Підвищення ефективності процесу алмазного свердління крихких неметалічних матеріалів - Автореферат

Не дивлячись на вищезгадані переваги, вживання неметалічних матеріалів стримується через складності процесів їх механічної обробки, повязаних з особливостями фізико-механічних властивостей неметалічних матеріалів (висока твердість, схильність до крихкої руйнації при місцевій незначній концентрації напруги) з одного боку, недостатньою вивченістю методів механічної обробки з іншого. При свердлінні отворів стан ТС змінюється з часом, різальна поверхня інструменту суттєво зношується, за період стійкості змінюється його різальна здатність, що наводить до появи великої кількості дефектів, і не дозволяє використовувати всі можливості процесу при свердлінні отворів в неметалічних матеріалах. Дослідити закономірності видалення матеріалу при алмазному свердлінні крихких неметалічних матеріалів, розробити аналітичні залежності для розрахунку знімання матеріалу, сил різання і зносу інструменту в процесі алмазного свердління з врахуванням складної стохастичної природи процесу і здійснити експериментальну перевірку адекватності цих моделей. Виявити і формалізувати взаємозвязки між технологічними параметрами і якістю свердління отворів при алмазному свердлінні крихких неметалічних матеріалів. На основі наукового положення про те, що процес алмазного свердління може бути представлений як взаємодія випадкових полів алмазного свердла і заготовки вперше встановлені взаємозвязки і закономірності формування знімання матеріалу і зносу інструменту, як результат одночасно протікаючих процесів: механічного різання і крихкої обємної руйнації матеріалу в зоні контакту алмазного свердла і заготовки в ході процесу алмазного свердління з поточними параметрами ТС та їх зміною з часом, а також вихідними параметрами процесу.При алмазному свердлінні відсутнє вільне видалення шламу із зони різання, тому свердління здійснюється при обовязковому використанні мастильно-охолоджуючих технологічних середовищ (МОТС). Огляд існуючих досліджень показує, що, не дивлячись на чималу кількість робіт, присвячених питанням моделювання процесів алмазного шліфування, для алмазного свердління все ще не розроблені аналітичні залежності, що дозволяють адекватно описувати процес з врахуванням його складної стохастичної природи. Для вивчення структури процесу алмазного свердління вона була розбита на окремі підсистеми: верстат, пристосування, інструмент, заготовка, МОТС, зона контакту заготовки з інструментом, яка є областю взаємного проникнення алмазних зерен в оброблюваний матеріал і виступів нерівностей заготовки в проміжки між зернами. Для оцінки зносу алмазного свердла в роботі було отримано інтегро-диференційоване рівняння: , (5) де - частота обертання свердла; - відносний знос, що визначається за рівнянням: , (6) де - температуропровідність оброблюваного матеріалу; - осьова сила різання; - швидкість різання; - час одиничного контакту алмазного зерна, - час генерування тепла;-площа контакту алмазного зерна, - теплопровідність алмазу; - емпіричні коефіцієнти; - нормальний тиск на поверхні контакту; - коефіцієнт, що визначається матеріалами тертьових тіл. Основними цілями дослідження були: Визначення впливу основних технологічних чинників (зернистість інструменту З, подача S, мікротвердість заготовки Hv та швидкість різання V) на параметри процесу (осьова сила різання і шорсткість поверхні), здобуття регресійних залежностей для розрахунку шорсткості поверхні, яка використовуватиметься як технічне обмеження при побудові граничних циклів управління процесом, і осьової сили різання, необхідної для перевірки адекватності розробленої теоретичної залежності.Для забезпечення стабільності якості свердління отворів в крихких неметалічних матеріалах алмазними свердлами процес алмазного свердління розглянутий як динамічна система, де формоутворення поверхні досліджується не лише в просторі, але і в часі. Для створення адекватної моделі розглянута схема процесу алмазного свердління, в якій враховано, що алмазні зерна не мають регулярної геометрії, розташовані на робочій поверхні інструменту на різних рівнях, при роботі зношуються і руйнуються. На основі розглянутої схеми процесу алмазного свердління і основних положень теорії абразивної обробки розроблені залежності для обчислення вірогідності видалення матеріалу в будь-якій точці зони контакту з врахуванням декількох одночасно протікаючих процесів формоутворення. Вони дозволяють прогнозувати знімання матеріалу, диференційовано оцінювати вплив окремих чинників на параметри якості деталі і швидкість протікання процесу. Розроблена кінцевоелементна імітаційна модель руйнації матеріалу при силовій дії алмазного зерна на заготовку в зоні різання при алмазному свердлінні, що дозволяє визначати складову знімання матеріалу за рахунок крихкої руйнації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Для забезпечення стабільності якості свердління отворів в крихких неметалічних матеріалах алмазними свердлами процес алмазного свердління розглянутий як динамічна система, де формоутворення поверхні досліджується не лише в просторі, але і в часі. На основі системного підходу розглянута структура процесу алмазного свердління, сформульовані основні положення і принципи аналізу процесу алмазного свердління. При структурному аналізі процес алмазного свердління розділена по функціональних ознаках на підсистеми верстата, пристосування, інструменту, деталі, МОТС, зони контакту. Визначені вхідні, вихідні змінні і параметри стану кожної з підсистем.

