ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Михайлов А.Н., Калафатова Л.П. (ДонГТУ, г. Донецк, Украина)

Технология изготовления ответственных крупногабаритных изделий сложной формы из технических стекол и ситаллов с полным основанием может быть отнесена к сложным иерархическим системам, которые могут быть представлены совокупностью хорошо структурированных и взаимосвязанных объектов. На рисунке представлена система оптимальных технологических преобразований N при изготовлении изделий из названных материалов. В качестве операторов системы технологических преобразований выступают: Ч - человеческий фактор (к этой категории можно отнести, в зависимости от степени детализации проработки системы, конструкторов изделий, технологов, станочников и т.д.); ТС - технологические системы, в которых реализуются технологические процессы, включающие следующие стадии технологических воздействий: N1 - до механической обработки (получение заготовки), N2 - в период механической обработки, N3 - после механической обработки; С - среда, влияющая на состояние всей совокупности рассматриваемых объектов системы. В свою очередь, при реализации всех видов технологических преобразований операторы системы испытывают воздействие внешних потоков материального Мvi, энергетического Еvi и информационного Ivi характера. Таким образом, систему оптимальных технологических преобразований можно представить в виде

N = N1U N2U N3 = M(m1, m2, . .., ms) U E(e1, e2,..., et) U I(i1,i2,...,iv).

Главной задачей, решаемой на каждой из стадий технологических воздействий, является создание в конечном счете качественного изделия при минимальных затратах на его производство. Особенности физико-механических характеристик обрабатываемых материалов делают практически невозможным получение из них точных заготовок. Общий припуск, который должен быть удален на стадии механической обработки, достигает 10-12 мм на сторону. Кроме того к изделиям из рассматриваемых материалов предъявляются повышенные требования по точности формы и качеству формируемой поверхности. Поэтому на второй стадии технологических воздействий N2 предполагается выполнение ряда операций, в частности, чернового и чистового шлифования, а также полирования или алмазной притирки. Однако в результате силового воздействия на обрабатываемую поверхность при механической обработке, зависящего от уровня входных технологических параметров выполняемых операций, в формируемом слое изделий возникают дефекты в виде микротрещин, проникающие на значительную глубину и отрицательно влияющие на эксплуатационные характеристики изделий. Весь этот дефектный слой должен быть удален на третьей, заключительной стадии технологических воздействий путем реализации дорогостоящих и экологически вредных операций химического травления и ионного упрочнения изделий, трудоемкость которых определяется глубиной и структурой поверхностного дефектного слоя.

Рисунок - Система оптимальных технологических преобразований при изготовлении изделий из стекломатериалов

Таким образом, решение задачи оптимизации технологических преобразований при изготовлении изделий предполагает комплексное управление системой на всех этапах технологических циклов на основе использования некоего предельного критерия Фп. По результатам выполненных исследований сформирован банк данных об изменениях уровня дефектности материалов на основе стекла при вариации входных параметров объектов системы на различных стадиях технологических воздействий. В частности, установлены зависимости энергоемкости процессов диспергирования припуска от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режимов резания, технологических характеристик применяемого инструмента, степени его изношенности, свойств применяемых технологических сред для различных операций абразивной обработки. Изучено влияние перечисленных факторов на глубину и дефектность поверхностных слоев изделия. Полученные сведения, базирующиеся на данных о технологической наследственности реализуемых технологических преобразований, используются при проектировании оптимальных технологических процессов, отличающихся низкой себестоимостью при обеспечении заданного качества выпускаемой продукции.
Основой при проектировании эффективных технологических процессов является выбор рациональных межоперационных припусков. В зависимости от величины назначаемых припусков изменяются производительность процесса обработки изделия пооперационно и в целом, а также его качественные характеристики. Завышение размеров припуска на предварительных этапах формообразования связано с увеличением непроизводительных затрат труда и времени на черновых и получистовых операциях. В противном случае, когда размеры припуска на этих операциях занижены, повышается трудоемкость доводочных операций из-за неудовлетворительного качества поверхности по параметру нарушенного обработкой слоя (его дефектности). Последнее приводит к ухудшению качественных и эксплуатационных характеристик изделий, а иногда и к их браку.
Интенсивность процессов шлифования и последующих доводочных операций, а также свойства поверхности, сформированной при реализации этих процессов, во многом определяются глубиной и строением разрушенного на предыдущей стадии обработки слоя стекломатериалов.
Известно, что минимальный расчетный асимметричный припуск составляет
,
(2)
где - соответственно высота микронеровностей, глубина дефектного слоя и суммарные значения пространственных отклонений поверхности на предшествующих операциях (переходах); - погрешность установки детали на выполняемой операции.
Величины и определяются конструктивными и технологическими особенностями процесса. Часть припуска , зависящая от метода обработки, равна и представляет собой глубину разрушенного обработкой слоя материала изделия.
Основная трудность в назначении связана с установлением с учетом конкретных условий процесса резания. Для определения может быть использована методика оценки дефектного слоя [2], в основу которой положен способ капиллярной люминесцентной дефектоскопии в сочетании с послойным химическим травлением обработанных в конкретных условиях образцов. Этот метод позволяет выявить дефекты протяженностью от 0,1 мм до 1 мкм, получить неискаженную картину дефектности нарушенного слоя на различных уровнях, начиная от обработанной поверхности и кончая выходом на глубину, характеризуемую отсутствием следов разрушения материала, вызванных обработкой.
При обработке материалов на основе стекла на промежуточной стадии нет необходимости полностью сошлифовывать дефектный слой, сформировавшийся на предыдущем переходе. Это объясняется следующими причинами. Переход от черновых операций к получистовым и чистовым сопровождается сменой инструмента (последовательное уменьшение зернистости) и изменением режимов обработки - они становятся менее напряженными. При этом уменьшаются высота микронеровностей обработанной поверхности, глубина дефектного слоя, изменяется его структура. При определенной глубине шлифования размеры дефектов, вносимых работающим инструментом, становятся соизмеримыми, а при дальнейшем заглублении и более крупными, чем те, которые образовались на этом уровне в результате выполнения предшествующей операции. Поэтому часть припуска , удаляемую на данной операции, целесообразно назначать, исходя из равенства размеров вносимого исходного дефекта и уже внесенного в материал в результате предшествующей обработки, используя полученные экспериментальные зависимости .
Таким образом, величина разрушенного слоя =+, подлежащего удалению на рассматриваемой операции, оказывается, по данным исследований, на 30% - 60% меньше полной глубины разрушенного обработкой слоя материала изделия. Применение предлагаемого подхода к обоснованию межоперационных припусков способствовало снижению общей трудоемкости получения изделий из материалов на основе стекла на 25% - 50% при обеспечении заданных требований к качеству формируемой поверхности.

Список литературы: 1. Хубка В. Теория технических систем: Пер. с нем. - М.: Мир, 1987. - 208 с. 2. Калафатова Л.П. Диагностика дефектности обработанной поверхности технических ситаллов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - Донецк: ДонГТУ. - 1997. - Вып. 4. С. 66-74.