Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих способов формообразова ния и методов обработки алмазов 12
1.1. Физико-технические и эстетические свойства алмазного сырья 12
1.2. Анализ методов огранки алмазов 18
1.3. Анализ способов формообразования изделий из твердоструктурных материалов 32
1 .4, Технические требования к качеству обработки алмазов 40
1.5. Выводы. Цель и задачи диссертационного исследования 42
1.5.1. Выводы 42
1.5.2. Цель и задачи диссертационного исследования 43
Глава 2. Исследование процесса пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ 45
2.1. Теоретические основы формирования пластической деформации при шлифовании алмазов 45
2.2. Процесс пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ 53
2.3. Математическое описание процесса пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ 60
2.4. Выводы 79
Глава 3. Методика проведения экспериментального исследования процесса пластического шлифования алмазов ...80
3.1. Задачи экспериментального исследования 80
3.2. Объект экспериментального исследования 80
3.3. Оборудование, применяемое при проведении экспериментального исследования 81
3.4. Инструмент, используемый для проведения экспериментального исследования 88
3.5. Датчики, применяемые в ходе экспериментального исследования 89
3.6. Порядок проведения экспериментального исследования 91
Глава 4. Результаты экспериментального исследования процесса пластического шлифования алмазов 96
4.1. Основные данные, полученные в ходе экспериментального исследования 96
4.2. Алгоритм обработки экспериментальных данных 104
4.3. Анализ результатов экспериментального исследования 109
4.4. Выводы по результатам экспериментального исследования 115
Глава 5. Оптимизация технологического процесса групповой обработки алмазов и результаты его внедрения 116
5.1. Критерии выбора рациональных параметров процесса групповой обработки алмазов 116
5.2. Требования, предъявляемые к оборудованию при групповой обработке алмазов 117
5.3. Оптимизация технологического процесса групповой обработки алмазов в бриллианты 119
5.4. Результаты внедрения технологического процесса групповой обработки алмазов в бриллианты 125
5.5. Выводы 128
Заключение 130
Список используемой литературы 131
Приложения 142
- Анализ способов формообразования изделий из твердоструктурных материалов
- Процесс пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ
- Оборудование, применяемое при проведении экспериментального исследования
- Выводы по результатам экспериментального исследования
Введение к работе
Актуальность работы: Обработкой алмазов человечество занимается с древнейших времен. Россия, занимая первое место в мире по объему разведанных запасов алмазов, с конца 1990-х годов активно развивает отечественную гранильную промышленность.
В соответствии с правительственной концепцией реформы алмазно-бриллиантового комплекса добыча алмазов в Российской Федерации к 2010 году должна увеличиться до 3 млрд. долларов США в год по сравнению с почти 2,238 млрд. долларов США в 2005 году. Поэтому актуально развивать обрабатывающую отрасль и экспортировать готовые изделия, а не алмазное сырье, так как в России добывается примерно 20% мирового объема алмазов. Особенности современного рынка драгоценных камней выдвигают новые требования к алмазообрабатываю-щей промышленности. Повышающийся спрос, возрастающая стоимость сырья, конкуренция со стороны стран с дешевой рабочей силой, привели к тому, что решающим фактором для алмазообрабатывающего предприятия становится гибкость технологического процесса. Существуют предприятия, которые специализируются на огранке дорогих бриллиантов. Другая часть предприятий, в ущерб качеству изделий, за счет дешевого сырья и рабочей силы ориентируется на количество. Это две крайности, но в реальности необходимо, чтобы современное предприятие умело рентабельно работать как с дешевым сырьем, обеспечивая малый процент потерь и хорошую производительность, так и с дорогим сырьем, обеспечивая выполнение всех требований по качеству конкретного заказчика. Существует также проблема с огранкой мелкого сырья, которого добывается больше половины от общего количества алмазов, добываемых в мире. Данные по массе добываемых алмазов приведены на рис. 1. [102]
Очевидно, что осуществление технологического процесса обработки алмазов с получением качественных изделий возможно при наличии высококвалифициро-
ванного персонала и управляемого и контролируемого производства. По существующей технологии окончательную обработку алмазов в бриллианты осуществляют вручную на основании субъективного контроля размерных параметров, сходимости граней и качества обработки. При этом огранщик контролирует качество изделий, руководствуясь своим опытом и навыками. Контроль процесса обработки зависит от квалификации огранщика. Хотя для операции огранки привлекают мастеров - огранщиков высокой квалификации, невозможно осуществить объективные контроль и управление процессом обработки алмазов. Качество получаемых бриллиантов, как правило, оказывается невысоким из-за отсутствия повторяемости и однозначности при оценке выходных параметров обработки.
