управления закономерностями изнашивания заготовок и инструмента, а также в создании технологического оборудования для двусторонней обработки плоскопараллельных деталей разной жесткости.

При создании математической модели в настоящей работе за основу взята модель, изложенная в работах И.П. Филонова, Ф.Ф. Климовича и A.C. Козерука. Для повышения степени корреляции результатов теоретических и экспериментальных исследований проведено уточнение "динамической" части данной модели.

Отличительной особенностью принятого нами подхода при численных исследованиях интенсивности съема материала с притирающихся поверхностей инструмента и заготовки является то, что данное изнашивание определяется не за один двойной ход последней, как это принято по существующей методике, а за несколько, что существенно повышает степень адекватности численных и экспериментальных не-

следований и способствует более точному назначению регулируемых параметров станка, увеличивая тем самым производительность процесса и качество формообразования.

По второй главе описаны методы интенсификации процесса обработки плоских деталей с относительной толщиной от 0,2 до 0,003 и приведены технические решения, реализующие эти методы.

Для повышения качества и производительности формообразования изделий с плоскими поверхностями на станках с рычажным исполнительным механизмом предложены технические решения для изменений точки приложения рабочего усилия и его величины.

При двусторонней обработке плоскопараллельных деталей в настоящее время используют , в основном, станки мод. СДШ и СДП. Они содержат два кольцеобразных инструмента, между которыми располагают заготовки. В процессе обработки последние совершают планетарное перемещение, п результате чего происходит более интенсивный съем припуска в их краевой зоне и образование изделий с двояковыпуклыми поверхностями.

Отмеченный недостаток отсутствует в разработанном нами технологическом оборудовании с планетарным перемещением заготовки при её постоянном и переменном смещениях. Наличие регулируемых относительного и переносного вращений детали позволяет гибко управлять закономерностями съёма материала. Отличительной особенностью данного устройства является отсутствие приводов переносного и относительного движений заготовки в рабочей зоне. Первое из них обеспечивается силами трения между поверхностями- изделия и попутно вращающимися соосно установленными инструментами, а второе • благодаря наличию специального узла, преобразующего движение корпуса устройства во вращение детали вокруг своей оси, т.е. переносное и относительное движение заготовки взаимосвязаны, причем первое из них вызывает второе. Такая обработка позволяет получать высокоточные по плоскостности детали, однако при условии их достаточной жесткости. В противном случае заготовки разрушаются.

Для изготовления пластин малой жесткости с отклонением от плоскостности 0,3 мкм на диаметре 180 мм можно рекомендовать созданное нами устройство с постоянным возвратно-поступательным и планетарным движениями верхнего звена. По сравнению с предыдущим данное технологическое оборудование снабжено дополнительным узлом для сообщения принудительного переносного движения заготовкам и в нем предусмотрено встречное вращение инструментов.

Последнее обстоятельство способствует выравниванию сил трения на обеих обрабатываемых поверхностях пластины, поэтому для ее перемещения между инструментами требуется-незначительное усилие, не приводящее к разрушению маложестких заготовок.

Дальнейшее повышение точности обработки может быть достигнуто на созданном нами станке с относительным и переносным возвратно-вращательным движениями заготовки. Характерной особенностью данного технического решения является то, что в нем в качестве исполнительного использован кривошипно-рычажный механизм, который обеспечивает одинаковую величину снимаемого материала во всех точках заготовки в ее переносном возвратно-вращательном движении.

В третьей главе приведены математические модели процесса двустороннего формообразования плоскопараллельных деталей в условиях силового замыкания на созданном технологическом оборудовании.

, В существующей математической модели инструмент и деталь разбивают на концентрические окружности и предполагают, что контактное взаимодействие притирающихся поверхностей происходит только в точках касания ил» пересечения окружностей. В результате элементарные участки детали находятся в неодинаковых условиях с точки зрения их износа. Данное обстоятельство вызвано тем, что при упомянутом допущении количество касаний и пересечений окружностей разбиения в единицу времени в центральной и краевой зонах на соприкасающихся поверхностях инструмента и заготовки совершенно различно. Причем это различие обусловлено именно принятым разбиением, а не особенностями относительного перемещения звеньев, как это имеет место на практике.

