Повышение эффективности обработки отверстий в деталях из неметаллических материалов на основе автоматического управления процессом алмазного сверления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Листунов, Леонид Сергеевич

• Листунов, Леонид Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Листунов, Леонид Сергеевич

Список сокращений.

ГЛАВА 1. Особенности обработки отверстий в неметаллических материалах алмазным сверлением.

1.1 Общие сведения и теория разрушения хрупких неметаллических материалов.

1.2 Технологические особенности алмазного сверления неметаллических материалов, применяемое оборудование и инструмент.

1.3 Существующие модели и основные закономерности процесса алмазного сверления.

1.4 Методики выбора режимов алмазного сверления.

1.5 Выводы по главе 1, цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. Моделирование процесса алмазного сверления.

2.1 Основные положения теории подобия и метода анализа размерностей.

2.2 Исследование процесса алмазного сверления в неметаллических материалах с помощью методов теории подобия и анализа размерностей.

2.3 Аналитическое моделирование процесса алмазного сверления.

2.4 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования процесса алмазного сверления в неметаллических материалах.

3.1 Методика экспериментального исследования.

3.2 Экспериментальные исследования процесса алмазного сверления в неметаллических материалах.

3.3 Разработка методики выбора режимов алмазного сверления.

3.4 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Разработка системы автоматического управления процессом алмазного сверления.

4.1 Анализ процесса алмазного сверления как объекта управления.

4.2 Синтез САУ процессом алмазного сверления в неметаллических материалах.

4.3 Рекомендации по аппаратной реализации САУ.

4.4 Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности обработки отверстий в деталях из неметаллических материалов на основе автоматического управления процессом алмазного сверления»

Развитие современного машино- и приборостроения связано с разработкой и внедрением новых материалов и прогрессивных технологических процессов их обработки. Широкий диапазон требований к изделиям по выходным параметрам обусловливает необходимость применения в промышленности материалов, обладающих повышенными механическими, физическими, химическими свойствами (износостойкость, минимальное трение, термостойкость, минимальный коэффициент линейного расширения, коррозионная устойчивость, антимагнитность и ряд других). В значительной мере перечисленным требованиям удовлетворяют хрупкие неметаллические материалы, такие как каменное литье, керамика, стекло, ситаллы (стеклокерамика). Они находят все более широкое применение в машиностроительной, электротехнической, приборостроительной, химической промышленности, авиационно-космической и ракетной технике, ядерной энергетике.

В связи с вышеозначенными тенденциями все большее развитие получают отрасли производящие неметаллические материалы и технологическое оборудование для их обработки. Так, например, в 2002 году в России было произведено около 100 млн. квадратных метров плоского стекла, при этом в общем объеме промышленной продукции доля изделий из стекла составила около 7%, а численность и трудящихся в стекольной и стеклообрабатывающей промышленности - 8,9% от общей численности занятого населения.

В настоящее время 75% составляет производство контейнерного и плоского стекла, приблизительно 20% стекла потребляют мебельная промышленность и транспорт [1].

Стекло, керамика и ситаллы обладают высокой твердостью, износостойкостью и склонностью к хрупкому разрушению, поэтому одной из самых трудоемких и ответственных операций при изготовлении деталей из неметаллических материалов является формообразование отверстий. По данным отечественной и зарубежной периодической и научной литературы [2, 3, 4, 5] наиболее распространены в промышленности следующие способы обработки отверстий: электрохимический, лазерный, электронно-лучевой, электроэрозионный, ультразвуковое и алмазное сверление.

Практически все рассмотренные выше способы получения отверстий в неметаллических материалах имеют ряд технологических ограничений по их применению, связанных с ограничением номинальных размеров обрабатываемых отверстий (электрохимический, лазерный, электроннолучевой, электроэрозионный методы), низкой производительностью (электрохимический), неэкологичностью и большим износом инструмента (ультразвуковое сверления).

