автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Управление формообразованием прецизионных поверхностей деталей машин и приборов на основе математического моделирования

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

УДК 681.7.023.72

КОЗЕРУК Альбин Степанович

УПРАВЛЕНИЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕМ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.03.01 - Процессы механической и

физико-технической обработки, стайки и инструмент 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Минск 1997

Работа выполнена в белорусской государственной политехнической акадеши.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор И. П. Филонов.

Официальные опоненты: - академик HAH Беларуси,

доктор технических наук, профессор П. И. Яцерищш;

- член - корреспондент АТН Украины, доктор технических наук В.В.Рогов;

- доктор технических наук, профессор В. И. Ходырев.

Ощюнируиаая организация - научно-производственное

государственное предприятие "Оптическое станкостроение и вакуумная техника".

Защита состоится '"fA " Октября 1997 Г. в iA.OO часов на заседании специализированного совета Jt.02-05.0i в Белорусской государственно^ политехнической акадеши по адресу: 220027, Г.Цинск, пр. *. Скорины, 63.

С диссертацией цохно ознакомиться в ¿ийлиотеке БГПА.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь- . специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

(с) Козерук А. С. , 1997

В. И. Клевзович

общая ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тэмы. В настоящее время при обработке преципион-ных поверхностей в условиях свободной притирки методы управления закономерностями съема припуска разработаны. только для доводки (устранения локальных погрешностей) крупногабаритных деталей малоразмерным инструментом на стадии окончательного полирования. При операции шлифования и на начальном этапе полирования изделий данного класса, а также во всех остальных случаях использования •"классического" способа формообразования применяется полноразмерный сплошной инструмент. При этом выбор тех или иных значений наладочных параметров станка, силовых я скоростных характеристик процесса в каждой конкретной ситуаций полностью зависит от опыта и интуиции оператора. Предпринятые попытки автоматизировать функции последнего не привели к успеху, поскольку существующие•математические модели не "привязаны" к используемому станку. Они также но учитывает взаимного износа инструмента- и детали, что вызывает перераспределение давления в зоне обработки и сложным образом влияет на закономерности формообразования. В основу кинематики процесса изнашивания не заложена кинематическая передаточная функция станка, которая определяет реальные пути трения зон контакта инструмента по обрабатываемой поверхности. Кроме того, отсутствует технологическое оборудование для двусторонней обработки деталей с прецизионными плоскими и неполными сферическими поверхностями, а также тел вращения и качения в условиях свободной притирки.

Поскольку в общем объеме производимой в Республике Беларусь продукции изделия точного машино- и приборостроения занимают заметную часть Сизделия БелОМО, НПО "Планар", ПО "Интеграл", зарода автоматических линий, "Калибр", станкостроительных и других предприятий) , то разработка эффективного и приемлемого для производства метода управления формообразованием и технологического оборудования для его реализации является актуальной задачей. Использование предлагаемых в настоящей работе технических решений позволит не только существенно ограничить функцию оператора, но также интенсифицировать процесс, уменьшить его энергоемкость и улучшить экологические показатели на соответствующих предприятиях.

Связь с крупными научными программами и темами. Актуальность научно-технической проблемы подтверждается также выполнением работы по практической реализации теоретических оокп в рамках госу-

дарственных научно-технических программ "БелОптика" (задание 04.303, "Инструмент" Сзадание 4.29), "Триботехника" (задание 2.15) и "Ресурсосбережение" (задания 2.17 и 2.18),

Цель и задачи исследования. Разработка теоретических и технологических основ управления процессом формообразования прецизионных поверхностей посредством выявления взаимосвязи макрогеометрии детали и производительности процесса с наладочными параметрами технологического оборудования.

В соответствии с поставленной цельр в работе необходимо было решить следующие проблемы. .

1. Создать метод формообразования деталей с цилиндрическими, коническими и полными сферическими поверхностями в условиях свободной притирки, а также двусторонней обработки линз.

2. Разработать технологическое оборудование для одно- и двусторонней обработки в условиях свободной притирки плоских.и неполных сферических поверхностей, а такхе тел вращения и качения.

3. Осуществить математическое: моделирование процесса формообразования поверхностей различного профиля, устанавливающее взаимосвязь наладочных параметров станка, а также скоростных и силовых характеристик обработки с закономерностями съема припуска о заготовки и износом рабочей поверхности инструмента.

4. Провести численные исследования с помощью ЭВМ закономерностей распределения путей трения по поверхности детали и на их основе выбить рациональные технологические параметры, необходимые для создания методов управления режимами формообразования.

5. Выполнить экспериментальные исследования закономерностей снятия припуска с поверхностей различного профиля и установить адекватность.математических моделей реальным закономерностям обработки.

. 6. Предложить единую методику управления процессом формообразования Прецизионных плоских,: неполных и полных сферических, а также цилиндрических и конических поверхностей с учетом технологической наследственности заготовок..

• 7. Определить рациональные значения конструктивных параметров инструментов; режимы их эксплуатации и оптимальное количество заготовок в.рабочей зоне, обеспечивающие высокую производительность процесса и необходимое качество стеклянных шариков для микрооптики при их пневмоцентробежной обработке.

8. Выявить пути интенсификации процесса получения шариков и хрупких материалов в поле сил инерции.

з

9. Установить взаимосвязь производительности процесса и динамической нагруженности технологического оборудования с его наладочными пар&метрами при формообразовании тел качения в условиях усложненной кинематики инструментов.

10- Разработать технологию центрирования микролинз, обеспечивающую повышенную точность совмещения их оптической и геометрической осей.

Методы исследований. Теоретическая часть работы выполнена с использованием, фундаментальных положений и теорем теоретической механики, теорий механизмов и машин, оптики, технологий машнно- и приборостроения. При этом основное внимание уделено Количественной оценке параметров, не зависящих явно от времени, которые позволяют характеризовать процесс в динамическом отношении. Такое представление позволило увязать параметры качества обработанной поверхности с наладочными характеристиками технологического оборудования, а также с силовыми и скоростными показателями процесса формообразования.

Численные исследования проводились на ЭВМ.

Для экспериментальных исследований использовались опытные образцы разработанного технологического оборудования и серийные станки.

Измерения параметров ббработанных деталей выполнялись интерференционным методом и с помощью стандартных измерительных устройств и приборов.

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что: разработана математическая модель, устанавливающая количественную связь интенсивности сьема припуска и показателей качества обработанной поверхности с Динамикой процесса изнашивания заготовки и инструмента,а также учитывающая кинематическую передаточную, функцию исполнительного механизма станка;

установлена функциональная взаимосвязь между наладочными параметрами предложенного технологического оборудования и закономерностями съема припуска с обрабатываемой поверхности, учитывающая износ инструмента. Разработана.методика численного исследования такой взаимосвязи с помощью ЭВМ;

создана единая методика управления процессом формообразования прецизионных плоских, неполных и полных сферических, а также цилиндрических и конических.поверхностей с учетом технологической наследственности заготовок; ■ •

определено направление дальнейшего развития метода пневмо-

центробежной обработки сферических поверхностей в части выявления оптимальных диапазонов конструктивных параметров инструмента и режимов его эксплуатации. Установлен эффект саморегулирования процесса обработки стеклянных шариков из заготовок■некруглой формы, заключающийся в автоматическом уменьшении переносной скорости деталей по мере увеличения степени ик сферичности;

предложено, исследовано и апробировано в производственных условиях направление интенсификации процесса обработки шариков б поле сия инерции за счет усложнения их кинематики, разработана методика оценки динамической нагруженности технологического оборудования.

Практическая значимость полученных результатов заключается: в созданных методах формообразования в условиях свободной притирки тел качения и вращения с прецизионными поверхностями, двусторонней обработки линз и центрирования ыккролинз;

в разработанном технологическом оборудовании для финишной обработки свободным абразивом деталей с плоскими, цилиндрическими, коническими, неполными и полными сферическими прецизионными по-Еерхностями Сстепень готовности: изготовлены и апробированы опытные образцы соответствующих устройств и станков);

ь полученных аналитических выражениях для расчета путей трения в произвольной точке притирающихся поверхностей изделия и инструмента в зависимости от конкретных значений наладочных геометрических и кинематических параметров станка, а также для определения оптимального количества заготовок в рабочей зоне при изготовлении шариков в поле сил инерции (степень готовности: разработаны и отлажены лрограммы расчета путей трения на ЭВМ для всех предложенных схем обработки);

• в методиках управления формообразованием прецизионных поверхностей различного профилч, интенсификации процесса и уменьшения его энергоемкости, а также оценки динамической нагруженности технологического оборудования для обработки стеклянных ■ шариков с усложненной их кинематикой Сстепень готовности: разработана последовательность действий для определения оптимальных условий формообразования ;деталей);

в разработанном инструменте с совмещенными операциями предварительной и Окончательной пневмоцентробежной обработки шариков, предназначенном для утилизации отходов из хрупких материалов с 'целью получения микрооптики, шаровидных изделий из драгоценных камней и хрусталя ■ и позволяющим увеличить кол1гчество рабочих мест

из соотзетиаусаях cpear.í. иятаях (степень готовности: разработан, азготозлен и апробировал в производственных условиях инструмент я определены оптимальные условия его эксплуатации);

в экологически более чистой и менее энергоемкой технологии изготовления оптических деталей с прецизионными плоскими и сферическими поверхностями ».'степень готовности: разработаны, изготовлены к апробированы- опытные ооразцы технологического оборудования для обработки плосяопараллельных пластин и линз);

в иопольловаи'п результатов работы в полнен объеме при подготовке студентов спецсальности "Оптические приборы й системы" и в сокращенном варианте для магистров специальности "Технология, оборудование и автсхаткзац*!я производства" Сстепень готовности: изданы учебно-четодичзскиэ пособия, ."Управление формообразованием прецизионных поверхностей деталей машин и приборов", "Основы формообразования микрооптики" и "Технология оптических деталей").