Соотношение количества (в процентах) добываемых алмазов в мире к их массе
ю о
а*
58,8
и«
6.9
Масса, кар
1,7 1,7 о,6 1-7
0,99-1,48 1,49-1,98 о 1,99-2,48 D 2,49-2,98 ^2,99-3,48 а 3,49-3,98 3,99-4,48 О 4,49-4,98 4,99-5,48
Рис. I. Диаграмма соотношения количества (в процентах) добываемых алмазов в мире к их массе ГЮ21
В настоящее время стало возможным обрабатывать хрупкие материалы шлифованием так, что преобладающим механизмом становится не хрупкое, а пла-
стическое разрушение. Основываясь на теории физической мезомеханики, разработанной Паниным В.Е., в работах Коньшина А.С., Сильченко О.Б., Тепловой Т.Б были проведены исследования по пластическому шлифованию твердо структурных материалов и алмазов. Пластическое шлифование - процесс массового скоростного микрорезания поверхностных слоев твердых тел большим числом мельчайших шлифующих зерен, сцементированных в инструменте с помощью связки, при котором съем материала происходит порциями мезообъемов со скоростью врезной подачи порядка нескольких нанометров на один оборот шлифовального круга. При таком шлифовании в режиме пластичности обработанная поверхность получается примерно с такими же характеристиками как после процесса полирования. Обработка алмазов на многокоординатном станочном модуле с ЧПУ на основе использования компьютерного управления технологией размерно - регулируемого пластического шлифования позволяет получить высокотехнологичные изделия для нано- и микроэлектроники, медицины, а также ювелирной промышленности. При этом в зависимости от цели применения обработанного алмаза могут быть использованы различные технологические приемы и режимы шлифования.
Решением проблемы повышения производительности огранки является использование автоматизированного процесса одновременной групповой обработки алмазов с выбором рациональных режимов. Чтобы автоматизировать групповую огранку необходимо осуществлять контроль этого процесса, прежде всего при обработке каждого отдельного алмаза в реальном масштабе времени. Для этого необходимо формализовать процесс обработки, сделать его объективным и независимым от субъективных оценок огранщика. Автоматизация технологии обработки алмазов возможна на основе постоянного контроля параметров пластического шлифования с тем, чтобы в нужный момент оперативно внести соответствующие коррективы в этот процесс, Одновременно с повышением качества и эффективно-
7 сти производства ставится задача сокращения дефицита рабочих - огранщиков,
которые могут быть заменены операторами станков с ЧГТУ.
Целью работы является: создание технологии автоматизированного шлифования поверхностного слоя при групповой обработке алмазов, позволяющей получать стабильно высокое качество обрабатываемой поверхности при множественной повторяемости изготовленных изделий.
Для достижения указанной цели требуется решение следующих задач:
создание режимов автоматического пластического шлифования для получения заданного качества обрабатываемых алмазов;
создание способа диагностирования и контроля параметров пластического шлифования при групповой обработке алмазов в реальном масштабе времени;
исследование зависимостей шероховатости от скорости подачи, зернистости шлифовального круга.
Научные положения, разработанные соискателем и их новизна:
Математическая модель для определения режимов процесса группового шлифования алмазов, учитывающая в реальном масштабе времени входные и выходные параметры процесса обработки, позволяющая получать оперативную и достоверную информацию, достаточную для последующего целенаправленного воздействия на процесс обработки.