В настоящее время для формообразования отверстий от 1,0 до 1000 мм наиболее широко применяют алмазные сверла [2, 6]. Алмазное сверление представляет собой одну из разновидностей шлифования - древнейшего процесса обработки материалов. В нашей стране применение алмазного инструмента начало свое развитие в начале XX века в связи с внедрением твердосплавного режущего инструмента, обработка которого абразивным инструментом представляла большие трудности. Открытие месторождений природных алмазов в Якутии, а в дальнейшем разработка и промышленное освоение технологии получения синтетических алмазов позволило в широких масштабах применять высокоэффективные алмазные инструменты при обработке труднообрабатываемых материалов на различных операциях, в том числе на операции сверления отверстий [7].

Наиболее массово алмазное сверление применяется при обработке отверстий в подложках микросхем микроэлектроники из стекла, ситалла, феррита и керамики; в стеклофурнитуре и зеркалах для быта; в строительстве при обработке отверстий в стеклянных, бетонных и кирпичных конструкциях.

В общем случае при использовании алмазных сверл достигается точность обработки отверстий по 9-12-му квалитету.

Алмазное сверление отверстий в деталях из твердых неметаллических материалов имеет ряд особенностей, связанных с кинематикой процесса и особенностями обработки хрупких неметаллических материалов связанным абразивом.

В настоящее время алмазное сверление в деталях из неметаллических материалов в основном ведется на универсальных сверлильных и фрезерных станках и специальных станках без адаптивного управления режимами обработки, что совместно с несовершенством методик назначения режимов алмазного сверления, в которых подача и скорость резания при обработке выбираются согласно технологическим рекомендациям и рекомендациям фирм-производителей алмазного инструмента, приводит к тому, что сверла не обеспечивают заявленной поставщиками стойкости и производительности инструментальной обработки.

Таким образом, повышение производительности алмазного сверления в неметаллических материалах на основе назначения и поддержания оптимальных режимов обработки в настоящее время является актуальной научной задачей.

Первая глава диссертации посвящена современному состоянию вопроса об алмазном сверлении неметаллических материалов.

Во второй главе описаны теоретические исследования процесса алмазного сверления в стекле методами теории подобия и анализа размерностей.

В третьей глава приводятся результаты экспериментальных исследований процесса алмазного сверления и разработанной на их основе методики выбора режимов обработки.

Четвертая глава посвящена синтезу САУ процесса алмазного сверления и разработке рекомендаций по ее реализации.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Листунов, Леонид Сергеевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Получен обобщенный показатель процесса алмазного сверления хрупких неметаллических материалов - критерий диспергирования, представляющий собой отношение условного напряжения сверления к пределу прочности обрабатываемого материала.

2. С использованием методов теории подобия и анализа размерностей установлена функциональная зависимость между критерием диспергирования и отношением подачи к скорости главного движения.

3. Установлено, что, как и при алмазной резке неметаллических материалов, на величину осевой силы резания влияют не только абсолютные значения скоростей подачи и главного движения, а их отношение.

4. На основании полученных зависимостей разработана математическая модель процесса сверления и экспериментально подтверждена ее адекватность.

5. Разработан алгоритм выбора режимов алмазного сверления по заданным характеристикам материала детали, инструмента и показателям качества обработанной поверхности.

6. Разработанный алгоритм реализован в программе расчета подобных режимов алмазного сверления DiamondDrilling для ЭВМ с ОС Windows.

7. На основании математической модели процесса разработана система адаптивного управления подачей и скоростью главного движения путем поддержания оптимальной расчетной величины осевого усилия и критического значения отношения подачи к скорости резания.

8. Предложен перспективный вариант реализации САУ алмазным сверлением в виде программно-аппаратного комплекса на базе существующих однокомпьютерных СЧПУ типа PCNC, использующих концепцию открытых систем.

Гибкость платформы PCNC позволяет расширить возможности системы и программным путем реализовать возможность системы в сжатые сроки адаптироваться к обработке широкого диапазона хрупких неметаллических материалов, сверлами с различными характеристиками на основании 5-8 пробных проходов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Листунов, Леонид Сергеевич, 2007 год

1. Осипов В. И. Рынок производства стекла. Проблемы и перспективы развития. Доля России в мировой стекольной отрасли. Электронный ресурс./ Портал «СтеклоСоюз» России. — Режим доступа: www.steklosouz.ru. -27.08.2007.

2. Балыков А. В., Сухонос С. И. Алмазное сверление стекла//Журнал «Стекло и бизнес», 1999, №3, с. 29 -30.