Экономическая значимость полученных результатов. Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы на заводе "Транзистор" СПО "Интеграл", г.Минск) при восстановлении рабочей поверхности планшайб для блокировки педлохек из полупроводниковых материалов в 1092 г.. составил 151888 руб. На заводе "Сфера" (БелОМО, г. Минск) при обработке оптических деталей в 1997 г. - 385 млн. руб. На малом научно-исследовательском внедренческом предприятии "Эпаз" Сг. Лида) при утилизации отходов оптического стекла в 1997 г. - 196,9 млн.руб. Кроме того, в качестве коммерческого продукта могут быть использованы следующие результаты работы:

разработанный илифовально-полировалько-доводочный ставок апд-300 для двусторонней обработки плоскопараллельных прецизионных деталей толщиной от 0,5 до ВО км и диаметром до 300 мм, изготовленных из металла, стекла, керамики, полупроводниковых и других материалов-,

• модернизированный серийный станок мод. Ю,М3 105.004 для односторонней обработки кремниевых пластин, исгпяьзуемых в электронной промышленности;

технология двусторонней обработки прецизионных линз; технология формообразования деталей с цилиндрическими и коническим прецизионными поверхностями по методу свободной притирки на серийных отечественных станках моц.ШН;

высокоэффективная технология изготовления микрооптики из отходов оптической промышленности и шаровидных изделий из драгоценных камней и хрусталя;

программы для расчета рациональных значений наладочных параметров технологического оборудования при обработке деталей с плоскими, цилиндрическими, коническими, неполными и полными сферическими поверхностями в условиях свободной притирки.

Основные положения диссертации, выносимые на зециту. Автор защищает разработку теоретических и технологических основ управления процессом формообразования прецизионных поверхностей, включающих:

1) математические модели закономерностей- съема припуска с плоских, цилиндрических, конических, неполных и полных сферических поверхностей, учитывающие кинематические передаточные функции исполнительных 'механизмов технологического оборудования и динамику износа инструмента и заготовки;

2) методику управления формообразованием прецизионных поверхностей в условиях свободной притирки, учитывающую технологическую наследственность заготовки, обеспечивающую повышение производительности обработки и уменьшение, энергоемкости технологического оборудования, а также способствующую автоматизации процесса;

3) методы обработки цилиндрических и конических поверхностей в условиях свободной притирки, а также двустороннего формообразования линз, расширяющие технологические возможности серийных отечественных станков мод. ШП и решающие некоторые проблемы промышленной экологии на предприятиях оптического приборостроения;

4) технологию изготовления прецизионных микролинз, существенно увеличивающую процент годных деталей и их качество, а также решающую проблему утилизации отходов дорогостоящего оптического стекла;

* 5) методику формообразования полных сферических поверхностей

в условиях усложненной кинематики заготовок, интенсифицирующую процесс пневмоцентробежной обработки и позволяющую утилизировать отходы ювилирной промышленности и хрусталя;

6) конкретные схемы технологического оборудования, улучшающего качество обработанных поверхностей, повышающего производительность труда и позволяющего механизировать трудоемкие финишлые операции в точном мащино- и приборостроении.

Личный вклад исполнителя. Решена актуальная научно-техническая проблема - разработаны теоретические и технологические основы управления процессом формообразования прецизионных поверхностей деталей машин и приборов. При выполнении работы исполнителем

осуществлено математическое моделировании закономерностей

-. ■ \ "

\

поверхностной обработки с учетом кинематических передаточных функций исполнительных механизмов станков и износа притирающихся поверхностей;

разработана методика управления процессом формообразования с учетом технологической наследственности заготовки и методы изготовления тел вращения в условиях свободной притирки и технологическое оборудование для их реализации;

предложен метод пневмоцентробежной обработки стеклянных шариков для микрооптики из заготовок некруглой формы и создан инструмент для его реализации, а также отработаны режимы эксплуатации инструмента;

предложен метод интенсификации обработки шариков в поле сил инерции, и выполнено математическое моделирование процесса их формообразования и динамической погруженности технологического оборудования;

создан высокоэффективный метод центрирования микролинз; ■ изготовлены устройства для обработки деталей с плоскими, цилиндрическими, коническими, неполными и полными сферическими прецизионными поверхностями;

проведены численные и экспериментальные исследования закономерностей формообразования прецизионных поверхностей различного профиля по методу свободной притирки, а также стеклянных шариков в поле сил инерции и возникающей при этом динамической нагружен-ности технологического оборудования;

изучены многочисленные литературные и патентные источники по методам управления формообразованием прецизионных поверхностей.

Участие соавторов в совместных работах: И.П.Филонов участвовал в разработке математических моделей процесса формообразования прецизионных поверхностей, методов и технологического оборудования для поверхностной обработки в условиях свободной притирки и обкатки под действием сжатого воздуха, а также в обсуждении результатов исследований; Ф. Ф. Климович участвовал в разработке математических моделей поверхностной обработки по методу свободной притирки и отдельных технических решений для формообразования криволинейных поверхностей; остальные соавторы принимали участие в написании программы для ПЭВМ, в проведении численных и экспериментальных исследований и в изготовлении устройств для выполнения экспериментов.

Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях: "Отделочно-упрочнявщая технология в

машиностроении" СМинск, 1934), "Состояние и перспектива развития науки и подготовка инженеров высокой квалификации в Белорусской государственной политехнической академии" СМинск, 1993), "Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды" СМинск, 1995), "Современные проблемы машиноведения" (Гомель, 1996), "Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии" (Гродно, 1936); на научно-технических семинарах: "Новое б технологии обработки стекла, кристаллов, керамики и поделочного камня" (Москва, 1993), "Технология, изготовления прецизионных оптических элементов" С С.-Петербург, 1996); на 40...50 НТК Белорусской государственной политехнической академии (1986 - 1835 ггО.

Олубликованиость результатов. По теме работы опубликована монография, учебник (в соавторстве с И.П.Филоновым и Ф.Ф.Климовичем), три учебно-методические пособия (в соавторстве с И.П.Филоновым. Ф.Ф.Климовичем, В.0.Кузнечик и Т. Л. Ветчинкиной ), 21 статья в международной печати, 9 тезисов докладов на конференциях, 1С авторских свидетельств СССР на изобретения, 2 патента Российской Федерации и 14 заявок Республики Беларусь на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, оОщуз характеристику работы, шесть глав, выводы, список использованных источников и приложения. Включает 194 страниц текста, • 9 7 иллюстраций, 5 таблиц, библиографию из 224 наименований и приложение на 11 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Состояние и анализ процессов формообразования прецизионных поверхностей. Обоснование цели работы

Показано, что среди известных математических моделей процесса формообразования прецизионных поверхностей в условиях свободной притирки основным является прием моделирования, разработанный С. И. Винокуром.

В последующих исследованиях закономерностей поверхностной обработки усовершенствовались те или иные аспекты математической модели С. И. Винокура с целью получения заданной точности обрабатываемой поверхности без вмешательства оператора. Однако эти попытки не увенчались успехом, поскольку при формообразовании по методу свободной притирки выходные параметры процесса зависят от кинемати-

ческих, геометрических, динамических, масштабных и технологических факторов, отдельные из которых находятся а сложной взаимосвязи и не поддастся »«тематическому описания.

В саяои с изложением существует неоиходимость в дальнейшем совершенствок ании математических моделей, которые можно было бы использовать при разработке мяюдов управления закономерностями изнашивания деталей к инструмент?..

В настоящей работе за основу взята математическая модель, изложенная в трудах И.П. Филонова я Ф. Ф. Климовича. В целях совершенствования данной модели предложено контртелс представлять как имеющее сплошную поверхность, а не в виде точек, полученных в результате касания и пересечения концентрических окружностей, проведенных на нижнем и верхнем звеньях. Причем в любой точке тела путь трания следует рассматривать как суммарную величину, прошедшую этой точкой за время обработки, а не как среднее значение в пределах окружности, на которой она находится.