Математическая модель для управления процессом пластического шлифования при групповой обработке алмазов на станках с ЧПУ, позволяющая повысить качество получаемых изделий и производительность огранки.
Зависимость шероховатости обрабатываемой поверхности при групповой обработке алмазов от соотношения продольной скорости подачи и зернистости шлифовального круга.
8 4, Зависимость производительности процесса групповой обработки алмазов и качества получаемых изделий от геометрического расположения заготовок в кассете.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций - базируется на математическом анализе колебаний упругих обрабатывающих систем; теории математического моделирования; использовании в математических моделях основополагающих законов физики твердого тела, физической мезомеханики, минералогии, кристаллографии, теории абразивно-алмазной обработки твердоструктурных материалов; обобщении многолетней эксплуатации опытного трехкоординатного образца станочного модуля при шлифовании твердоструктурных материалов (таких как алмаз, лейкосапфиры, керамика и др.); статистических методах анализа информации в реальном масштабе времени;
- подтверждается широким объемом экспериментальных результатов и опытных данных, осциллограммами и результатами компьютерной обработки данных, позволивших установить в реальном масштабе времени взаимосвязь математических моделей и алгоритмов, идентифицирующих фактические физические параметры для управления процессом группового резания в соответствии с принятой моделью физической мезомеханики.
Погрешность оценки результата экспериментального исследования при нормальном законе распределения составляет 18,9 %.
Научное значение работы:
1. Доказана возможность автоматического управления процессом пла
стического шлифования алмазов независимо от анизотропных свойств каж
дого отдельного изделия при групповой обработке.
2. Установлены конкретные зависимости изменения шероховатости по
верхности алмаза от продольной скорости подачи и зернистости шлифо
вального круга.
9 3. Обеспечение режима пластического шлифования с учетом технических ограничений, налагаемых на условия процесса разрушения поверхностного слоя алмазов, является основным фактором достижения высокого качества обрабатываемой поверхности. Практическое значение работы
Разработан способ оперативного контроля технологических параметров процесса пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ.
Оптимизирован процесс групповой обработки алмазов, учитывающий основные параметры процесса пластического шлифования на станках с ЧПУ.
Получена шероховатость обработанной поверхности с показателем Ra порядка 0,03 - 1,5 нм.
Разработаны рекомендации, позволяющие обрабатывать алмазы, независимо от их анизотропных свойств, и изготавливать изделия сложной формы с требуемой шероховатостью поверхности. Это позволяет повысить производительность в среднем в 18,7 раз за счет использования группового метода обработки кристаллов.
Объект исследования - технологический процесс автоматизированной групповой обработки алмазов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на XI Международном симпозиуме «GEOTECHNIKA - GEO-TECHNICS 2004» (Польша, г. Устронь, 2004 г.), на VII Всероссийской научной конференции «Дизайн и технология художественной обработки материалов» (г. Златоуст, ЮУрГУ, 2004г.), на IV Международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня», (г. Магнитогорск, МагГТУ, 2004 г.) на научных симпозиумах «Неделя Горняка» (г. Москва, Московский государственный горный университет. 2004,2005,2006 гг.).
Результаты исследований позволили сформулировать и реализовать в ЗАО «ТехИнвест» технологию пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ с получением стабильно воспроизводимых высококачественных изделий независимо от влияния субъективных факторов (уровня квалификации оператора).
Результаты исследования могут быть применены в ограночньгх производствах с гибкой системой комплексной автоматизации технологии обработки алмазов в бриллианты.
Реализация выводов работы
Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в виде:
математической модели пластического шлифования твердоструктурных минералов, взаимоувязывающей входной силовой параметр обработки со скоростью съема припуска и шероховатостью обрабатываемой поверхности;
математической модели для управления процессом обработки алмазов при реализации предложенной модели пластического шлифования обрабатываемого материала на основе контроля над процессом;
программ обработки алмазов для их реализации на персональных компьютерах;
методических указаний по оптимизации технологического процесса;
методических указаний по выбору рациональных режимов формообразования бриллиантов и уточнения технических требований к упругой обрабатывающей системе.