Отличительной особенностью разработанной нами математической модели поверхностной обработки в условиях силового замыкания является возможность определения величины съема материала с обрабатываемой заготовки в любой произвольно выбранной точке, которую принято называть опорной. Для этого рассматриваемую поверхность разбивают на заданное количество кольцевых зон и секторов определенного размера. В результате образуются элементарные площадки, в центре которых выбирают опорную точку. Её положение определяется двумя координатами - полярными радиусом и углом.

Кроме отмеченного, с целью повышения степени адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполнено уточнение "динамической" части существующей математнче-

скои модели. В общем случае динамическую эпюру давления определяет совокупное влияние по меньшей мере двух факторов: неравномерность распределения относительных скоростей скольжения и выход верхнего звена за край нижнего. В связи с этим функцию давления можно представить в виде суммы двух составляющих

где Ру учитывает первый из названных факторов, аРд—второй.

В соотношении (1) я, и — коэффициенты, а зависимости для определения Ру и Рр имеют вид

Для определения коэффициента кр использовано условие равновесия верхнего звена для моментов сил. В результате такого подхода получено выражение, устанавливающее связь коэффициента кд с параметрами процесса обработки в каждом конкретном случае. Это позволило выявить особенности распределения давления в зоне контакта притирающихся поверхностей инструмента и детали в зависимости от скорости их скольжения, что не представляется возможным по существующей математической модели.

Входящие в равенство (1) коэффициенты Ц) и получены из условий равновесия верхнего звена относительно осей Ох и Оу системы координат ОХУ, ось ОХ которой проходит через центр тяжести зоны контакта и точку приложения усилия" прижима, а начало О расположено на пересечении этой оси с краем верхнего звена.

Р = Ч1Рд+Ч2Ру,

(1)

(3)

42 ^

QRuiy Q

(5)

В равенствах (1) - (5) приняты следующие обозначения: Q -усилие прижима, приложенное к верхнему звену; S - поверхность контакта; V - скорость относительного скольжения; 8ср - средняя деформация обрабатываемой заготовки; х, хт - абсциссы произвольной точки и центра тяжести зоны контакта соответственно; X и ш -постоянные, характеризующие материалы соответственно верхнего и нижнего сопряженных звеньев; R„ - радиус верхнего звена;

tfxPQdS; L-= iK^S; IyQ:= J/ypQdS; у.= JJypvdS -

поверхностные интегралы.

. В результате выполненного математического моделирования получены аналитические выражения, устанавливающие функциональную связь скоростей скольжения и давления в произвольно выбранной точке на обрабатываемой поверхности с регулируемыми параметрами процесса обработки, что положено в основу созданной методики управления характером съема материала на разработанном технологическом оборудовании при обработке прецизионных плоскопараллельных пластин разной жесткости из металла, стекла, керамики, полупроводниковых и других материалов.

В четвертой главе представлены результаты теоретических исследований эффективности процесса формообразования плоских поверхностей.

Используя полученные в главе 3 выражения, выполнен расчет величины J съема материала при обработке деталей с плоскими поверхностями. При этом выявлена связь качества обработки и производительности процесса с особенностями относительного движения инструмента н заготовки, а также установлены конкретные геометрические, кинематические и динамические параметры разработанного технологического оборудования и определены их значения, обеспечивающие больший съем припуска по периферии заготовки, в ее центральной зоне, и равномерную обработку всей поверхности.

В частности, на рис.1 и 2 приведены результаты численных исследований закономерностей распределения износа материала в диаметральном сечении детали диаметром 180 мм при использовании

¡si

[Si-

¡Si

¡S]

станка с относительным и переносным возвратно-вращательным движениями выходного звена исполнительного механизма.