Выполнено дополнение также "динамической" части существующей математической модели, отражающее особенности перераспределения давления и скоростей скольжения с учетом '¿зке?ения формы и размера притира и заготовки.

На основе анализа литературных источников установлено, что при решении задач управления характером съек-а припуска в условиях свободной притирки наметился путь исключения чли стабилизации действия того или иного фактора. Одной из наиболее разработанных методик в данном направлении является предложенное М. Н. Семибратовым с учениками составление кинематических программ формообразования с последующим их выравниванием посредством изменений параметров настройки станка и геометрии рабочих площадей инструмента. Выполнение последнего условия представляет собой трудоемкую и дорогостоящую операцию, поэтому данный способ управления процессом не находит применения на практике.

Предложено новое направление адаптивного управления формообразованием прецизионных поверхностей, согласно которому первоначально выражают в процентном отношении величину припуска, подлежащего удалению на каждой из намеченных операций финишной обработки. Затем рассчитывают путь трения в точках диаметрального сечения детали как функцию наладочных параметров процесса, определяют наиболее действенные параметры и находят их значения, при которых путь трения преобладает в центральной зоне заготовки, больше на ее периферии и принимает одинаковые значения во всех рассматриваемых

точках. Результаты расчета представляют графически и угол (или линейное расстояние), образованный прямой, выражающей распределение путей трения с преимуществом в упомянутых зонах изделия на первой операции обработки, разбивают на диапазоны пропорционально процентному выражению припуска на заготоьке, приходящегося на кавдую операцию. В процессе обработки величину выбранных наладочных параметров устанавливают в пределах их значений из соответствующих диапазонов.

Глава 2. Математическое моделирование процесса изнашивания в условиях притирки

Существующие математические модели процесса обработки по методу свободной притирки не учитывают взаимього влияния изнашивающихся поверхностей заготовки и инструмента на закономерность изменения профиля сопряжения. Данного недостатка лишена предложенная нами модель, в основу которой положены следующие допущения:

1) на макроуровне постоянно имеет место полный контакт притирающихся поверхностей инструмента и заготовки;

2) направление сближения тела и контртела совпадает с равно-

-»

действующей приложенных к верхнему звену внешних сил: прижима О,

тяжести в и приводной Г^;

3) притирающиеся поверхности в процессе изнашивания остаются сферическими, их кривизна меняется.

Линейный износ инструмента и заготовки описан параметрами ДЬН, ДЬВ, ьЙ, представляющими собой величину изменения размеров соответственно ниинего и верхнего звеньев в направлении их сОлике-ния, а также радиуса кривизны К поверхности сопряжения. Учитывая схему обработки, получено выражение для суммарного линейного износа и детали и притира в произвольной точке М, расположенной в центре сопряженной площадки, образованной пересечением 1-й зоны верхнего звена и ,]- й нижнего. Оно имеет вид:

и = СДЬ„ + ДМ соэа ,+ /(И + ДР)2- СДЙ - Д]0251п2а

1 j н В 1J В 1 j

- АрТДР)2- (ДК + йЬн)гзт2а . С1)-

Используя соотношение С13, а также уравнение

н "Б „,,

^ к = 1,Пч' .1 = 1,пв- сгэ

записанное на основе формулы Престона" для изнашивающихся поверхностей, и уравнения

У„СС - та ) - г„(б - ша 1 + У„С0 + СГП) ) - гисо + СГ_) ) +

Иг т И у у М г П г N у П у

"н "В Г Г Р„, 1

2„СС -на) - Х(1СС - та ) + г.,С0 * СГП) ) - Х„Ю + СГП) ) +

М :: х М т. г И х П х N г П г

к1

К„СС - та ) - У„(в - та ) + ХыС0 + СГ„) ) - УЫС<2 + СГ„) ) +

Чу у Мх х N у Пу И х Пх

Е Т. Гср„,з -т су. , э 1 -

1к1 1. к1 I. у и к! у]

г, Гср„,э -г ш- (V ) П = о,

к! [ к! х у к! х_и

СЗ)

представляющие собой моменты сил, действующие на верхнее звено относительно осей декартовой системы координат с началом в центре тяжести зоны контакта, получили выражение для рассчета величины ЛИ в произвольный момент времени в каждом конкретном случае.

В равенствах (1) - СЗ) приняты следующие обозначения: а -угол между направлением сближения притирающихся поверхностей в процессе обработки и радиус-вектором точки М; - коэффициен-

ты, зависящие от значений скоростей скольжения, отрезков времени обработки, технологического коэффициента, а также коэффициентов износостойкости материалов инструмента и детали; Х((, У , 7-и - координаты центра тяжести верхнего звона; . У , ?,и - координаты приложения приводной силы и силы прижима; Хк1, У,^ . 2к1 - координат сопряженных точек; - площади сопряженных площадок ];

и - масса верхнего звена, а в , в , в , а,а,а, 0,0,0Г х у г х у 2, X' у I

проекции его силы тяжести и ускорения, а также силы прижима на оси упомянутой системы координат; СУк1 )г и (рк1 )х,

Срк1)у, (рк1 - проекции векторов скоростей и давлений в окрестности точки М.

Параметр ЛЯ позволяет прогнозировать точность формообразования прецизионных поверхностей в условиях свободной притирки по количеству N интерференционных колец Ньютона, возникающих в воздушном промежутке между эталонной и обрабатываемой поверхностями при освещении их излучением длиной волныГХ. Взаимосвязь между N и ЛБ имеет вид

гс-^р + ДЮ2- 0,25Б2 ' - /г>? - 0,25Б2 '- ДЮ

N = -*-1-- (4)

X

и

гс/й? - о,25Б2 - Ле;,- ¿ж)2- о.гзо2 - дю

N = -1-1----(5)

X

соответственно для случаев, когда радиус кривизны детали больше радиуса К1 эталонной поверхности, и наоборот. В формулах С4) и (5) Б - диаметр эталонной поверхности.

Глава 3. Установление количественной взаимосвязи геометрических и кинематических характеристик технологического оборудования с погрешностями формы обработанной поверхности

Ввиду многофакторности и недостаточной изученности процесса получения прецизионных поверхностей в условиях свободной притирки нами избран путь, при которйм наряду с кинематико-геометрическими параметрами учитываются также динамические эпюры давления в плоскости соприкосновения тел, а действия остальных факторов исключаются.

На основе изложенного подхода разработана единая методика математического моделирования обработки прецизионных поверхностей различного профиля полноразмерным инструментом. Сущность методики состоит в следующем. Первоначально проводят математическое моделирование исполнительного механизма станка с учетом его конструкции, размеров звеньев и законов их движения. Цель данного моделирования - получение кинематической передаточной функции, устанавяи'>иощеП

взаимосвязь между движениями выходного и входного звеньев упомянутого механизма. Затем выполняет математическое моделирование рабочей зоны стэнка, принимая so внимание закономерность переносного перемещения верхнего звена, а также геометрические параметры детали и скорость ее относительного вращения.

Результатом отмеченного этапа моделирования является аналитическое выражение для абсолютной скорости скольжения в произвольной точке притирающихся поверхностей.

Раесчитав время пересечения выбранной точкой элементарной площадки, определенным образом выбранной на сопряженной поверхности, в заключении математического моделирования получают выражение для пути трения, проходимой упомянутой точкой.

Применяя изложенную методику, получены и доведены до практического использования аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязь путей трения с наладочными геометрическими и кинематическими параметрами конкретного технологического- оборудования при формообразовании прецизионных, деталей со' следующими наиболее распространенными поверхностями: плоскими, неполными и полными сферическими, цилиндрическими и конически™.

Разработан^ серия станков и устройств для одно- и двусторонней обработки плоскопараллельных деталей толщиной от 0,5 до 60 мм и диаметром от 2 до 300 мм. Использование того или иного из этих технических решений зависит от толщины заготовки и предъявленных требований к качеству изделия. Наиболее точную геометрическую форму функциональных поверхностей пластин толщиной 3 и более мм (отступление от плоскостности до 1 мкм на диаметре 150 мм) обеспечивает устройство для двусторонней обработки со взаимосвязанным законом относительного и переносного движений изделия. Устройство монтируется на шпинделе станка мод. ШП,и все движения детали и притиров осуществляются от одного электродвигателя, что существенно снижает энергоемкость технологического процесса.

Разработан станок с планетарным перемещением верхнего звена, предназначенный для односторонней обработки деталей с прецизионными плоскими непараллельными исполнительными поверхностями. В данном техническом решении все рабочие движения происходят от одного электродвигателя, что снижает энергоемкость процесса, причем привод верхнего звена осуществляется за счет сил трения .чежду притирающимися поверхностями инструмента и изделия. Последняя особенность создает возможность проведения гибкого управления закономерностями съема припуска в той или иной гоне заготовки.