Настоящая работа состоит из пяти глав.
В первой главе рассматриваются существующие методы огранки алмазов и сверхтвердых материалов. Описаны физико-технические и эстетические свойства алмазного сырья. Приведены технические требования к качеству обработки алмазов. Проанализированы способы формообразования изделий из твердоструктур-
II ных материалов, указаны пути повышения производительности процесса обработки.
Вторая глава посвящена исследованию процесса пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ. Рассматриваются теоретические основы формирования пластической деформации при шлифовании алмазов. Предлагается способ пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках ЧПУ. Во второй главе представлено разработанное впервые математическое описание процесса пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ. Разработана математическая модель для определения оптимального режима процесса группового шлифования алмазов, также сформулирована математическая модель для управления процессом пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ.
Третья глава включает методику проведения экспериментального исследования процесса пластического шлифования алмазов, где описывается оборудование, инструмент, датчики, используемые в ходе эксперимента, а также порядок его проведения.
В четвертой главе приводятся данные, полученные в ходе эксперимента, а также результаты экспериментального исследования, при анализе которых выявлены зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности алмаза от продольной скорости подачи и от зернистости обрабатывающего шлифовального круга.
Пятая глава описывает оптимизацию технологического процесса групповой обработки алмазов на станке с ЧПУ АН15Ф4, где указаны требования к оборудованию. Сформулированы критерии выбора рациональных параметров при групповой обработке алмазов. Приведены результаты внедрения процесса групповой обработки алмазов в производство.
Окончена работа заключением.
Анализ способов формообразования изделий из твердоструктурных материалов
Существует множество способов формообразования изделий из хрупких высокотвердых материалов, таких как алмаз. Последние достижения в повышении точности механической обработки открыли новые возможности обработки хрупких и высокотвердых материалов.
Один из способов, описанный в [5], относится к ультразвуковой алмазно-абразивной обработке поверхностей плоских деталей из трудно обрабатываемых хрупких материалов. Способ заключается в следующем: абразивную пасту или суспензию подают в зазор между обрабатываемой деталью и инструментом - шлифовальником, которому сообщают продольные колебательные движения и дополнительно возвратно-поступательное перемещение на расстояние, кратное длине полуволны ультразвуковых колебаний, но не более длины инструмента - шлифовальника. Направление его перемещения совпадают с направлением ультразвуковых колебаний. При этом шлифуемой или полируемой детали сообщают вращательное движение вокруг оси, перпендикулярной обрабатываемой поверхности. Прижим детали к инструменту - шлифовальнику осуществляется с усилием, которое не превышает величину поверхностного натяжения абразивной пасты или суспензии с поверхностями инструмента - шлифовальника и обрабатываемой детали. Такие действия повышают качество обработки поверхности хрупкого материала за счет уменьшения величины нарушенного поверхностного слоя, а также снижают трудоемкость процесса шлифования и полирования поверхности хрупких материалов.
Максимальный съем материала детали происходит в зоне максимальной амплитуды колебаний инструмента - шлифовальника (волновода), одновременно со съемом материала инструмента - шлифовальника. Недостатками данного способа являются: большая энергоемкость процесса (из-за низкого КПД), невысокая производительность.
А в работе [66] предложен способ обработки поверхности алмаза лучом лазера, имеющим длину волны в пределах от 190 до 360 нм (рис. 1.10). Предпочтительно, чтобы плотность световой мощности облучающего луча находи-лась в области от 10 до 10 Вт/см . Хорошие результаты обработки могут быть достигнуты при использовании пульсирующего лазерного луча с плотностью энергии на один импульс равной от 10" до 10 Дж/см2[66].
Установлено, что падающий луч, имеющий длину волны от 400 нм или менее, оказывает влияние на углерод - углеродные связи, имеющиеся в алмазе, вследствие чего изменяются свойства этих связей.