Из рис. 1 видно, что если угловые скорости сои и сол вращения заготовки и инструментов установить равными 2,6 с'1, а кривошипа сог ~ =0,21 с'1, то при длиие штриха Ь = 40 мм возвратно-вращательного перемещения изделия припуск на поверхности последнего будет преимущественно удаляться с краевой зоны (кривая 1). Однако если Ь увеличить до 75 мм, то характер распределения износа меняется на противоположный (кривая 2), а в случае Ь = 110 мм 1 принимает практически одинаковые значения во всех точках обрабатываемой поверхности (кривая 3). Следовательно, посредством изменения длины штриха при прочих равных условиях можно гибко управлять характером съема припуска в зависимости от заданной точности детали и технологической наследственности заготовки с точки зрения погрешности ее формы.

!, ото. ед. 1.0

0,5-

20 40 60 80 г«. ь™

Рис. 1. Распределение износа 1 о точках диаметрального сечения плоскопараллельной пластины, находящихся на различных расстояниях гл от ее центра, в случае Ь = 40(1), 110(3,4, 5), 120(2) мм; ш2 = 0,21 (1.2, 3), 0,5 (4), 2,0 (5) с"1; соа = 2,6 (1-5) с'1; ш„ = 2,6 (1-5) с-1

20

40

60

80

г,, од

Рис. 2. Распределение износа ] п точках диаметрального сечения плосконарал-

лсльноП пластины, находящихся на различных расстояниях гд от се центра, в случае Ь = 60 (4-6), 80 (1-3), 120 (7,3) мм; ш2 = 1,5 (1-8) с"';юи = 4,0 (1, 5, 8), 5,0 (2, 4, 7), 6,0 (6) 7,0 (3) с1; юд = 2,0 (4, 5, 7), 2.5(6, 8), 4,0 (1-3) с"';

Численные исследования влияния величины скорости вращения кривошипа на закономерности съема припуска показали, что при

со2 = 0,5 с"1 происходит усиленное срабатывание центральной зоны детали (кривая 4), которое несколько уменьшается при увеличении ©2 до 2 с'1 (кривая 5) при прежних значениях ши и сод.

Из анализа рис.2 видно, что когда необходимо обеспечить больший съем припуска в центральной зоне заготовки, при ее угловой скорости 4 с*1 скорость инструментов можно рекомендовать 4, 5 и 7 с'1 соответственно для мелкого, среднего и грубого шлифования при длине штриха Ь = 80 мм (кривые 1...3). Скорость вращения кривошипа при этом необходимо установить - 1,5 с"1.

При обработке, требующей преимущественного удаления припуска с краевой зоны заготовки, длину штриха следует назначить 60 мм, скорость вращения кривошипа - 1,5 с"', скорость заготовки - 2 с*1, инструмента - 5 и 4 с"1 на стадиях среднего и тонкого шлифования (кривые 4, 5), а на операции предварительной обработки скорость заготовки 2,5 с'1, инструмента 6 с'1 (кривая 6).

Равномерный съем припуска имеет место, как видно из рис.2, при скорости вращения инструментов 5 и 4 с'1, длине штриха 120 мм, скорости вращения кривошипа 1,5 с"1, заготовки 2 и 2,5 с"1 на этапах предварительной, основной и окончательной обработки (кривые 7, 8 на рис.2 и 3 на рис.1).

Рассмотренные результаты получены для величины рабочего усилия 60 Н. Проведены также исследования для рабочих усилий 80 и 100 Н. В итоге установлено, что увеличение усилия прижима на станке предлагаемой конструкции не влияет на закономерность формообразования, а только увеличивает интенсивность процесса.