Для двусторонней обработки пластин толщиной от 0,5 до 3 им с отступлением от плоскостности 0,3 мкм на диаметре 150 мм предложен станок, в рабочей зоне которого происходит автоматическое выравнивание сил трения между инструментами и заготовкой на обеих ее поверхностях. 0 целью расширения приемов управления процессом формообразования на данном станка предусмотрено возвратно-вращательное перемещение заготовок с регулируемой амплитудой, причем закон этого движения выбран таким, что все точки детали находятся в одинаковых условиях, т.е. проходят один и тот же путь. Выполнение данного требования стало возможным благодаря использованию в качестве исполнительного устройства сочетания шарнирно-рычажного и криво-шипно-ползу! лого механизмов.

Предложены методы формообразования изделий с цилиндрическими и коническими поверхностями в условиях свободной притирки, не требующие прецизионного технологического оборудования. Согласно первому из методов цилиндрическую деталь вращают вокруг своей оси с переменной скоростью, а инструменту в виде полуцилиндра сообщают два относительных осциллирующих движения с переменными скоростями и амплитудами: вдоль оси детали и в круговом направлении с некратным соотношением частот этих осцилляций. Второй метод предусматривает использование инструмента с плоской рабочей поверхностью, а заготовка совершает сложное переносное движение, состоящее из вращательного вокруг оси симметрии притира и возвратно-вращательного в направлении, перпендикулярном данной оси. Для'реализации отмеченных методов разработаны устройства, которые устанавливаются на сравнительно простой серийный шлйфовально-полировальный станок мод.ШП и повышают точность обработки по меньшей мере в три раза.

Созданы метод двусторонней обработки деталей с неполными сферическими поверхностями и устройство для его реализации на станке мод.ШП. Использование' данного технического решения приводит к улучшению точностных параметров деталей и снижению их энергоемкости за счет исключения вспомогательной эндотермической операции блокировки заготовок, вызывающей их деформацию. Кроме того, происходит повышение производительности процесса и улучшаются его экологические показатели ввиду резкого уменьшения использования на-клеечных и промывочных веществ, испарения которых загрязняют окружающую среду.

Разработаны метод и устройство для тонкого шлифования и полирования стеклянных шариков,используемых в микрооптике. Особенностями данного технического решения является то, что оно осуществля-

ется на станках мод. ШП и позволяет реализовать индивидуальную настройку инструментов на конкретный размер заготовок, а также обеспечивает контакт притирающихся поверхностей по площадкам, а не по точкам, как в существующей технологии. Отмеченные отличительные признаки создали условия повышения точности и выхода годных шариков примерно- в два раза.

Созданы устройства для регулирования величины и точки приложения усилия прижима непосредственно в процессе обработки плоских и неполных сферических поверхностей на станках мод.ШП. Использование этих устройств позволяет повысить качество и производительность формообразования и упрощает управление закономерностями съема припуска.

Следовательно, предложенные технические решения улучшают качество формообразования и позволяют существенно расширить технологические возможности серийных отечественных станков мод.ШП, широко используемых в оптической промышленности.

Глава 4. Математическое моделирование процесса пневмоцентро-бежкой обработки полных сферических поверхностей

По существующей технологии операция предварительного шлифования стеклянных шариков для микрооптики выполняется на специальном станке типа центрифуги с плоским абразивным инструментом. В результате такой обработки многие заготовки разрушаются, а точность деталей по отклонению от сферической формы и разноразмерности не превышает 1,2 мм в пределах партии. Уменьшение погрешности изделий происходит на последующих операциях основного и окончательного шлифования, которые выполняются на отдельных станках. Поэтому процесс формообразования стеклянных шариков является энерго- и мате-риалоемким, а выход годных составляет в среднем 20'/. .

Для улучшения показателей процесса получения микролинз по шариковой технологии предложен метод пневмоцентробежной обработки СПЦО) шариков из хрупких материалов, сущность которого заключается в том, что заготовки кубической формы помещают между соосно расположенными инструментами с коническими рабочими поверхностями предварительного, основного и окончательного шлифования и вращают их вокруг оси последних посредством среды под давлением Сжидкой или газообразной). Данные инструменты с совмещенными операциями позволяют заменить три станка в современной технологии изготовления стеклянных шариков, в результате чего резко уменьшается энерго- и

материалоемкость процесса, а также увеличивается выход годных практически до 100?« . Кроме того, при реализации метода ПЦО в качестве исходных заготовок могут служить непосредственно механически раздробленные отходы оптического стекла и бракованные оптичьс-кие детали.

Получены выражения для линейной скорости Ук перемещения заготовки в поперечном направлении рабочих участков инструментов и приведенного коэффициента трения ^ , которые имеют вид

МО.

'по

51п ^

*с- +

рВг рнт

+ к"

N N

т

1

где Ь - половина диагонали грани исходной кубической заготовки; Р10 - угол, определяющий положение заготовки в рабочей зоне, а ы - угловая переносная скорость этой заготовки; аин - угол наклона рабочих участков инструментов; Гс - коэффициент трения скольжения с качением; 13® т и Р"т - проекции сил нормальной реакций

К® и соответственно в верхней и нижней точках контакта заготовки с инструментами на ось т естественного трехгранника Фрея* ть/З.

Первое из приведенных уравнений позволяет провести сценку закономерностей послойного изменения износоустойчивости рабочш участков в поперечном направлении, а второе - проанализировав процесс ПЦО с учетом геометрических и кинематических характеристш зоны обработки и заготовки в ней, а также состояния трущихся поверхностей и сил прижима.

Выполнено решение дифференциального уравнения вращательного движения заготовки в рабочей зоне. При этом показано, что абсолютные значения суммарных моментов вращения заготовки вокруг осей V и ¡3 равны между собой, а вокруг оси т меньше первых двух,; причем все они непостоянны ь силу сложной траектории перемещения изделия. Случай, когда деталь вращается с одинаковой скоростью вокруг двух взаимно перпендикулярных осей и совершает проворачивание относительно третьей оси, можно принять за оптимальный в процессе формообразования шариков из кубиков, ибо невыполнение хотя бы одного из

г;

этих условий приведет к нарушению геометрической формы детали.

Выявлена зависимость суммарных моментов вращения от центробежных моментов инерции, неравенство нулю которых указывает на наличие дисбаланса и приводит к возникновению дополнительных динамических моментов, разворачивающих деталь в пространстве, что является положительным фактором метода 1Щ0. Получены выражения для определения скоростей вращения изделия вокруг осей т, и, р, что необходимо при проведении оценки интенсивности съема припуска с заготовки.

Рассмотрены теоретические основы перспективного метода интенсификации процесса ГШО шариков из хрупких материалов. Согласно этому методу инструментам сообщают два вcзвpáтнo-Epalцaтeльныx движения вокруг осей 0,Х2 и декартовой - системы координат 0oX2Y2Z2, начало которой не совпадает с прямой, проходящей через центр рабочей зоны. Наличие отмеченных движений вызывает появление осестремительных а", а2 , а^ и вращательных а*, а*, а^ ускорений заготовки, а также кориолисова- ускорения afc. В результате «а таарик массой m действует сила инерции

F»= - m Са" + aj + а" + а[ + а[ + а; + а^), (8)

увеличивающая прижим заготовки к рабочим участкам и повышающая вероятность их переориентации в процессе обработки.

Разработана методика анализа влияния на производительность процесса геометрических и кинематических параметров формообразования шариков в поле сил инерции при сложном движении инструментов. Методика сводится к определению с помощью ЭВМ режимов обработки, при кстсрых функции

Г, - CcosCF.j) - cos р101- CQ)

и

f2 = |cos(F,k) I (10)

стремятся л минимальному значению. В выражениях (9) и СЮ) íF.j) и

(F,k) - углы, определяющие направление силы F относигельно осей OjYj и OjZj прямоугольной систеуы координат 0tX Y Z , связанной с центром масс инструментов.

Созданы устройства для пневмоцентробажной обработки прецизи-

онных шариков из заготовок некруглой формы, полученных механическим дроблением отходов из оптического стекла, драгоценных камней и хрусталя. В устройстве по производству стеклянных шариков инструменты .установлены с возможностью вращения только вокруг своей оси симметрии, а во втором случае они совершают возвратно-вращательные движения вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, точки пересечения которых не совпадают с центральной осью инструментов. Сложное движение последних служит источником дополнительных сил прижима изделия к обрабатывающим участкам, что требуется при формировании шариков из драгоценных камней ввиду их более высокой по сравнению со стеклом твердостью. Устройства отличаются компактностью конструкции, а также более низкими материалоемкостью и энергопотреблением по сравнению с существующим технологическим оборудованием аналогичного назначения.

Поскольку конструктивной особенностью технологического оборудования, реализующего метод интенсификации процесса ПЦО, являете? его консольность, то при создании таких устройств необходимо еще на стадии проектирования производить оценку их динамической нагру-женности с помощью ЭВМ. С этой целью установлена взаимосвязь сил I крутящих моментов, действующих на опоры станка, с геометрическими, кинематическими и массовыми параметрами выходных звеньев исполнительных механизмов, а также инструментов и обрабатываемых заготовок.