В результате изучения реакции взаимодействия лазерного луча с алмазом было обнаружено, что алмаз можно обрабатывать без нанесения повреждения с высокой эффективностью путем облучения лучом, имеющим длину волны от 360 нм и менее. Лазерный луч, имеющий длину волны в области от 190 до 360 нм, наиболее эффективен при обработке алмаза. В вышеприведенной области длин волн 100% поглощение луча осуществляется только поверхностным слоем алмаза, поэтому он не проникает внутрь и не вызывает нарушений внутреннего строения кристалла [66].
Для обработки используются следующие источники света: эксимерные лазеры F2, ArF, KrCl, XeCl, N2, XeF, ртутная лампа и синхротронный орбитальный облучающий (SOR) свет. Для облучения может быть использован луч непрерывного спектра, и альтернативно полоса длин волн может быть сужена оптическим фильтром и т. п.
В общем, лучи от этих световых источников не являются параллельными, а они расходятся в любом направлении при определенном угле. Для обычных целей этот недостаток не рассматривается в качестве серьезной проблемы. Однако в случае, когда обработку проводят с точностью порядка меньше микрона, необходимо сделать лучи параллельными. Лазерные лучи можно излучать через резонанс, используя резонансное зеркало при нестабильных условиях, что является одним из способов сделать лазерные лучи параллельными [66],
Для повышения эффективности обработки в процессе огранки кристалла необходимо погрузить обрабатываемую область в водный раствор кислоты, щелочи либо в спирт или кетон, а затем проводить обработку, Жидкость наподобие кетона увеличивает равномерность распределения энергии лазерного луча по поверхности обрабатываемого материала. Это происходит потому, что выбранная длина волны лазера совпадает с длиной волны частиц кетоновой группы. Вследствие этого процесс обработки протекает интенсивнее, но качество поверхности ухудшается.
Если необходимо предотвратить обработку определенной части поверхности алмаза, нужно ее покрыть слоем частиц (диаметр частицы от 0,5 до 10 нм) из алюминия, нитрида кремния или слоем жидкости, такой как силиконовое масло и т. п., а затем облучить лазерным лучом, имеющим длину волны от 190 до 360 нм. Было получено, что слой частиц алюминия, нитрида кремния или жидкости, такой как силиконовое масло, не пропускают луч с длиной волны от 190 до 360 нм. Поэтому такой участок алмаза не шлифуется, а обрабатывается только открытая часть алмаза. Для того чтобы экранировать луч, необходим коэффициент поглощения от 1 102 см"1 и более.
Процесс пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ
Процесс пластического шлифования алмазов при групповой обработке на станках с ЧПУ включает в себя: технологический процесс пластического шлифования, автоматизированную систему управления и контроля технологических параметров обработки. Предлагаемый в данной работе способ пластического шлифования изделий, преимущественно из сверхтвердых и хрупких материалов, осуществляют посредством упругой обрабатывающей системы шлифовального станка АН15Ф4 с программным управлением, имеющего производящую инструментальную поверхность со связанными режущими зернами. Процесс пластического шлифования алмазов составлен для станков с ЧПУ подобного типа.
Процесс обработки алмазов можно представить в виде технологической системы пластического шлифования, которая включает в себя входные и выходные параметры обработки изделий (рис. 2.4).
После задания входных параметров обработки осуществляют шлифование обрабатываемой поверхности заготовки изделия путем сложного движения, являющегося результатом вращательного движения производящей инструментальной поверхности, многопроходных реверсивных продольных перемещений точек касания обрабатываемой поверхности с производящей инструментальной поверхностью по расчетной траектории производящей инструментальной поверхности и осуществляемых в момент каждого реверса врезных подач по нормали к плоскости формообразования до получения готового изделия.
Перед началом шлифования производится размерная настройка упругой обрабатывающей системы станка с программным управлением. Для этого базируют обрабатывающий инструмент, обрабатываемые изделия, настраивают механизмы перемещений исполнительных органов станка относительно друг друга таким образом, чтобы теоретически получить изделие с заданными размерами.