3. Sen М. Аналитический обзор существующих процессов электрохимического сверления oTBepc™fi//International Journal of Machine Tools & Manufacture. (Nr 2. (февраль) Vol. 45. 2005., c. 137 152.

4. Rakowski L. Нетрадиционные методы изготовления отверстий малых диаметров. Modern Machine Shop. 2002. V. 75. Nr. 1 (июнь), с. 76 83.

5. Микросверление и средства его осуществления//Тгате1а1. (Nr. 87 (декабрь), 2004, Франция), с. 7 -12.

6. Farberov В. Алмазные сверла: конструкция и особенности эксплуатации// Cutting Tool Engineering. 2003. V. 55. Nr. 8 с. 36, 38 40, 42.

7. Маслов Е. Н. Теория шлифования материалов. М., «Машиностроение», 1974, 320 с.

8. Кайнарский И. С, Дегтярева Э. А. Основные огнеупоры. М., «Металлургия», 1974. 360 с.

9. Стекло. Справочник / Под ред. Н. И. Павлушкина. М., Стройиздат, 1973.

10. Механическая обработка деталей из керамики и ситаллов. Хрульков В. А., Тародей В. А., Головань А. Я., Буки Ю. М. Изд-во Саратовского ун-та, 1975, с. 352.

11. Бертенев Г. М. Сверхпрочные и высокопрочные неорганические стеклаМ.: «Стройиздат», 1974.

12. Злобин В. А. И др. Ферритовые материалы.-Л.: Энергия, 1970.

13. Абразивная и алмазная обработка материала. Справочник./Под. Ред. Резникова А. Н.-М.Машиностроение, 1977, 392 с.

14. Алмазная обработка технической керамики. JL, «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1976, 160 с.

15. Walper Н. Diamond in the glass industry//«Indastrial Diamond Rewiew», German edition v. 2,1969, №4.

16. Боуден Ф. П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М., «Машиностроение», 1968.

17. Griffith A. A. The theory of rupture. Proc. First Int. Cong. Appl, Mech. 1924 -p. 55-63.

18. Irwin G. Analysys of Stress and Strains near the End of a Crack Traversing a Plate//J. Appl. Mech. 1957. №3. P. 361-364.

19. Maugis D. Subcritical Crack Groth, Surface Energy, Fracture Toughness, Stick-slip Embrittlement//Jornal of Material Science. 1985, vol. 20, p. 3041-3073.

20. Морозов H. Ф., Петров Ю. В., Уткин А. А. О разрушении у вершины трещины//Физико-химическая механика материалов. 1988. №4. с. 75-77.

21. Морозов Н. Ф. Математические вопросы механики разрушения //Соросовский образовательный журнал. 1996. №8. с. 117-122.

22. Постриков В. М., Морозов Е. М. Механика разрушения твердых тел. -СПб.: «Профессия», 2002, 320 с.

23. Морозов Е.М. Техническая механика разрушения. Уфа: Изд-во МНТЦ БЭСТС, 1997.

24. Кангун В. Р., Цыпкин Р. 3. Алмазное сверление неметаллических материалов. Обзор., М.: НИИМАШ, 1975, 60 с.

25. Lawn В. R., Evans A. G. A model for crack initiation in elastic/plastic indentation fields//Jornal of Material Science. 1977, vol. 12, p. 195-199.

26. Балыков А. В. Алмазное сверление отверстий в деталях из хрупких неметаллических материалов. М.: Наука и технология, 2003, - 188 с.

27. ГОСТ 9206-89. Порошки алмазные. Технические условия. Изд-во стандартов, 1989. 16 с.

28. Балыков А. В., Цесарский А. А. Алмазное сверление деталей из труднообрабатываемых неметаллических материалов М.: Машиностроение, 1980. —64 с.

29. Шило А. В. и др. Изготовление алмазных трубчатых сверл методом гальванопластики. —«Синтетические алмазы». JI. 1970.

30. Сайт компании ОАО «Терекалмаз» Электронный ресурс. Режим доступа: www.terekalmaz.ru. -27.05.07.

31. Сайт компании ЗАО «Челек» Электронный ресурс. Режим доступа: www.chelek.com. - 27.05.07.