Разработан усовершенствованный инструмент для формообразования тел качения в поле сил инерции с обрабатывающей поверхностью в виде сферического пояса, что способствует повышению производительности процесса. Получены аналитические выражения для расчета радиуса кривизны Й сферического пояса и ширины Ц, Ц, 1_0 рабочих участков в случае изготовления инструмента с совмещенными операциями предварительного/ основного и окончательного шлифования. Эти формулы имеют вид

/0.25СРИН- I)2 + 1Рин5т20,5а,ш

--. (Н)

аин

а-/з - б, собсхц,,

Ь = -=-— - зона предварительного шлифования, (12)

2 81п аин

d. - d

L2 = -clg Ojjjj - зона основного шлифования, (13)

d cosa - d

L0 = ———---зона окончательного шлифования, С14)

2sin

"ин

где 1 = (ач/з - б0)/ 2б1п аин - длина хорды, стягивающей дугу осевого сечения сферического пояса инструмента; Й! и (12 - диаметры шаровидных заготовок после предварительного и основного шлифования.

Предложен принципиально новый метод центрирования микролинз, при использовании которого погрешность данной операции уменьшается более чем в 10 раз и происходит значительное повышение производительности процесса изготовления микрооптики за счет одновременного выполнения обработки (шлифования и полирования) второй поверхности деталей и их центрирования, а также реализации группового совмещения оптической и геометрической осей вместо поштучного по существующей технологии. Кроме того, отпадает необходимость в применении дорогостоящих, прецизионных металло- и энергоемких серийных станков-полуавтоматов мод. ЦС.

Глава 5. Оценка эффективности формообразования прецизионных поверхностей на основе численных исследований

I

Используя полученные в главе 3 выражения, выполнен расчет путей трения для точек диаметрального сочения плоских', неполных и полных сферических, а также цилиндрических и конических поверхностей в случае их формообразования по методу свободной притирки полноразмерным инструментом на разработанном и существующем технологическом оборудовании. При этом установлены конкретные геометрические и кинематические наладочные параметры и определены их значения, обеспечивающие большую величину путей трения по переферии или в центральной зоне детали и равномерное распределение по всей обрабатываемой поверхности, что положено в основу разработанного нами метода управления закономерностями съема припуска.

Установлены условия обработки, при которых кривая, соединяющая значения путей тренил для точек диаметрального сечения детали, имеет рапличный угол наклона, указывая на возможность управления также интоноиыюстыэ съема припуска. Это значит, что на основе численных и•:олсдо1п1Ш11. проведенных с помощью ЭВМ на стадии разра-

ботки технологического процесса, представляется возмомым назначить рациональные наладочные параметры станка, позволявшие интенсифицировать обработку отдельно на предварительной, основной и окончательной стадиях.

Выявлены режимы формообразования, обеспечивающие практически одинаковые значения путей трения для существенно отличающихся скоростей вращения нижнего звена технологического оборудования, что позволяет управлять его энергопотреблением.

Определены закономерности распределения путей трения по поверхности инструментов различного профиля. В результате установлены режимы обработки, при которых износ притира преобладает в центральной или краевой зонах, а также происходит равномерно. Поэтому необходимая точность инструмента может быть обеспечена не механической его правкой, кач это происходит по существующей технологии и требует дополнительных затрат времени и йнергоресурссв, а с помощью назначения определенной величины наладочных параметров станка, т.е. непосредственно в процессе формообразования детали.

Установлено, что наиболее равномерный съем припуска с цилиндрической детали происходит в случае использования пригира с одной центральной поперечной канавксй шириной 1/4 его длины, составляющей, в свою очередь, от длины детали. При этом амплитуду возвратно-поступательного перемещения инструмента необходимо назначать равной 1/4 длины изделия, скорость вращения которого должна находиться в области малых значений. Обработку же конических поверхностей в условиях свободной притирки следует проводить без смещения штриха вефхнего звена, а управление формообразованием выполнять посредством изменений амплитуды последнего и скорости вращения притира.

Проведены численные исследования влияния диаметра 0И и угла наклона аин рабочих участков инструментов для ПЦО шариков на величину отношения где и , - угловая скорость относитель-

ного вращения заготовки в рабочей зоне. Показано, что и21 , а следовательно, и производительность процесса, возрастают с увеличением как а^., так и , однако по-разному. В частности, при ат= 5- 25° относительная скорость вращения заготовки повышается сравнительно резко, после чего изменяется незначительно. В то же время между параметрами 0И и ю21 наблюдается прямо пропорциональная зависимость.

Выявлено, что если при использовании метсда интенсификации ПЦО <о,0 не превышает 83,7 с"1, то в случае небольших значений уг-

ловых скоростей ый2 и оиз входных звеньев механизмов, сообщающих движение инструментам вокруг осей соответственно 0£Х 2и О У.>( последняя из которых проходит через центр рабочей зоны, колебание инструментов относительно оси 02У2 незначительно влияет на Рпл1., являющейся максимальным значением силы Г. И начиная только с о10-= 83,7 с"1 эти влияния становятся заметными, а при (¿10£ 261,7 с'1 возвратно-вращательные движения вокруг осей 02Х2 и О2У2 вносят одинаковый вклад в силу Ртах-

Проведен расчет Г . Г1 и С для различных сочетаний ь>а? и о 3 в диапазоне от 1,04 до 20,9 с. Полученные результаты показали, что Г в большей степени зависит ог качания инструментов во-

тач I о 5

круг оси Х2. В этом случае = 1,6x10" , Сг= - 1,0x1с"*, т.е. направление действующей на заготовку силы удовлетворяет оптимальным условиям формообразования шариков по предлагаемому методу.

Расчет гтах, Г и Г2 для различных комбинаций величины I удаления инструментов от оси X, и 0;1 свидетельствует о том, что Р^^ возрастает с увеличением диаметра инструментов и в малой степени зависит от Ь.

Установлено, что применение рациональных геометрических и кинематических параметров устройства, реализующего метод интенсификации ГШО, вызывает существенное увеличение Рп4х по сравнению с неподвижными инструментами. Причем на данное увеличение влияют, хотя и в разной степени, возвратно-вращательные колебания инструментов вокруг обеих осей даже в случае небольших значений ь>10.

Выполнен расчет сил и моментов, действующих на опоры устройства в зависимости от выбора геометрических, кинематических и массовых параметров его подвижных звеньев, а также количества (массы) заготовок в зоне обработки при сложном движении инструментов. Выявлено, что в процессе изменения углов р2 и рэ возвратно-вращательных движений инструментов вокруг осей соответственно 02Х2 и 0„У_ в пределах от 10 до 180° величина возникающей максимальной

2 * I

силы реакции Ртах опор устройства определяется колебанием инструментов преимущественно вокруг оси 0оХ2- Причем с увеличением массы инструментов и количества заготовок в рабочей зоне происходит большее приращение Гтах во втором случае. С геометрических параметров более существенное влияние на силу реакции оказывает параметр Г, и значительно меньшее - изменение диаметра инструментов.

Показано, что значения крутящих моментов определяются, в основном, амплитудой возвратно-вращательных движений инструментов, однако своих максимумов они достигают при <р2 и ра, не совпадающих

с оптимальной величиной этих углов о точки зрения наивысшей интенсивности съема припуска, что является положительным фактором в рассматриваемом методе формообразования шариков.

При исследовании влияния параметров L и DH установлено, что проекции моментов на оси 02Х2 и 02У2 зависят преимущественно от L, а проекция на ось 02Z2- от диаметра инструментов.

Расчет моментов для разных значений массы инструментов ши и их высоты h показал, что они практически зависят от ши и малочувствительны к h.

Глава 6. Экспериментальное определение закономерностей съема припуска при формообразовании прецизионных поверхностей

Экспериментальные исследования сводились к тонкому шлифованию суспензией микропорошка М10 с последующим полированием водной суспензией полирита (Се02) деталей из оптического стекла с исполнительными поверхностями различных конфигураций. При этом контролировалась макрогеометрия изделия по количеству N интерференционных колец и значению локальных погрешностей AN.