Вводят в память устройства управления шлифовального станка предел упругости обрабатывающей системы на сжатие, заданные размеры готового изделия, заданную высоту микронеровностей на обработанной поверхности готового изделия, расчетные параметры интенсивности съема припуска с обрабатываемой поверхности заготовки изделия. Указанные параметры интенсивности включают, например, скорость вращения шлифовального круга, скорость продольного перемещения режущих зерен производящей инструментальной поверхности с обрабатываемой поверхностью по траектории производящей инструментальной поверхности в плоскости формообразования, глубину дискретных врезных подач для съема припуска в каждом проходе, осуществляемых в момент реверса указанных продольных перемещений, количество проходов и расположение траектории этих перемещений и другие параметры, необходимые для осуществления процесса шлифования.
Перед шлифованием на производящей инструментальной поверхности формируют режущие зерна, вершины которых выступают из связки на одинаковую высоту, с целью осуществления в процессе формообразования врезной подачи, которая примерно равна величине заданной шероховатости, что позволяет реализовать пластическое деформирование обрабатываемого материала.
При этом в процессе формообразования непрерывно измеряют величину статической и величину динамической составляющих силы резания, и по результатам измерений определяют величину статической и динамической составляющих упругой деформации обрабатывающей системы. При этом в процессе указанных измерений определяют момент появления периодически равномерной величины динамической составляющей силы резания, соответствующий моменту выхода обрабатывающей системы станка на управляемый режим шлифования, при котором непрерывно осуществляют корректировку одного или нескольких параметров интенсивности съема припуска так, чтобы в процессе обработки величина динамической составляющей упругой деформации обрабатывающей системы не превышала заданную высоту микронеровностей на обработанной поверхности готового изделия, а сумма величин статической составляющей и динамической составляющей упругой деформации обрабатывающей системы станка не превышала заданного предела упругости на сжатие этой системы [92].
Согласно предлагаемому способу шлифование может быть осуществлено посредством одной или более (двумя, тремя) производящими инструментальными поверхностями режущего инструмента (шлифовального круга). Перед началом обработки производят настройку шлифовальных кругов. Каждый шлифовальный круг имеет одинаковые между собой внутренние и наружные диаметры (D] и D2) производящей инструментальной поверхности. Располагают производящие инструментальные поверхности каждого шлифовального круга на одном уровне относительно плоскости формообразования (совмещают с плоскостью формообразования), совпадающей с началом отсчета (базой отсчета) в размерной настройке упругой обрабатывающей системы шлифовального станка вдоль координатной оси Z станка (рис. 2.5). Производящая инструментальная поверхность состоит из выступов алмазных зерен, число таких выступов (т) выбирают из условия, что количество таких выступов не должно превышать количества единичных режущих зерен с конкретной зернистостью (Ь), расположенных по периферии производящей инструментальной поверхности, предназначенной для съема припуска [92].
Оборудование, применяемое при проведении экспериментального исследования
Для проведения экспериментального исследования использовалась установка, предоставленная ООО «Тиссанта». Данная установка разработана под руководством Коньшина А.С. [92]. Структурная схема установки приведена на рис. 3.1.
Она состоит из станка с ЧПУ, осциллографа АСК-2021, двухканального PC осциллографа Velleman PCS64i, пьезоэлектрического датчика силы, усилителя сигнала датчика силы, персонального компьютера и оптического бесконтактного интерферометра Zygo NewView 5000, которым проводится проверка качества поверхности обрабатываемого материала. Для исследования обработки твердоструктурных материалов использовался станочный модуль с ЧПУ мо дели АН15Ф4, созданный в АОЗТ «АНКОН» [92] (рис. 3.2). Технические характеристики станочного модуля АН15Ф4 приведены в табл. 3.2.