Результаты численных исследований получены для случая однонаправленного вращения инструмента и детали. При разнонаправленном их движении характер изменения износа на противоположной стороне заготовки остается прежним, возрастают только его абсолютные значения. Поэтому заготовки в сепараторе следует ориентировать относительно инструмента таким образом, чтобы та их сторона, с которой по тем или иным причинам необходимо, снять больший слой припуска, находилась в контакте с инструментом, вращающимся в противоположную относительно детали сторону.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса обработки плоскопараллельных деталей на технологическом оборудовании, рассмотренном в главе 2,

В частности, для апробации устройств позволяющих регулировать величину V« точку приложения рабочего усилия, проводилась обработка на серийном станке с рычажным исполнительным механизмом по традиционной технологии и на атом же с ганке, снабженном разработанными устройствами. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод о том, что реализация предлагаемых технических решений существенно повышает качество формообразования деталей с прецизионными плоскими поверхностями за счет управления точкой приложения рабочего усилия и его величиной, из которых второй прием является более эффективным.

Проверка адекватности разработанных математических моделей реальным условиям обработки сводилась к тонкому шлифованию суспензией микропорошка МЮ деталей из оптического стекла К8 и полированию. При этом контролировалась макрогеометрия обработанной поверхности по количеству N интерференционных колец и величине локальной погрешности Д1М, которая во всех случаях не превышала 0,2.

В результате исследования процесса двустороннего формообразования плоских поверхностей на устройстве с планетарным перемещением заготовки выявлены зависимости точности детали от величины рабочей нагрузки Г' и точки ее приложения. Определено, что изменение величины И существенно влияет на общую погрешность, причем по-разному для верхней и нижней поверхностей Так, в первом случае профиль детали чувствителен к Г во всем диапазоне его изменения. Причем в случае Я< 4011 происходит уменьшение "ямы" с последующим переходом ее на "бугор", в то время как при увеличении Г до 60 Н "цвет" становится более мелким, а при Р = 40 Н N - 4, т.е. форма изделия не меняется. Поэтому рабочую нагружу 40 11 можно принять 1а наиболее выгодную для формообразования первой стороны заготовки в данных условиях.

По-иному происходит изменение формы нижней поверхности детали: если для Р < 40Н /V уменьшается, как и и первом случае, то увеличение рассматриваемого параметра от 40 до 60 И не олняет на общую погрешность формы. Следовательно, значение рабочей нагрузки Р = 40 II можно считать оптимальным при двусторонней обработке пластин на рассматриваемом устройстве. Преимущественный тпос па периферии заготовки происходит при Р< 40 Н, а усиленный съем при^ пуска н се центральной зоне - при Р> 40 Н, причем последний пара-

метр влияет только на форму верхней поверхности детали, поэтому в процессе обработки пластины необходимо периодически переворачивать.

Анализ экспериментальных исследований процесса формообразования плоских поверхностей на станке, обеспечивающем возвратно-поступательное перемещение верхнего звена, показал, что при скорости заготовки и кривошипа исполнительного механизма станка соответственно 2,6 и 2,8 с"1 и длине штриха 185 мм за 28 мин обработки исходная интерференционная картина увеличивается с семи до десяти колец. Если скорость кривошипа принять 5,6 с"1, то при прочих равных условиях исходный «цвет» достигает аналогичного значения только за 37 мин. Эти экспериментальные закономерности соответствует характеру изменения расчетных значений износа.

Усиление съема припуска с поверхности детали происходит в случае повышения скорости вращения заготовки от 4,6 до 8,6 с'1 и при длине штриха 56 мм, причем его интенсивность также зависит от скорости вращения кривошипа. Так, например, при скорости изделия и кривошипа соответственно 8,6 и 8,1 с"1 величина воздушного промежутка уменьшается до 0,5 мкм за 33 мин, а в случае вращения кривошипа со скоростью 1,6 с"1 аналогичное изменение воздушного зазора происходит за 36 мин. И наоборот, замедление съема припуска наблюдается при минимальной длине штриха и скорости вращения кривошипа, а детали - со скоростью 4,6 с'1.

Исходный профиль поверхности заготовки практически не меняется, если ее обработку, проводить при длине штриха 185 мм, сод=2,6 с"1, а к>2=7,8 с'1.