В результате исследований процесса одностороннего формообразования плоских поверхностей при возвратно-вращательном качании верхнего звена исполнительного механизма станка показано, что профиль обрабатываемой поверхности существенно зависит от выбора наладочных геометрических и кинематических параметров станка. Так, например, при вращении детали и кривошипа со скоростями соответственно 8,4 и 1,4 с"1, длине штриха 40 мм и его смещении 60 мм за 28 мин формообразования "цвет" увеличился с исходных шести до- десяти интерференционных колец. Если же длину штриха установить 160 мм, то при прочих равных условиях N возрастает до десяти колец только за 36 мин. В случае обработки, когда траектория верхнего звена проходит через ось симметрии нижнего, а деталь вращается со скоростью 4,7 c~í, то за 36 мин обработки общая "яма" приближается к девяти кольцам, а с уменьшением скорости заготовки до 2,1 с"1 за 42 мин шлифования стрелка прогиба возрастает только на два интерференционных кольца. Нами выполнены также исследования с использованием значений геометрических и кинематических наладочных параметров технологического оборудования, обеспечивающих, согласно расчетам, равномерный съем припуска по всей поверхности изделия. В часмюсти, обработка проводилась при вращении детали со скоростью 2,1 и 4,7 с"1, с длиной штриха 40 мм и отсутствием его смещения, а

скорость кривошипа составляла 1,4 с"1. Во всех этих случаях исходный "ивет" практически не изменялся.

Изложенное согласуется с теоретическими данными.

Экспериментальные результаты двустороннего формообразования плоскопараллельных деталей на технологическом оборудовании с постоянным возвратно-поступательным и планетарным перемещениями верхнего звена показали, что при относительной скорости изделия 3,2 с"1 и длине штриха 40 мм "цвет" с исходных шести интерференционных колец уменьшается до двух, т.е. происходит усиленный съем припуска по периферии детали. Аналогичная закономерность наблюдается в случае вращения заготовки со скоростями 2,5 и 0,63 с"1 и пре-ьей дг„ч-не штриха, но время обработки увеличивается с 20 до 40 и 47 мин. Такой характер изменения "цвета" согласуется с результатами расчета.

Обработка в течение 50 мин при вращении изделия со скоростью 0,63 с"1 и длине штриха'170 мм приводит к увеличению "ямы" с 6 до 9 интерференционных колец, а повышение скорости до 1,67 с"1 увеличивает стрелку прогиба в центре обрабатываемой поверхности только до N = 8. Если же длину .штриха уменьшить до 120 мм, то "цвет" возрастает на 1,0 интерференционных колец. Отмеченные закономерности изменения И коррелируют с результатами численных исследований.

Проведена также обработка при вращении детали со скоростью 1,25 с"1 и длине штриха 40 мм, т.е. при условиях, обеспечивающих, согласно |расчетам, равномерный съем припуска. Измерения Н показали, что в данном случае "цьет" практически не меняется.

Такое жо согласование экспериментальных данных с результатами численных исследований имеет место для сферических, цилиндрических и конических поверхностей. Поэтому можно сделать вывод о том, что созданные нами математические модели являются адекватными реальным процессам обработки и могут быть использованы при прогнозировании характера съема припуска с помощью ЭВМ как на стадии разработки технологических процессов, так и для управления формообразованием прецизионных деталей непосредственно при их изготовлении.

Проведены экспериментальные исследования формирования стеклянных шариков в поле сил инерции. Показано, что.с целью достижения наивысших показателей процесса по интенсивности съема припуска и точностным характеристикам изделий необходимо принимать следующие значения технологических параметров: зазор между инструментами - 0,2 - 0,4 мм, давление воздуха в сети - 0,35 - 0,4 МПа, количество тангенциальных сопел камеры расширения - 6 - 8 отверстий,

диаметр сопел - 0,8 - 1,2 мм. При этом для определения оптимального количества Н0 одновременно обрабатываемых заготовок получено эмпирическое выражение следующего вида:

2л 1й„ / 2 - 0,5(а - с!.)/ 1д а„и]

м г-2-——1_ин С15)

0 5 а

где а - размер ребра исходной кубической заготовки; с!0- диаметр готового шарика.

Установлено, что производительность, метода ПЦО повышается примерно в 1,5 раза, если один из инструментов вращать в направлении, противоположном переносному движению заготовок, или рабочие участки изготовить в виде сферических поясов.

Выявлено, что обработка шариков в поле сил инерции является саморегулируемой, т.е. по мере приближений исходной кубической заготовки к шаровидной ее переносная скорость в рабочей зоне автоматически плавно уменьшается, способствуя таким образом улучшению качества формируемой поверхности.

Выполнены экспериментальные исследования процесса формообразования стеклянных шариков при сложном движении инструментов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в случае сообщения инструментам возвратно-вращательного движения только вокруг оси 0?У2 время обработки уменьшается с 48 мин при неподвижных инструментах до 46 мин. Если же инструменты вращать вокруг оси 02Х2, то формообразование заканчивается через 42 мин, т.е. последний вид движения повышает производительность в большей степени, что согласуется с результатами численных исследований. При мй2- м = 7,8 с"1 продолжительность процесса составляет 37 мин, а при увеличении этих скоростей до 10,5 с"1 - 31 мин, что также коррелирует с расчетами.

Увеличение расстояния I с 0,9 до 1,5 м не приводит, как и в случае расчета на ЭВМ, к заметным изменениям времени обработки.

При проведении каждого из экспериментов выполнялись также измерения степени отклонения формы шарика от правильной сферы и проводилась оценка шероховатости обработанной поверхности. В результате установлено, что изменения геометрических и кинематических наладочных характеристик устройства не. приводят к отклонению отмеченных параметров от их значений для детали, полученной с помощью неподвижных инструментов.

¿5

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Основной результат выполненной работы заключается в создании теоретических и технологических основ управления закономерностями формообразования прецизионных деталей машин и приборов и решении на их основе конкретных прикладных проблем в области финишной обработки, связанных с автоматизацией производственных процессов и автоматическим управлением режимами.

Полученные научные и практические результаты позволяют отметить следующие положения:

1. Созданы математические модели, устанавливающие количественные связи наладочных параметров технологического оборудования с интенсивностью съема припуска и показателями качества обработанных поверхностей. При этом в основу кинематического моделирования положено определение суммарного пути трения за цикл обработки, а динамика закономерностей изнашивания отражает особенности перераспределения давления и скоростей скольжения с учетом изменения формы и размеров притира и заготовки. Это позволяет назначать оптимальные режимы обработки' на конкретном технологическом оборудовании и прогнозировать точность прецизионных деталей по количеству интерференционных колец, возникающих в воздушном промежутке между эталонной и обрабатываемой поверхностями. Проведенные экспериментальные исследования формообразования деталей с плоскими, неполными и полными сферическими, а также цилиндрическими и коническими поверхностями указывают на адекватность разработанных математических моделей реальным условиям обработки.

2. Разработана, апробирована и внедрена в производство единая методика управления формообразованием прецизионных плоских, сферических, цилиндрических и конических поверхностей, основанная на учете технологической наследственности обрабатываемой заготовки с точки зрения закономерностей распределения припуска, подлежащего удалению на последующих операциях.

3. Предложена высокоэффективная технология изготовления микролинз из стеклянных заготовок в поле сил инерции, позволяющая совмещать операции предварительного и окончательного формообразования шариков, а также обеспечивающая практически ЮОЯ-й выход годных деталей с повышением точности их центрирования более чем в 10 раз. Создана и апробирована в производственных условиях новая конструкция инструмента, повышающего производительность пневмо-центробежной обработки шариков из заготовок некруглой формы на

15М. Разработаны теоретические аспекты формообразования шариков из заготовок кубической формы, положенные в основу прогнозирования закономерностей износа рабочих поверхностей инструмента и выявления взаимосвязи изменяющихся массовых и геометрических параметров заготовки в процессе обработки. Это позволяет утсчнить эксплуатационные .характеристики рабочей зоны в каждом конкретном случае и прогнозировать стойкость инструмента на основе численных исследований.

4. Предложен способ, создано и апробировано устройство, позволяющее повысить на 40 к производительность процесса обработки шариков в поле сил инерции за счет усложнения их кинематики, а также снизить металлоемкость и энергопотребление технологического оборудования по меньшей мере в 3 раза по сравнению с существущими методами обработки. Получены аналитические зависимости для определения рациональных геометрически?: и кинематических наладочных параметров. Это дало возможность разработать рекомендации по снижению динамической нагружэнности технологической системы на основе численных исследований. Созданные алгоритмы и программы могут быть использованы для назначения оптимальных конструктивных параметров новых инструментов и технологического оборудования.

5. Теоретически и экспериментально определены рациональные диапазоны конструктивных параметров инструмента для инеиоцентро-бежной обработки и режимы его эксплуатации. В частности,установлено, что при давлении рабочей среды 0,3 - 0,5 МПа, соответствующего производственным условиям, наибольшая скорость съема припуска ■збеспечивается инструментом с углом наклона рабочих участков 25 -30°. Выявлено, что эффективность использования метода обкатки под действием сжатого воздуха с усложненной кинематикой заготовок зависит от соотношения частот усредненного колебательного и переносного движений соответственно инструмента и заготовок, которое необходимо выбирать в пределах от 1/25 до 1/20. Установлена функциональная связь сил и крутящих моментов, действующих на опоры технологического оборудования, с геометрическими, кинематическими и массовыми параметрами выходных звеньев'исполнительного механизма.