32. Сайт компании ОАО НПК "Абразивы и Шлифование" Электронный ресурс.- Режим доступа: www.abrasiv.ru. 27.05.07.

33. Сайт компании ЗАО "Полтавский алмазный инструмент" Электронный ресурс. Режим доступа: www.poltavadiamond.com.ua. - 03.06.07.

34. Сайт компании Heson Diamantfeilen GmbH Электронный ресурс.-Режим доступа: www.hesondiamant.de. 27.05.07.

35. Сайт компании Diamond Drill & Tool. Omaha, Nebraska Электронный ресурс.- Режим доступа: www.diamond-drill-bit-and-tool.com. 27.05.07.

36. Сайт компании UKAM Industrial Superhard Tools Электронный ресурс-Режим доступа: www.ukam.com. 27.05.07.

37. Сайт компании ABRASIVE TECHNOLOGY LTD. Ohio, USA Электронный ресурс.- Режим доступа: www.abrasive-tech.com. 27.05.07.

38. Сайт компании «Абразивком» Электронный ресурс.- Режим доступа: www.abrasivecom.ru. 03.06.07

39. Сайт компаний РусАтлант Электронный ресурс.- Режим доступа: www.rusatlant.com. 27.05.07

40. Сайт компании Sulak Glass Working Machinery Электронный ресурс.-Режим доступа: www.sulak.cz. 30.05.07.

41. Сайт компании MECCANICA CAMBI SRL Электронный ресурс.-Режим доступа: www.meccanicacambi.it. 30.05.07.

42. Сайт компании Sklopan Liberec Электронный ресурс.- Режим доступа: www.sklopan.cz. 31.05.2007

43. Сайт компании Z. Bavelloni Электронный ресурс.- Режим доступа: www.bavelloni.com. 31.05.2007.

44. Сайт компании Benteler AG Электронный ресурс.- Режим доступа: www.benteler.de. -31.05.2007.

45. Адаптивное управление станками / Б.М. Базров и др.; Под ред. Б.С. Балакшина. М.: Машиностроение, 1973.

46. Бойцова Л. В. Исследование процесса алмазного сверления стекла. Автореф. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. Тольятти, 1970. Куйбышевский политехнический ин-т им. В. В. Куйбышева.

47. Ногин И. С. Исследование процесса алмазного сверления бетона и железобетона. Автореф. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. Тольятти, 1973. Куйбышевский политехнический ин-т им. В. В. Куйбышева.

48. Карбань В. И., Кой П., Рогов В. В. И др. Обработка полупроводниквых материалов. Киев.: Наук. Думка, 1982,256 с.

49. Резание труднообрабатываемых материалов. Под ред. проф. П. Г. Петрухи. М., «Машиностроение», 1972.

50. Сагарда А. а. и др Алмазно-абразивная обработка деталей машин. Киев., «Техника», 1974.

51. Сердобинцев Ю. П., Схиртладзе А. Г. Моделирование и исследование сопряжений деталей технологического оборудования. 1-е изд.: М.: Сатурн-С, 2005.-353 с.

52. Бриджмен П. Анализ размерностей (2-е издание). Ижевск: РХД, 2001.

53. Кирпичев М. В. Теория подобия. М.: Изд-во АН СССР, 1953.

54. Седов JI. И. Методы подобия и размерностей в механике. М.: Наука, 1967.-440 с.

55. Сухобрус А. А. Исследование процесса резки кварцевого стекла алмазными кругами. Дисс. на соиск. уч. степени, канд. тех. наук. Киев. 1981.

56. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, 1987. - 246 с.

57. Балыков А. В. Повышение эффективности обработки отверстий в деталях из хрупких неметаллических материалов на основе алмазного сверления. Дисс. на соиск. уч. степени д. т. н. М.: МГТУ «Станкин», 2004.

58. Адлер Ю. П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1969.-270 с.

59. Бродский В. 3. Введение в факторное планирование экспреримента. М. Наука, 1976.- 224 с.

60. Левшина Е. С., Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. Л.: Энергоатомиздат, 1983. -320 с.

61. Виглеб Г. Датчики:Пер. с нем. -М.:Мир, 1989. -196 с.

62. Курицкий Б.Я. Поиск оптимальных решений средствами Excel 7.0. СПб.: ВНУ-Санкт-Петербург, 1997. - 384 с.

