Осциллографический метод контроля процесса микрошлифования на станочном модуле с ЧПУ

первичных изменении массива, соответствующий начальной стадии развития плавных деформаций;

• область карстообразования, выявленная геофизическими методами, приурочена к трем разломам субширотного залегания крутого падения, отнесенным к сместителям II порядка.

Проведенный комплекс исследований позволил решить поставленную перед работой проблему обеспечения безопасной эксплуатации железнодорожных путей в районе поста № 12 и пульпопровода, оказавшихся в области влияния деформаций возникших на земной поверхности и в борту Главного карьера.

В итоге было установлено:

1. Процесс деформирования земной поверхности и борта карьера явился следствием развития процесса сдвижения над подземными пустотами, возникшими в карстовых зонах в результате выноса их

карстовых зон на исследуемом участке в плане и по глубине.

3. Произведен прогноз развития процесса сдвижения над выявленными карстовыми зонами, обоснованы параметры процесса сдвижения и отстроены границы опасных сдвижений на завершающую стадию развития процесса сдвижения.

4. Разработаны меры охраны железнодорожных путей и пульпопровода, предусматривающие :

• для железнодорожных путей два варианта обеспечения их безопасной эксплуатации: оставление их на месте с осуществлением инструментального контроля и периодических восстановительных ремонтов; вынос за пределы прогнозных границ зоны опасных сдвижений;

• для пульпопровода: освобождение его от грунта и прокладка по опорам; проведение инструментального контроля и периодической выправки на опорах по ме-

Благодарю за помощь в подготовке доклада своего научного руководителя заведующего Лабораторией сдвижения горных пород и предотвращения техногенных катастроф Института Горного Дела УрО РАН доктора технических наук Сашурина Анатолия Дмитриевича. заполнителя. ре достижения предельных деформаций.

2. Геофизическим зондированием массива горных пород оконтурены границы

1. Исследование деформационных процессов и разработка рекомендаций по безопасному ведению открытых горных работ в подработанном массиве Западного борта Медноруднянского карьера: Отчет о НИР (закл.) / ИГД УрО РАН; Рук. А.Д. Сашурин. - Екатеринбург, 2004, 76 с.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Георадиолокационные исследования верхней части разреза. Владов М.Л., Старовойтов А.В. - М.: МГУ, 1999, 68 с.

3. Сдвижение горных пород на рудниках черной металлургии. Сашурин А.Д. / ИГД УрО РАН - Екатеринбург, 1999, 2б8 с.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------

Замятин А.Л. - аспирант, младший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.

© Т.Б. Теплова, А.С. Коньшин,

О. М. Гридин, 2005

УДК 621.7:622.372.3

Т.Б. Теплова, А.С. Коньшин, О.М. Гридин

ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА МИКРОШЛИФОВАНИЯ НА СТАНОЧНОМ МОДУЛЕ С ЧПУ

Семинар № 3

Яами на станочном модуле с ЧПУ модели АН15ф4 осуществляется микрошлифование поверхностей сверхтвердых материалов с достижением заданной степени оптической чистоты поверхности. Разработанная модель процесса микрошлифования базируется на представлениях физической мезомеханики, разработанной академиком РАН В.Е. Паниным [1], связывающей движение дислокаций на микромасштабном уровне с интегральными механическими характеристиками процессов, происходящих на макромасштабном уровне, с учетом состава материала, его внутренней структуры и условий нагружения. Выбор параметров микрошлифования в соответствии с данной моделью позволяет вести процесс в режиме квазипластичности и обеспечивает высокое качество поверхности.

Теоретически и экспериментально было обосновано, что в процессе квазипла-стического течения нагруженный материал формирует на мезоуровне структуры, способные осуществлять квазипластиче-скую деформацию по схеме «сдвиг+поворот». Модель квазипластиче-ской деформации кристалла в мезообъе-мах при микрошлифовании приведена в работах [2, 3, 4].

При установившемся режиме квази-пластичного микрошлифования со стационарными режимами интенсивности съема скорость врезной подачи в направлении сжимающих упругих деформаций системы равна отношению между линейными размерами мезообъемов и временем

их жизни от возникновения до отрыва. Такой установившийся режим сопровождается автоколебательным характером динамической составляющей сжимающей упругой деформации обрабатывающей системы. При этом процесс обработки кристаллов алмазов с заданной шероховатостью на ОП (в установившемся режиме квазипластичного микрорезания) идентифицируется наличием автоколебаний с частотой fф динамической составляющей Лф сжимающей упругой деформации в

УОС [4].

Величины Хф и корреляционно взаимосвязаны между собой линейными размерами удаляемых единичных мезообъемов с обрабатываемой поверхности кристалла.. В процессе микрошлифования снимаются частички алмаза размером 5, от которого зависит шероховатость поверхности .

На станочном модуле с ЧПУ модели АН15ф4, параметры которого приведены в [5] была произведена обработка поверхностей кристаллов натурального алмаза, в твердом направлении, монокристалла искусственного лейкосапфира цилиндрической формы диаметром 31,5 мм и высотой 16,8 мм., пластин выращенных из газовой фазы поликристаллического алмаза в виде квадрата 10*10 мм толщиной 0,8 мкм с трещиной посередине, цилиндра диаметром 18 мм и толщиной 0,5 мкм и квадрата 8*8 мм толщиной 0,42 мм.