6. Выявлена взаимосвязь интенсивности съема припуска и качества поверхности шаровидных деталей с их количеством в рабочей зоне. Получена аналитическая зависимость для расчета оптимального размера партии одновременно обрабатываемых шариков. Обнаружен эффект саморегулирования скорости переносного движения тел качения при их формообразовании в поле сил инерции, что автоматически cos-

дает условия выхаживания, способствующие улучшению макрогеометрии детали. Показано, что реализация пневмоцентробежной обработки позволяет использовать исходные заготовки в виде осколков, полученных механическим раздроблением отходов оптического стекла, драгоценных камней и хрусталя, решая тем самым проблемы утилизации и создэлия дополнительных рабочих мест на соответствующих предприятиях.

7. Предложен метод, разработано и апробировано технологическое оборудование для одно- и двустороннего формообразования деталей в условиях свободной притирки с прециз!. ¿иными плоскими, неполными и полными сферическими- а также цилиндрическими и коническими поверхностями. Созданы устройства, обеспечивающие автоматическое регулирование перераспределения давления в зоне обработки за счет изменения направления и точки приложения рабочего усилия. Установлена количественная связь равномерности и интенсивности съема припуска с кинематическими и массово-геометрическими характеристиками исполнительных механизмов станков. Разработаны алгоритмы и программы численных исследований, с помощью ЭВМ как на этапе конструирования, так и эксплуатации предложенных технических решений. Показано, что данные устройства могут быть смонтированы на серийно выпускаемых в Республике Беларусь станках мод.ШП. Это существенно расширяет технологические возможности отмеченных станков и позволяет создать экологически более чистую и менее энергоемкую технологию, а также повысить производительность и качество формообразования прецизионных поверхностей.

8. На основе численных исследований характера распределения путей трения по обрабатываемым поверхностям различного профиля вскрыта взаимосвязь качества и. производительности процесса с особенностями относительного движения инструмента и заготовки, что положено в основу предложенной и освоенной в производстве методики управления закономерностями съема припуска, динамической нагружен-ностью исполнительных механизмов и энергопотреблением технологического оборудования при получении прецизионных деталей в условиях свободной притирки. Методика может быть использована как при эксплуатации существующих станков, так и при создании новых.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Козерук A.C. Формообразование прецизионных поверхностей,- Мн.: ВУЗ - ЮНИТИ - БГПА, 1997.-182 с.

2. Козерук A.C. Моделирование процесса формообразования прецизионных цилиндрических и конических деталей // Современные проблемы машиностроения: Тез. докл. меадунар. ИГ конф. - Гомель, 1996.- С. 130 - 131.

3. Козерук A.C. Современные проблемы машиностроения и оптическая технология // Технология изготовления прецизионных оптических элементов: Тез. докл. НТ семинара - С.-Петербург, 1996.- С. 1G - 11.

4. Козерук A.C. Устройство для притирки деталей с прецизионными цилиндрическими и коническими поверхностями // СТИН. - 1997. -N 3.- С. 23 - 30.

5. A.c. 1495090 СССР, МКИ5 В 24 В 37/04, 13/00. Устройство для обработки плоских поверхностей оптических деталей / И. П. Филонов, А. С. Козерук, В. И. Шамкалович (СССР).- 23.07.89,—Бол. N 27. - 3 с. ,

6. A.c. 1505761 СССР. МКИ5 В 24 В 13/005. Узел крепления оптических деталей / И.П.Филонов, А. С. Козерук, В. И. Шамкалович (СССР). - 07.09.89. Бел. N 33. - 6 с. .

7. A.c. 1553343 СССР, МКИ5 В 24 В 13/00. Станок для обработки оптических поверхностей / И.П.Филонов, И.П.Петриковец, А.С.Козерук (СССР). - 30.03.S0. Бол. N12.-3 с.

8 A.c. 1579737 СССР, МКИ5 В 24 Б 13/005. Способ блокировки оптических деталей / И.П.Филонов, А. С. Козерук (СССР).- 23.07.90. Епл. N 27. - 5 с.

9. A.c..1537479 СССР, МКИ5 В 24 В 11/00. Устройство для обработки сферических поверхностей оптических деталей / И.П.Филонов.

A.C. Козерук, В. И. Шамкалович (СССР). - 23.10.90. Бяп. N3.-3 с.

10. A.c. 1645107 СССР, МКИ5 В 24 В 13/00. Устройство для обработки плоских поверхностей оптических деталей / A.C.Козерук, И.П.Филонов, И. П. Петриковец (СССР). - 30.04.91. Бел И 15,- 7 с.

11. A.c. 1763151 СССР, МКИ3 В 24 В 13/00. Станок для шлифования и полирования плоских оптических деталей / А.С.Козерук, И.П.Филонов, В. 0. Кузнечик (СССР). - 23.09.92. Бол. N 35.- 5 с.

12. A.c.1763156 СССР, МКИ5 В 24 В 37/04. Устройство для двусторонней обработки плоских деталей / A.C.Козерук, И. П. Филонов,

B. 0. Кузнечик (СССР). - 23.09.92 Бюл.Н 35.- 4 с.

13. A.c. 1775274 СССР, МКИ5 В 24 В 11/02. Автоматическая линия для обработки шариков / И.П.Филонов, A.C. Козерук А. Н. Нахват (СССР). - 15.11.92. Бюл. К 42.- 9 с.

14. A.c. 1775545 СССР, МКИ5 В 24 В 11/02. Способ обработки шариков

/ И.П.Филонов, А. С. Козерук, А. Н. Нахват С СССР). - 23.11.92. Бол. N43.-3 с.

13. Пат.2009834 RU, МКИ5 В 24 В 11/04. Способ автоматического управления обработкой сферических поверхностей / И.П.Филонов, Л.В.Курч, А. С. Козерук СРБ).- N 4944522; Заявл. 13.06.94; Опубл.-30. 03. 94.- 5 с.

16. Пат.2028914 RU, МКИ3 В 24 В 37/04. Устройство для двусторонней обработки плоских деталей / И.П.Филонов, А.С.Козерук, В.0.Кузнечик СРБ). - N 5034402; Заявл. 04.11.9"; Опубл. 20.02.95.- 4с.

17. Козерук Д. С., Филонов И- П., Климович Ф. Ф. и др. Двусторонняя обработка плоскопараллельных оптических деталей // Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в БГПА: Тез. докл. мождун. НТ конф.; В 8-ыи частях.-Минск. 19S5. - Часть 4. - С. 12 - 13.

18. Филонов И. П., Фе„эрцев Р. В., Козерук A.C. Повышение производительности процесса формообразования криволинейных прецизионных поверхностей // Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в БГПА: Тез. докл. междун. НТ конф. Й 8-ми частях. - Минск, 1995. - Ч. 2. - С. 91 - 92.

19. Козерук А. С., Филонов И. П., Климович Ф. Ф., Альхимович Г. П. Обработка цилиндрических прецизионных деталей // Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экологи? и защита окружающей среды: Тез.докл. междунар. НТ конф. - Минск, 19S5. - С. 63.

20. Козерук A.C., Филонов И. П., Климович Ф. Ф., Альхимович Г. П. Обработка конических прецизионных деталей // Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды: Тез. докл. междунар. НТ конф. -Минск, 1995,- С. 64.

£i. Козерук A.C., Филонов И.П., Федорцев Р.В. Двусторонняя обработка деталей со сферическими поверхностями // Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды: Тез.докл. междунар. НТ кснф. - Минск, 1995.- 0.65.

22. Филонов И. П., Губаревич В. Ю. , Козерук A.C. Управление износом рабочей поверхности инструмента // Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды: Тез. докл. междунар. НТ конф,- Минск, 1995.-С. 148.

23. Филонов И. П. , Климович Ф.Ф. , Козерук А. С. Управление формооб-зазованием прецизионных поверхностей деталей машин и приборов. - Минск: ДизайнПРО, 1995,- 208 с.

24. Козерук А. С., Филонова М. И. Технология производства микрошшз и товаров народного потребления из отходов оптической промышленности // Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии: Труды второй научно-технической конференции.- Гродно.

. 1997. - Ч. 2. - С. 245 - 252.

25. Филонов И. П. , Козерук А. С., Лшшкская Т. И и др. К вопросу о доводке наклеечных планшайб // Электронная промышленность.-1992.- N 3 - С. 43 - 44.

£6. Козерук А. С., Филонов И.О., Климович Ф. Ф., Кузнечик В.О. Улучшение качества плосхопараллальных поверхностей при шлифовке и полировке пластин // Электронная промышленность,- 1995.- N 2.-

с. se - 53. ;

27. Filonov I.P. , Kozeruk A.S. and Chembrovich V.I. Teoretical principles of a new high-efficiency method of forming glass balls from noncircular blanks // J.Opt. Technol.- 1995.- Vol.62, N 3,- P. 171 - 174.

23. Климович Ф. Ф.', Филонов И. П. , Козерук А. С.. Моделирование изнашивания инструмента и заготовок при обработке прецизиионных поверхностей //Трение и износ, - 1995. - Т. 16, 11 3 . - _С. 586-595.