Нами также проведены экспериментальные исследования процесса формообразования плоских поверхностей на устройстве, обеспечивающим относительное и переносное возвратно-вращательное движения заготовки. Результаты этих исследований приведены на рис.3. Из анализа зависимостей видно, что закономерности изменения N хорошо коррелируют с результатами численных исследований. Так, например, при относительной скорости изделия 2,5 с"1, кривошипа - 0,5 с"1, инструмента - 5,0 с"1 и длине штриха 120 мм "цвет" с исходных 8 интерференционных колец общей "ямы" уменьшился до 2 (кривая 1), т.е. происходит усиленный съем припуска по периферии детали. Аналогичная закономерность наблюдается при ы2 = 1,5 с'1, со„ = 4,0 с'1, L = 60 мм и тех же значениях Юг, однако время обработки увеличивается с 22 до

28 мин (кривая 2). Такой характер изменения "цвета" согласуется с результатами расчета, показанными на рис.! и 2 в виде кривых 4 и 5 соответственно.

Если при таких же значениях кинематических наладочных параметров увеличить длину штриха до 140 мм, то обработка в течение 15 мин приводит к увеличению "ямы" с исходных 8 до 10 колец (крноая 3), что указывает на усиленный съем припуска в центре заготовки. Такого же результата можно добиться при обработке в течение 10 мин на следующих режимах: (п., =5,0 с'1, о > = 1,5 с'1, Юд= 4,0 с"1, 1.= 60 мм (кривая 4). Эти данные соответствуют закономерностям изменения кривых 2 на рис.1 и 2. При обработке со скоростью детали 2,6 с'1, инструмента 5,0 с'1, кривошипа 0,5 с"1 и длине штриха 120 мм "цве^' практически не меняется, что также коррелирует с расчетными данными (кривая 3 на рис. 1).

основный ВЫВОДЫ

Полученные научные и практические результаты позволяют отметить следующие положения.

1. Осуществлено математическое моделирование процесса формообразования плоскопараллельных деталей на созданном прогрессивном технологическом оборудовании с учетом конструктивных особенностей его исполнительных механизмов. Полученная при зтом математическая модель устанавливает количественной ашь между параметрами рабочей зоны станка, инструментом и деталью, их кинематическими и динамическими характеристиками и показак-лямн качества обработанных поверхностей, что нашло применение в производстве оптических деталей с плоскопараллельными поверхностями при выборе рациональных режимов обработки на конкрешом технологическом оборудовании.

N. шггерф. колец

0 3 10 15 20 25 Рис,3.Закономерности изменения макропогрешности N от времени обработки I плоскопараллелышЯ детали при длине

штриха 120 (1), 60 (2,4), 140 (3) мм, скорости кривошипа 0.5 (1), 1,5 (2-4) с"1 заготовки 2,6 (1-3), 4,0 (4) с'1 и инструмента 5,0 (1,4), 4,0 (2,3) с'1

2. Проведено уточнение «динамической» части математической модели. В частности, для выявления особенностей процесса обработки в условиях силовою замыкания инструмента и заготовки и непрерывно изменяющейся площади их сопряжения записано условие равновесия верхнего звена для моментов сил. позволившее определить закономерности распределения давления в зоне контакта притирающихся поверхностей в зависимости от скорости их скольжения, что повышает степень адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследовании на 8... 12%.

3. Предложен метод, разработаны и апробированы устройства, позволяющие регулировать точку приложения и величину рабочего усилия при использовании серийных станков с рычажным исполнительным механизмом. Экспериментально подтверждена эффективность применения разработанных устройств для повышения качества обработки плоских поверхностей. В частности, в первом случае точность формообразования улучшилась на 6%, а во втором на 10% по сравнению с обработкой на станке без упомянутых устройств.

4. Разработано и экспериментально апробировано технологическое оборудование для двусторонней обработки плоскопараллельных прецизионных деталей с относительной толщиной от 0,2 до 0,003. На основе численных исследований выявлены рациональные наладочные геометрические и кинематические параметры входных звеньев исполнительных механизмов предложенных технических решений, что повышает производительность процесса и качество формируемой поверхности в среднем на 15...20 %. Показано, что созданные устройства могут быть смонтированы на серийно выпускаемых в Республике Беларусь станках с рычажным исполнительным механизмом.

5. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что применение в технологическом оборудовании для обработки деталей с плоскопараллельными поверхностями в условиях силового замыкания кривошипно-рычажного механизма в качестве исполнительного позволяет повысить точностные характеристики изделий в среднем на 18 % за счет выравнивания путей трения, обусловленных переносным возвратно-вращательным движением заготовок.

6. В результате проведения теоретических исследований выявлены количественные связи производительности процесса и показателей качества обработанных поверхностей с особенностями относительного движения инструмента и заготовки, их динамическими и кинематическими характеристиками. Установлено, что на стадии окончательной

обработки для достижения равномерного съема материала по всей поверхности необходимо назначать максимально допустимую амплитуду возвратно-вращательного перемещения верхнего звена технологического оборудования, при этом частота вращения входного звена его исполнительного механизма должна быть порядка 1,6 с'1.

7. На основе экспериментальных исследований выявлена адекватность закономерностей съема материма с характером распределения износа по обрабатываемой поверхности, полученного на этапе численных исследований, что свидетельствует о соответствии с точностью 80...85% разработанных математических моделей реальным процессам, имеющим место при двусторонней обработке пластин на созданном технологическом оборудовании.

8. Разработана, апробирована и внедрена в производство методика выбора рациональных режимов обработки деталей с плоскими прецизионными поверхностями с учетом характера распределения под лежащего удалению материала, что позволяет формализовать действия опытного оператора и снизить себестоимость дегалей на 20...25%. Написаны алгоритмы и программы численных исследований с помощью ЭВМ.

Основные положении диссертации опубликованы н следующих

работах:

1. Филонов И.Г1.,Козерук A.C., Лишшскля Т.Н., Кутнечик И.О. и др. К вопросу о доводке наклеенных планшайб Ч Электронная промышленность,-1 092 - Кч 3. - С 47 - 48.

2. А с.1763151 СССР, МКИ4 В 24 В 13 00. Станок для шлифования и полирования плоских оптических деталей / А С. Козсрук, И.П. Филонов, В.О. Кузнечик (СССР). - М- 478783-08; Заявлено 01.02.90; Опубл. 23.09.92, Вюл. № 35. - 5 с.

3. A.c. 1763156 СССР, МКИ5 В 24 В 37/04. Уароиаяо для двусторонней обработки плоских деталей / A.C. Кшерук, H.H. Филонов, В.О. Кузнечик (СССР). - № 4796393-03, Заявлено 26.02 00; Опубл. 23.09.92, Бюл. № 35. - 4 с.

4. Пат. 2028914 RU, МКИ5 В24В 37/04. Устройство для двусторонней обработки плоских деталей / И.П.Филонов , A.C. Козерук, В.О. Кузнечик (РЬ> -№ 5034402-08; 'Заявлено 04.1 L9I; Опубл. 20.02.95, 1)1ол. № 5. - 4 с

5. Кшсрук A.C., Филонов И.П., Климович Ф.Ф., Губаревич В.Ю., Кузнечик В.О. Двусторонняя обработка плоскопараллельных оптических деталей // Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в БГПА: Тез. докл. Между», науч.-lex», конф. В 8 ч. -- Ми., 1995. - 4.4. -С.12-13.

(> Fiionov I.P., Kozeruk A.S., Kuznechik V.O. Regularities of the formation of plan-parallel items during two-sided processing of their surfaces // J. Opt. Technot. - 1995. - Vol. 62, №12. - P. 888 - 890.

7. Филонов 11.11., Губаревич В.Ю., Козерук A.C., Кузнечик В.О. Управление износом рабочей поверхности инструмента // Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф.-Мн., 1995.-С. 148.

8. Козерук A.C., Филонов И. 11, Климович Ф.Ф., Кузнечик В.О. Улучшение качества плоскопараллельных поверхностей при шлифовке и полировке пластин // Электронная промышленность,-1995,- № 2. - С. 56 - 58.