Станочный модуль позволяет реализовать технологию размерно-регулируемого шлифования со сверхнизкой врезной подачей, и предназначен для обработки хрупких и сверхтвердых материалов и минералов в режимах, при которых преобладающим механизмом удаления припуска является не хрупкое, а пластическое разрушение. Одной из важных особенностей станочного модуля является возможность выполнения, как шлифовальных операций, так и доводочного шлифования с одной установки, что обеспечивается автоматической сменой инструмента в позиции обработки.
Конструкция данного 6-ти координатного станочного модуля позволяет обеспечить жесткость упругой обрабатывающей системы в направлении нормали к обрабатывающей поверхности - 120 (Н/мкм), диапазон изменения врезных подач - (10... 1250) (нм/об), осевое биение шлифовального шпинделя - менее 40 им, биение режущей поверхности шлифовального круга - менее 0,1 мкм.
Установка, схема которой представлена на рис. 3.3, состоит из шлифовального станка (1), упругой обрабатывающей системы (УОС) (2), в которую входит станина (3); приспособление (4) для крепления режущего инструмента (5), имеющего производящую поверхность (6); суппорта (7), на котором установлен стол (8) с приспособлением (9) для крепления обрабатываемых изделий (10). Установка имеет приводы (11,12) продольного перемещения стола в плоскостях формообразования по координатным осям X, У станка и привод (13) перемещения суппорта со столом по координатной оси Z станка по нормали к плоскости формообразования; привод (14) вращения приспособления для крепления режущего инструмента (шлифовального круга) и средство числового программного управления (15); а также управляющие выходы (16,17,18,19).
Стол станка перемещается в продольном направлении по направляющим крестового суппорта ременной передачей от двигателя ДК-1-5.2-П постоянного тока и червячного редуктора с передаточным числом 1:18. Скорость стола ре гулируется бесступенчато изменением числа оборотов двигателя привода стола. Реверс стола осуществляется от бесконтактных путевых выключателей. Крестовый суппорт имеет поперечное перемещение вдоль оси Y по направляющим от механизма перемещения в виде червячного редуктора с передаточным числом 50 от шагового двигателя ШД5Д1М.
Вертикальная подача вдоль оси Z осуществляется перемещением крестового суппорта по поперечным направляющим, расположенным с наклоном 1:10 относительно (ось X) направляющих стола, по крестовой шпонке. Привод вертикальной подачи осуществляется от шагового двигателя ШД5Д1М через механизм вертикальной подачи в виде червячного редуктора с передаточным числом 1:50 и винтовой парой качения с шагом 6 мм. Величина вертикального перемещения стола относительно инструмента составляет 10 мм. Перемещение вдоль наклонной направляющей станины с дискретностью в 0,5 мкм дает врезную подачу 0,05мкм.
Три шлифовальных шпинделя, закрепленные в расточках револьверной головки, поочередно перемещаются в зону обработки ее поворотом на 120 град, в обе стороны от начального положения. Механизм поворота револьверной головки выполнен в виде червячного редуктора с передаточным числом 50 и прямозубой пары с передаточным числом 9:111. Двигатель привода механизма поворота револьверной головки - ШД5Д1М.
Заготовка запрессована в цанговом патроне. Установка обрабатываемого изделия на угол грани (ось В) осуществляется поворотом шпинделя винтовой зубчатой передачей. Установка обрабатываемого изделия на угол поворота грани (вокруг оси А) осуществляется поворотом люльки, несущей шпиндель, от двухступенчатого червячного редуктора с общим передаточным числом 1500 и шагового двигателя ШД5Д1М.
Блок-схема управляющей системы станка представлена на рис. 3.4, на котором показано, как происходит воздействие на обрабатываемый материал, как сигнал с датчика силы поступает в устройство ЧПУ, где анализируется.
Станок обладает необходимой мощностью и жесткостью УС для обработки сверхтвердых и хрупких материалов. Приводы координатных перемещений вдоль осей X, У и Z, позволяют регулировать продольную и поперечную подачи по любому закону, от системы ЧПУ в широком диапазоне скоростей.