29. Filor.ov I.P. , Chembrovich V.I..and Kozeruk A.S. Numerical sta-dis of the formation kinematics cf glass balis of microoptics // J. Opt. Technol. - 1935.- Vol.63, N5.- P.238 - 241.

30. Козерук А. С. , Филонова M. И. Устройство для пневмоцентробеююй обработки шариков // СТИН. - 1995 - N 10. - с. 46 - 47.

31. Filonov I.P. , Kozeruk A.S. and Kuznechik V.0. Regularities of the formation of plan-parallel items during two-sided processing of their surfaces // J. Opt. Technol.- 1195.- Vol.62. N 12. - P. 888 - 890.

32. Козерук А. С. , Филонов И. П. , Климович Ф. Ф. Обработка тонких пластин в условиях свободной притирки // Электронная промышленность. - 1993.-N 4. - 0.67 - 68.,

33. Ко.зерук А. С. , Филонов И. П. , Губаревич В. Ю. , Климович Ф. Ф. Технология двусторонней обработки тонких пластин повышенной точности // Электронная промышленность, - 1996.-N 4.- С 69 - 70.

34. Kozeruk A.S. . Klimovich F.F. , Filonov I. P. and Gubarevich V. Yu. Controlling the formation of then plates during two-sided processing // J.Opt. Technol.- 1996.- Vol.03, N 5,-

P. 408 - 410.

33. Козерук А. С., Филонов И. П., Губаревич В. Ю. и др. Устройство для двусторонней обработки деталей с прецизионными поверхностями // СТИН. - 1996. - N 9. - С. 20 - 22.

36. Козерук A.C., Киселев М. Г., Филонова М. И. Исследование процесса формообразования стеклянных шариков при сложном движении инструментов // Оптический журнал. 1996.- N12. - 6.58 - 61.

37. Филонова М. И., Киселев М. Г., Козерук А. С. Оценка динамической нагруженности устройства для обработки стеклянных шариков // СТИН. - 1997.- N 1,- С. 12 - 15.

38. Климович Ф. Ф. , Козерук А. С., филонов И. П. К вопросу о математическом моделировании процесса изнашивания сферических поверхностей // Оптический журнал. - 1997. -N 2. - С. 111-112.

39. Филонов И. П., Козерук А. С., Чембрович В. И. Кинетика формообразования шариков для микрооптики в поле сил инерции // Оптический- журнал. - 1997. - N 6. - 6.108 - 109.

40. Козерук А. С., Филонов И. П., Чембрович В. И. Исследования и'оптимизация процесса обработки шариков для микрооптики // Оптический журнал. - 1997.- N 6. - 0.110 - 112.

41. Филонов И.П., Козерук A.C., Кузнечик D.O. Управление формообразованием плоских поверхностей при двусторонней обработке // Оптический журнал.- 1997. - N 9.- С.98 - 100.

42. Козерук A.C. , Климович Ф.Ф., Филонов И.П.. Закономерности формообразования сферических поверхностей // Оптический журнал. I- 1997. N 9. - С. 102 - 104.

43. Козерук A.C. , Филонов И.П., Климович Ф.Ф. Выявление особенностей съема припуска при обработке конических поверхностей // Оптический журнал, - 1997,- N П. - С. 103 - 105.

44. Козерук A.C., Филонов И-П. , Климович Ф.Ф. Формообразование тел вращения в условиях свободной притирки // Оптический журнал. -1997,- N П. - С. 95 - 97.

РЭЗЮМЕ КАЗЯРУК ЛЛЬБШ СЦЯПАНАВ1Ч

К1 РА ВАН НЕ. ФОРМАУТВАРЭННЕМ ПРЭЦЫ31ЙНЫХ ПАВЕРХНЯУ ДЭТАЛЯ? МАШЫН I ПРИБОРА? НА АСНОВБ МАТЭМАТЫЧНАГА МАДЭЛ1РАВАННЯ

Ключавыя словы: матэматычиае мадэлфавакие, свабоднаа прышрка, тзхналапчка!: спадчышюсць, выкана^чы мехашзм, кЫематычиая перадатачная функция, зона кан-такту, ппеумацзнтрабежиая гг.рацоука.

Аб'ектам даследавання Уяуляецца узаемасувязь макрагеаметрьи фармфусмай па-верхш тэхналаНчнага абсталявання.

Мэта пвацы - стварэнне тэарэтычных ■ тэхналаг!чных асноу ыравання працэсам форма утварэчня прэцызШкых паверхня?.

У працы выкарыстоуваюцца метады тэарэтычнай механш, тэоры! мехашзма$' 1 машын, оптык!, тэхналоп! машина- I прыбораб^давання. Тэарэтыка - экспериментальный даследаванч! пряводзШся з выкарыстаннем ЭВМ 1 доследных узорау створанага тэхналапчнагн абсталявання.

Распрацаваны тзарэтычныя I тэхналапчныя асповы к!равання працэсам па-всрхневлй апрацоук!, што Уключаюць матэматычную мадэль, якая адлюстроувае асабл!васщ и!ску1 хуткасцау сл!згання з улкам змянеиня формы I размера^ прыщра 1 загатоук!; методику к1рав.1ния формаутварэннем, якая Уд!чвае тэхналапчную спад-чыннасць загатогДх; функцыянальную узаемасувязь наладачных парамгтрау тэхна-лаНчнага абсталявання з.заканамернасцяш зносу" шструменту I дэтал1; метад пнеумацлн грабсжнай апрацоук1 шкляных шарыкау.

Вып1к1 працы выклрыстс.^ваюзда у аптычнай 1 электроинай лрамысловасцчх, а таксама у напучальным працзсе.

Гал!на прымянення - матэматычиае мадэлфаваине працэсау формаутварзнак грэг.ызШных павер::няС ва умовах свабоддай прширк!! у пол! ст ¡нерди:.

33

РЕЗЮМЕ

КОЗЕРУК АЛЬБИН СТЕПАНОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕМ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Хлсчевиа слога: матеыатическое моделирование, свободная ••'.ри-■гмркл, технологическая наследственность, исполнительный механизм, кпнзкгтичесхая пэре даточная функция, зона контакта, пнэвмоцентро-озгнал обработка. '

Объектом, исследования является взаимосвязь макрогеомэтрии формируемой поверхности с наладочными параметрами технологического оборудования.

Цель работы - создание теоретических и. технологических основ управления процессом формообразования прецизионных поверхностей.

8 работе используются методы теоретической механики, теории чехаиизков и машин, оптики, технологии машино- и приборостроения. Тосретико-зкспериментальные исследования проводились с использсва-ччс-м ЭВМ и опытных образцов созданного технологического оборудования.

Разработаны теоретические и технологические основы управления процессом поверхностной обработки, включающие: математическую мо-ц,;ль, отрйЕаощуэ особенности перераспределения давления и скоростей скольжения с учетом изменения фермы и размеров притира и заго-?о£К>:; методику управления формообразованием, учитывающую технологическую наследственность заготовох; функциональную взаимосвязь наялдочних параметров технологического оборудования с закономер-чостякя износа инструмента и детали; метод пневмоцентробежной обработки стеклянных шариков.

Результаты работы испольсуются в оптической и. электронной промьгшленностях , а также в учебном процессе,

Область применения - математическое моделирование процессов формообразования прецизионных поверхностей в условиях свободной притирки и в поле сил инерции.

SUMMARY

ALBIN STEPANOVITCH KOZERUK

CONTROL OVER SHAPING PRECISION SURFACES OF PARTS OF MACHINES AND INSTRUMENTS THROUGH MATHEMATICAL MODELLING

KEY *ORDS: Mathematical modelling, free lapping, technological heredity, actuatoi, kinematic transfer function, contact area, pneumo-cyiitrifugal treatment.

The object of study is the relation between the macrogeometry of .the surface under shaping and the adjusting parameters of technological equipment.

PURPOSE OF VORK - Creation of theoretical.and technological fun-danwntals of control over the process of shapifig precision surfaces.

Used in the work are: Methods of Theoretical Mechanics, Theory of Mechanisms and Machines, Optics, Machine-Building and Instrument-Making Technology. Theoretical and experimental study has been carried out with the use of computer and prototypes of the created technological equipment.

Theoretical and technological fundaméntala of control over the process of surface treatment have been developed. They include: A mathematical model reflecting the particulars of redistribution of pressure and sliding speeds with regard to the changes of the lap & blank shap. and dimensions; shaping control methods allowing for the technological heredity of blanks; functional relations between the adjusting parameters of technological equipment arid mechanisms of wear' of instruments and parts; a method of pneumocentrIfuiral treatment of glass balls.

11» results of the work are applied in optical arid electronic industries as well as in the teaching process.

APPLICATION - mathematical modelling of processes of shaping precision surfaces under free lapping conditions and in the field of inertial forces.