9. Козерук A.C., Филонов И.П., Кузнечик В.О. Управление формообразованием плоских поверхностей при двусторонней обработке // Оптический журнал. - 1997,- № 9. - С. 66 - 67.

10. Кузнечик В.О., Козерук A.C., Филонов И.П., Губаревич В.Ю. Совершенствование процесса получения высокоточных плоских поверхностей на основе математического моделирования // Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий: Тез. докл. Междунар. на-уч.-техн. конф. - Волгоград, 1999.-С. 15.

11. Кузнечик В.О., Козерук A.C., Филонов И.Г1., Губаревич В.Ю. Прогрессивная технология формообразования прецизионных плоских поверхностей // Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века: Тез. докл.: Сборник трудов VI международной науч.-техн. конф. Т. 2. - Донецк, 1999.- С. 76-78.

Данная работа посвящается Губаревичу Виктору Юрьевичу,

уделившему значительную часть своей жизни исследованиям в области процессов финишной обработки деталей с прецизионными

плоскими поверхностями, ^

/7

19

РЭЗЮМЕ

Кузнечык Валерыя Альгердауна

«Мадэляванне i Kipaeamie параметрам! прапэсу двухбаковай anpauojtei высокадакладных дэталя^/ з iijiockímí паверхням1

Ключавыя словы: плоскапаралелышя ирэцьпШныя nauepxni, иа-гэматычнае мадэляванне, працэс формаутварэння, Ылапое замыкание, здыманне прыпуску, наладачныя параметры, дакладнасць nripauoJ'Ki.

Здзейснена магэматычнае мадэляванне пращсу форма^гварэния пиоскапаралельных дэталя^ на сгвораным тэхналапчным абсталяваиш з улжам канструкты^ных асабл1аасцяу яго выканаучых механпмау. Лтрымана матэматычпая мадэль, якая ^стана^пвае колькасную сувязь памЬк параметрам! рабочай зоны станка, ¡нструмеитам ¡ дэталлю, íx к1нематычным1 ¡ дынам1чным1 харакгарыстыкам1 i паказчыкам1 nkucuí апрацаваных паверхня^. Пры гэтым вызначаны каэфншент, sk¡ харах-тарызуе асаблшаап пры сшвым замыканш ¡ бесперапынным tmüiicihh плошчы спалучэння двух цела$>, загпсана умона pa^iianari всрхняга звяна для момантар сшы, што дашолиы ньпначыиь эаканамернг.сш размеркавання 1пску р зоне кантак1у прыцфальных шшерхняу шструмента ¡ дэтал1 залежнасш ад хуткасц! ix слпгання.

Прапанаваны мегад ¡ распрацаваны прылады, шш дазпллямць р> гуляпаць пункт прыкладання ¡ вел1чышо рабочага намаганн* пры ви-карыстанш серыйных станкоу з рычажным выканаучым меьлшзмлм.

Распраплвала i экспериментальна анрлбанана гкпала! ¡чнае абспш-ванне для двухбаковай аирадоум плоскапаралельних пржынйних Д7гл.ы^ таушчынёй ад 0,5 да 60 мм ¡ дыяметрач ад 5 да 300 мм. На падсгаае л|'кавых даследавлнняу выяулены найболын выгадиыя нлладачныя парамефы ира~ панаваната гэхналапчнага абсталявання, lirio павышае прадукиыйиасць нра-цху i якасць фармаванай iiauepxni J сярэджм на ! 5-20%.

Тэарэгычна вьпначана i экспериментальна папверджана, ijjto прымяненне у станках крыиашыпна-рычажнши меланпму J акасц! su-кана^чага дазваляе панысщь дакладпасныя характарысгыю вырпбпу у сярэдшм на 15%.