Выводы по результатам экспериментального исследования
Процесс групповой обработки твердоструктурных материалов, таких как алмаз, в режиме пластического шлифования должен функционировать практически бесперебойно с максимально возможной производительностью. Функционирование любого технологического процесса зависит от нескольких факторов, которые определяют возможности применения тех или иных режимов, оборудования, инструмента для данного технологического процесса.
При проектировании технологических параметров групповой обработки алмазов в режиме пластического шлифования необходимо придерживаться критериев, являющихся основополагающими для рационального использования сырья и оборудования.
Одними из основных критериев выбора рациональных параметров является производительность процесса огранки, управляемость процесса обработки в реальном масштабе времени, качество изделий. Технологические режимы процесса групповой обработки алмазов в бриллианты в режиме пластического шлифования должны выбираться с учетом данных критериев.
Рассмотрим подробно выше приведенные критерии. Повышение производительности необходимо для увеличения экономической эффективности предприятия, получение большего количества изделий при одинаковых затратах на оборудование, трудозатраты, электроэнергию и т.д.
Повышение качества изделий необходимо с целью повышения конкурентоспособности продукции на мировом рынке.
Необходимость управления процессом обработки твердоструктурных материалов в реальном масштабе времени объясняется тем, что возможность контролировать процесс во время обработки позволит сэкономить время и затраты на перешлифовку.
Для выполнения выше перечисленных критериев необходима технология обработки алмазов, которая принципиально отличается от существующей в настоящее время ручной огранки. Такой технологией является групповая обработка алмазов в бриллианты, обобщенная система которой приведена во второй главе данной работы. Применение подобной технологии позволит увеличить производительность готовых изделий в несколько раз (подробный расчет приведен в пункте 5.4). Бриллианты, полученные в результате групповой огранки, соответствуют требованиям к качеству обработки по форме и шероховатости обработанной поверхности. Данная технология позволит минимизировать затраты на изготовление бриллиантов, за счет увеличения количества обрабатываемых изделий, управления процессом в реальном масштабе времени, автоматизации процесса огранки, сокращения требований к квалификации и количества рабочих кадров.
Оборудование, предназначенное для групповой обработки алмазов в бриллианты, должно обеспечивать обработку хрупких и высокотвердых материалов в режиме пластического шлифования, которое позволяет получить обработанную поверхность с заданными значениями шероховатости порядка: Ra = 0,030 - 1,513 нм, что удовлетворяет требованиям к качеству поверхности бриллиантов. Жесткость упругой обрабатывающей системы в направлении нормали к обрабатываемой поверхности- 120 Н/м-10"6. Оборудование должно обеспечивать: - достижение высокого качества и размерную стабильность обработки поверхностей на технологически сложных деталях оператором независимо от уровня его квалификации; - повышение точности обработки; - осуществление автоматического выбора рациональных параметров обработки; - обеспечение более 10-кратного повышения производительности вследствие отказа от огранщиков высокой квалификации, а также заменой операций шлифования и полирования одной операцией шлифования, обеспечивающей требуемое и даже более высокое качество обработанной поверхности. По устойчивости к климатическим воздействиям оборудование должно обеспечивать эксплуатацию при [78]: - температуре окружающей среды - от +5 до +50С; - относительной влажности окружающего воздуха - от 40 до 95 при 30С; - атмосферном давлении от 84 до 107 кПа (от 630 до 800 мм ртутного столба); Устройство ЧПУ должно выдерживать вибрацию частотой 25 Гц с амплитудой перемещения на более 0,1 мм. Направление действия вибрации -вертикальное [78]. Устройство ЧПУ должно сохранять работоспособность в производственных помещениях, содержащих вредные концентрации, не превышающих установленных ГОСТ 12.1.005-76 [78]. Электрическое питание устройства ЧПУ должно осуществляться однофазным напряжением переменного тока 220 В с допустимым отклонением от +10 до -15 В с частотой (50+1) Гц, а для поставок на экспорт - с частотой (60+1) Гц [78].