2. Для створення адекватної моделі розглянута схема процесу алмазного свердління, в якій враховано, що алмазні зерна не мають регулярної геометрії, розташовані на робочій поверхні інструменту на різних рівнях, при роботі зношуються і руйнуються. На основі розглянутої схеми процесу алмазного свердління і основних положень теорії абразивної обробки розроблені залежності для обчислення вірогідності видалення матеріалу в будь-якій точці зони контакту з врахуванням декількох одночасно протікаючих процесів формоутворення. Вони дозволяють прогнозувати знімання матеріалу, диференційовано оцінювати вплив окремих чинників на параметри якості деталі і швидкість протікання процесу.

3. Розроблена кінцевоелементна імітаційна модель руйнації матеріалу при силовій дії алмазного зерна на заготовку в зоні різання при алмазному свердлінні, що дозволяє визначати складову знімання матеріалу за рахунок крихкої руйнації.

4. Розроблені нестаціонарні теоретико-імовірнісні моделі для розрахунку сил різання і зносу інструменту в процесі алмазного свердління. При побудові враховані розмірний знос, процеси сколювання і виривання одиничних абразивних зерен з звязки під дією складових сил різання з врахуванням ймовірності контакту зерен з матеріалом, величини площадок зносу і дійсної глибини мікрорізання.

5. Проведені дослідження за визначенням впливу схеми закріплення заготовки на товщину бічних сколів, що утворюються на виході отвору. Розроблені кінцевоелементні моделі для розрахунку товщини бічних сколів на виході отвору при різних схемах закріплення заготовки при алмазному свердлінні отворів.

6. Розроблений формалізований математичний опис процесу алмазного свердління, що дозволяє для будь-якого моменту часу при різних алгоритмах зміни режиму визначати фазові координати технологічної системи (взаємне розташування інструменту і заготовки, параметри зони контакту "інструмент - заготовка"), параметри якості оброблюваної поверхні (шорсткість, товщину сколу), вихідні параметри процесу (швидкість знімання припуску, знос інструменту). Розроблений математичний опис дозволяє вирішити завдання побудови граничних циклів управління процесом алмазного свердління, при яких забезпечується мінімально можливий машинний час або мінімальна собівартість обробки деталей при обмеженнях якості поверхні виробу не гірше потрібного за прийнятою технологією.

7. Виконані розрахунки дозволили розробити керуючі програми, що дозволяють щонайкраще здійснювати обробку отворів в крихких неметалічних матеріалах, ефективність яких доведена результатами впровадження на севастопольському ювелірному заводі «Санси плюс» з річним економічним ефектом в 23400 грн.

1. Братан С.М. Взаимосвязь перемещений в технологической системе при алмазном сверлении неметаллических материалов / С.М. Братан, С.И. Рощупкин // Вісник Сумського державного технічного університету. Науковий журнал. Серія «Технічні науки». Видавнитство СУМДТУ. Вип. №1-2008-С. 49-53. (Здобувачем розроблено схему процесу алмазного свердління, отримане рівняння, що характеризує баланс переміщень в ТС).

2. Братан С.М. Моделирование формообразования отверстий при алмазном сверлении неметаллических материалов/ С.М. Братан, С.И. Рощупкин // Високі технології в машинобудуванні. Зб. наук.пр. ХНТУ: Харків, Вип.2(17) -2008-С. 54-59. (Здобувачем запропоновано розглядати процес видалення матеріалу при алмазному свердлінні крихких НМ як результат взаємодії процесів микрорізання і крихкої обємної руйнації).

3. Братан С.М. Моделирование сил резания, возникающих при алмазном сверлении / С.М. Братан, С.И. Рощупкин // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. - Краматорськ, вип. №26, 2010. - С. 233-238 (Здобувачем отримана залежність для розрахунку кількості зерен, які контактують з матеріалом заготовки).

4. Рощупкин С.И. Исследование боковых сколов, возникающих при алмазном сверлении хрупких неметаллических материалов/ С.И. Рощупкин, С.М. Братан // Вісник СЕВНТУ. Машиноприладобудування та транспорт: зб. наук. праць. - Севастополь: Вид-во СЕВНТУ, 2010. Вип. 111. - C. 144-147. (Здобувачем розроблені кінцевоелементні моделі для розрахунку товщини бічних сколів при різних способах закріплення заготовок, проаналізовані результати досліджень).

5. Рощупкин С.И. Моделирование работы единичного зерна при алмазном сверлении оксидной керамики Al2O3 методом конечных элементов/ С.И. Рощупкин // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Машинобудування і машинознавство». Випуск 7 (166). - Донецьк: ДВНЗ «ДОННТУ», 2010. С. 60-64.

6. Рощупкин С.И. Экспериментальное исследование влияния технологических параметров процесса алмазного сверления неметаллических материалов на силы резания и шероховатость поверхности / С.И. Рощупкин // Вісник СЕВНТУ. Машиноприладобудування та транспорт: зб. наук. праць. - Севастополь: Вид-во СЕВНТУ, 2010. Вип. 111. - C. 148-151.

7. Рощупкин С.И. Управление процессом алмазного сверления на автоматизированном оборудовании / С.И. Рощупкин // Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво: тези доповідей IX всеукраїнської молодіжної наук.-техн. конф., 26-77 листопада 2009 р., Запоріжжя / відп. ред. Ю. М. Внуков. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2009. -С. 14-16.