Распрацавана ¡ экспериментальна дпрабавапа меюдыка выбару рацыянальных рэжыма^ апраиоук! дэталяу з iijiockímí паиерхням! 1 улшам характеру матэрыялу, што п.тдлягае пыдалешпо. i (¿писаны алга-рьимы i праграмм л1каиых даследапання^ з дапамогай "ШМ.

РЕЗЮМЕ Кузнечик Валерия Ольгердовна

«Моделирование и управление параметрами процесса двусторонней

обработки высокоточных деталей с плоскими поверхностями»

Ключевые слова: плоскопараллельные прецизионные поверхности, математическое моделирование, процесс формообразования, силовое замыкание, съем припуска, наладочные параметры, точность обработки.

Осуществлено математическое моделирование процесса формообразования шюскопараллельных деталей на созданном технологическом оборудовании с учетом конструктивных особенностей его исполнительных механизмов. Получена математическая модель, устанавливающая количественную связь между параметрами рабочей зоны станка, инструментом и деталью, их кинематическими и динамическими характеристиками и показателями качества обработанных поверхностей. При этом определен коэффициент, характеризующий особенности процесса обработки при силовом замыкании и непрерывно изменяющейся площади сопряжения двух тел, записано условие равновесия верхнего звена для моментов сил, что позволило определить закономерности распределения давления в зоне контакта притирающихся поверхностей инструмента и детали в зависимости от скорости их скольжения.

Предложен метод и разработаны устройства, позволяющие регулировать точку приложения и величину рабочего усилия при использовании серийных станков с рычажным исполнительным механизмом.

Разработано и экспериментально апробировано технологическое оборудование для двусторонней обработки плоскопараллельных прецизионных деталей толщиной от 0,5 до 60 мм и диаметром от 5 до 300 мм. На основе численных исследований выявлены наиболее выгодные наладочные параметры предложенного технологического оборудования, что повышает производительность процесса и качество формируемой поверхности в среднем на 15...20 %.

Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что применение в станках кривошипно-рычажного механизма в качестве исполнительного позволяет повысить точностные характеристики изделий в среднем на 15 %.

Разработана, апробирована и внедрена в производство методика выбора рациональных режимов обработки деталей с плоскими прецизионными поверхностями с учетом характера распределения подлежащего удалению материала. Написаны алгоритмы и программы численных исследований с помощью ЭВМ.

SUMMARY

Kuznechik Valeria Olgerdovna

«Parameter Simulation and Parameter Control of Two-Sided Machining of High Precision Parts with Plane Surfaces»

Key words: plane-parallel precision surfaces, mathematical simulation, process of forming, free lapping, removal of the allowance, setting parameters, machining accuracy.

Mathematical simulation of the process, of forming plane-parallel workpieces by using the developed technological equipment taking into consideration structural features of its action mechanism has been carried out. A mathematical model has been developed which sets a quantitative dependence between the parameters of a machine tool working zone, a tool and a workpiece, their kinematic and dynamic characteristics and the quality of tiie surfaces machined. The coefficient specifying the characteristics of the machining process under free lapping and continuously changing contact area of two bodies has been determined; the condition of tool balance for moments of forces has been stated, which made if possible to determine the regularity of pressure distribution in ¡he contact area of lapping surfaces of a tool and a workpiece depending on their sliding velocity.

The method has been proposed and the devices have been developed which make it possible to control the point of application and the value of a working force when using production-type machine tools with a lever-type acting meclianism.

The technological equipment for two-sided machining of plane-parallel precision parts 0.5...60 mm thick and 5...300 mm in diameter has been developed and experimentally tested. Numerous numerical investigations have shown up the most effective setting parameters of the technological equipment proposed, which increases the productivity of the process and the quality of the surface being formed by 15...20% on average.

It has been stated theoretically and proven experimentally that using crank and lever mechanism as an acting one allows to increase a form accuracy of workpieces by an average of 15%.

The technique of choosing rational conditions to machine workpieces with plane precision surfaces considering the pattern of distribution of the material to be removed has been developed, tested and brought in. Algorithms and programs of numerical investigations have been developed and written by using a computer.