Рис. 1. Осциллограммы, полученные при микрошлифовании лейкосапфира

Микрошлифование производилось различными шлифовальными кругами в зависимости от цели обработки. Применялись алмазные шлифовальные круги диаметром 250 мм на связке из костной муки с зернистостью 5-7 мкм, диаметром 250 мм на керамической связке с зернистостью 20-14 мкм и диаметром 200 мм на керамической связке с зернистостью 20-14 мкм.

В ходе экспериментальных исследований были получены осциллограммы динамической составляющей силы резания, анализ которых подтверждает принятую к реализации модель пластических деформаций в мезообъемах при удалении припуска. Наблюдение и запись осциллограмм проводилось на осциллографегра-фе“Уе11ашап” РС864 с последующей их расшифровкой и физической интерпрета-

АМЛУ * войне 1/<* |2«И[ V™ 0 ЯУ

0.1 V 2т$

сР/: 0.70У (й: 18.00тз 1М: 55.56Нг Угтз: 0.18У

цией. Осциллограммы процесса обработки показаны на рис. 1, 2

Однако, анализ полученных осциллограмм показывает, что они отражают широкий спектр частот и для идентификации автоколебаний, относящихся к воздействию на мезообъемы поверхностного слоя необходимо учесть технические «шумы», не относящихся к процессу микрошлифования.

К таким «шумам» относятся:

1. Электромагнитные наводки от работающих приборов - частота 100 Гц.

2. Колебания от биения шлифовального круга со скоростью вращения 3000 оборотов в минуту - частота 50 Гц.

3. Вторичные отражения звуковых волн в кристалле.

4. Акты элементарных соударений зерен шлифовального круга с обрабаты-

Рис. 2. Осциллограммы, полученные при микрошлифовании натурального алмаза

1 ----1---П Гг------------------Г Г----------Г

5 97У <* «96Я8т« 1/<*201Нг Чт* 1 ТЫ

ваемой поверхностью.

5. Возможные шумы акустической эмиссии при периодическом разогреве и остывании образца в процессе шлифования.

Частоты, вызванные внутренними отражениями звуковых волн имеют порядок сМ, где d - характерный размер образца, с - скорость упругой волны. Для образца лейкосапфира с d порядка 10-20 мм и скоростью звука 1,2104 м/с эти частоты составят 1,2-2,4106 гц и характерную ширину пика на осциллограмме 0,2-0,4 мкс, в то время как наиболее характерная ширина пиков осциллограмм составляет доли мс (на три порядка больше).

Расчет частоты колебаний при актах элементарных соударений зерен шлифовального круга с неровностями шлифуемой поверхности является более сложной задачей. Взаимодействие двух неравномерных массивов «шероховатостей» имеет вероятностный характер и в точной постановке такую задачу еще предстоит решить. Приблизительной оценку верхнего предела этой частоты можно выполнить по соотношению f = dvn[1-(1-Sl)(1-S2)],

где d -характерный размер образца, V -относительная скорость перемещения зерен круга и неровностей образца, п число зерен круга на единицу поверхности, б1 и б2 - безразмерные сечения взаимодействия для зерен шлифовального круга и для неровностей образца.

Плотность распределения алмазных зерен на поверхности шлифовального круга

п = ВД2- d22)/dз2,

где d1 - внешний диаметр шлифовального круга - 250 мм, d2 - внутренний диаметр шлифовального круга - 220 мм, d3 - зернистость 2-3 мкм с заполнением связки к = 0,5. Тогда п=0,75109 шт/м2.

V = л^/Т,

где Т - время оборота круга (0,02 с). Тогда

V = 40 м/с.

При d = 0,02 м получим f = 6107' [1-(1-б1)(1-б2)]. Таким образом, верхний предел частоты элементарных соударений имеет порядок десятков мегагерц. Реальная величина зависит от сечения взаимодействия, то есть от формы неровностей, их высоты и расстояния между плоскостью шлифовального круга и обрабатываемой поверхностью. Принимая, например, Б1 = б2= 0,1, получим f = 1,14107 гц. При такой оценке указанные частоты еще больше, чем частоты внутренних отражений звуковых волн.

Таким образом, проведенные оценки свидетельствуют, что зафиксированные на осциллограммах основные частоты являются именно собственными частотами автоколебаний мезообъемов, что подтверждает правильность выбранной модели описания процесса микрошлифования.

Изменяющиеся в ходе обработки динамические параметры УОС (которые, например, могут быть связаны с изменениями анизотропных механических характеристик поверхности обрабатываемого материала) непрерывно отображаются изменениями указанного интервала времени Тп.. Негативное влияние указанных изменений на заданные размерные и качественные выходные параметры обработки компенсируют соответствующими изменениями одного или одновременно нескольких параметров интенсивности съема припуска до стабилизации указанного интервала времени Тп.