63. Гельман В. Я.Решение математических задач средствами Excel: Питер, 2003 г.

64. Приходько А.И. Практикум по эконометрике: Регрессионный анализ средствами Excel Ростов: Феникс. - 2007.

65. Монтгомери Д. К. Планирование эксперимента и анализ данных. —Л.: Судостроение, 1980. -384 с.

66. Кацев, П. Г. Статистические методы исследования режущего инструмента / П. Г. Кацев. Изд-е 2-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1974. - 231 с.

67. Пугачев В .С. Теория вероятности и математическая статистика. М.: Наука, 1979.-496 с.

68. Митропольский А. К. Техника статистических вычислений. М.: ГРФМЛ, Наука, 1971 -576 с.

69. А В. Балыков. Исследование процесса шлифования кварцевых пластин специальных радиоэлектронных приборов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва, 1971.

70. Балыков А.В., Арсентьев А.В. Управление процессами микрорезания кристаллических материалов с использованием акустико-эмиссионного контроля. Материалы МДНТП «Диагностика технологических процессов в машиностроении». М., 1990, с.36-42.

71. Балыков А. В. Управление качеством поверхности по параметрам акустической эмиссии. Материалы МДНТП «Чистовая обработка материалов резанием».-М., 1990, с.84-88.

72. Сердобинцев Ю. П., Барабанов В. Г. Основы теории линейных систем автоматического управления. ВолгГТУ. Волгоград, 2007. -164 с.

73. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М.:Наука, 1966. - 992 с.

74. Солодовников В. В., Плотников В. Н., Яковлев А .В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985.-536 с.

75. Основы автоматизированного электропривода. Свириденко П. А., Шмелев А. Н.М.:Высш. школа. 1970. 392 с.

76. Андреев В. П., Сабинин Ю. А. Основы электропривода. Госэнергоиздат, 1963.

77. Теория автоматического управления. В. Н. Брюханов, М. Г. Косов, С. П. Протопопов и др.; Под ред. Ю. М. Соломенцева. 2-е изд., испр. - М.:Высш. шк., 1999-268 с.

78. Соломенцев Ю.М., Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Построение персональных систем ЧПУ (PCNC) по принципу открытых систем.-Информационные технологии и вычислительные системы. 1997, №3, с. 68-75.

79. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Принципы построения систем ЧПУ с открытой архитектурой. Приборы и системы управления. 1996, №8, с. 18-21.

80. Электроприводы с системами числового программного управления В. М. Иванов. Ульяновск: УлГТУ, 2006. - 152 с.

81. Козаченко В.Ф., Грибачев С.А. Новые микроконтроллеры фирмы Texas Instrumenst TMS32x24x для высокопроизводительных встроенных систем управления электроприводами// CHIP NEWS. — 1998. — № 11-12. — с. 2-6.

82. Сосонкин В.Л. Концепция системы ЧПУ на основе персонального компьютера (PCNC). Станки и инструмент. 1990, №11, с. 9-14.

83. Сосонкин В.Л. Задачи числового программного управления и их архитектурная реализация // Станки и инструмент. 1988, №10. с. 39-40.

84. Хухлаев Е. Операционные системы реального времени и Windows NT. Открытые системы, 1997, №5, с.48-51.

85. Митин Г.П., Марголин С.А. Особенности использования Windows NT для систем ЧПУ класса PCNC.Z/Журнал «Автоматизация и управление в машиностроении». 1998, № 5.

86. Научно-исследовательская лаборатория систем ЧПУ МГТУ «Станкин» Электронный ресурс.- Режим доступа: www.ncsystems.ru. 20.08.2007.

87. Сайт компании ООО "Станкоцентр" Электронный ресурс.- Режим доступа: www.stankocentr.com. -18.08.2007.

88. Сайт компании ООО "Контрольно-измерительная и Весовая Техника" Электронный ресурс.- Режим доступа: http://hbm.ru. 25.08.2007.

89. Сайт компании ООО «Группа ЭЛКО» Электронный ресурс.- Режим доступа: www.tensosensor.ru. 25.08.2007.

90. Сайт компании ООО «ТИЛКОМ» Электронный ресурс. .- Режим доступа: www.tilkom.com.-25.08.07.