При выборе основного параметра для диагностирования процесса микрошлифования исходят из того, что микрошлифование кристаллов осуществляют на достаточно малых врезных (порядка 0,05мкм) подачах, (т.е. в той области, где имеет место квазипластическая деформация в ме-зообъемах, сопровождающаяся в установившемся режиме резания соответствующими автоколебаниями УОС). Поэтому для расчетов применялись классические зависимости процесса микрошлифования металлов, изложенные в работах к.т.н. А.С. Чубукова, в которых основным пара-

метром для диагностирования процесса микрошлифования рассматривается постоянная времени переходных процессов резания в УОС.

Постоянная времени переходных процессов резания Тп характеризует время перехода из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние. Постоянной времени переходного процесса является параметром, характеризующем факторы воздействия на систему микрошлифования: площадь контакта режущего инструмента изделия, изменение режущей способности шлифовального круга, свойства обрабатывающего и обрабатываемого материалов, жесткость УОС. Как показали экспериментальные исследования, в зависимости от длительности переходных процессов могут быть использованы различные методы для определения соответствующих постоянных времени.

Постоянная времени переходных процессов резания Тп характеризует поведение УОС как в статике, так и в динамике. Поэтому, идентифицируя постоянную времени, в любой момент можно контролировать фактические выходные параметры обработки (размер и шероховатость) в реальном масштабе времени.

Статическую составляющую упругой деформации в обрабатывающей системе определяют путем непрерывной фиксации в каждом проходе в каждой точке касания каждой вершины заданного режущего зерна ПИП с каждой заданной локальной точкой на ОП величины статической составляющей силы резания по нормали к плоскости формообразования. Непрерывно определяют зависимость изменения суммы статической и динамической составляющих от прохода к проходу, сравнивают эту зависимость с расчетным законом изменения интенсивности съема припуска от прохода к проходу и находят интервал времени до начала соответствия этих законов, который пропорционален величине статической составляющей упругой деформации УОС.

На протяжении всего этапа съема основной части припуска осуществляют контроль за шероховатостью ОП путем сравнения фактической высоты микронеровностей Я;, на обработанной поверхности с заданной высотой микронеровностей. При этом устанавливают корреляционную связь между результатами сравнения и обобщенной интегральной характеристикой УОС, определяемой вычислениями фактической величины постоянной времени переходных процессов микрошлифования. Этот параметр непрерывно (в реальном масштабе времени съема основной части припуска) идентифицируют и при необходимости регулируют соответствующим изменением одного или нескольких параметров интенсивности съема припуска для стабилизации постоянной времени на уровне, обеспечивающем заданные выходные параметры обработки как по размерной точности, так и по величине микронеровностей Я, на обработанной поверхности готового изделия, путем соответствующей переработки информации об упругих деформациях в обрабатывающей системе, поступающей с пьезоэлектрических датчиков. Это позволяет постоянно, т.е. в реальном масштабе времени обработки, диагностировать и контролировать основные технологические параметры бездефектного микрошлифования (по размерным параметрам с точностью 0,1 мкм и по качеству шероховатости обработанной поверхности Я, = 0,03-0,05 мкм) автономно на каждом отдельном изделии как при индивидуальной, так и при групповой обработке.

На стационарном режиме обработки скорость съема припуска V,},,, а, следовательно, и скорость продольного перемещения стола станочного модуля, пропорциональна отношению между статической составляющей упругой деформации Дф и ПОСТОЯННОЙ времени Тф переходных процессов резания в УОС.

Варьируя этими параметрами можно находить режим микрошлифования, при котором заданная шероховатость будет

сочетаться с максимальной производительностью для конкретных условий обработки изделия.

Практическая реализация указанной технологии позволяет решить проблему

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

2. Конъшин А.С., Сильченко О.Б., Сноу Б.Д. Способ микрошлифования твердоструктурных материалов и устройство для его реализации. Патент РФ №2165837 от 27.04.2001.

3. Сильченко О.Б.. Теория и методы размернорегулируемой и бездефектной обработки твердоструктурных минералов резанием. Авт.-реф. диссертации на соискателя ученой степени

автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометро-вым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов [5].

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

док.тех.наук НИИ «Научный Центр» (Москва) и МГГУ-2000 г.

4. Теплова Т.Б. Обоснование рациональных режимов шлифования алмазов при их огранке. Авт.-реф. диссертации на соискателя ученой степени кандидата технических наук МГГУ (Москва) - 2002.

5. Теплова Т.Б. Перспективы технологии размерно-регулируемого шлифования твердых высокопрочных материалов. - М.: Изд-во МГГУ. ГИ-АБ, №1

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------

Теплова Т.Б. - кандидат технических наук,

Конъшин А.С. - кандидат технических наук,

Гридин О.М.,

кафедра «Технология художественной обработки материалов», Московский государственный горный университет.

------------------------------------ ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ПО БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТ В УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ВостНИИ

ПОПОВ Максим Сергеевич Разработка способа и средства контроля пылевзрывобезопасности горных выработок 05.26.03 к.т.н.

------------------------------------------------------------- © П.Н. Тамбовцев, 2005

УДК 622.02:531