НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: Grubyy_P.pdf (1336.24Кб)

УДК 621.941.1	1 Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана 2 Россия, Москва, ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ"

В ближайшей и среднесрочной перспективе ожидается существенное развитие сверхточной (ультрапрецизионной) и микрообработки по направлениям создания сверхточного оборудования и технологии обработки оптических элементов и компонентов машин и приборов различных типоразмеров и назначения. По этим направлениям был выполнен обзор литературных источников, изучены результаты отечественных и зарубежных исследований, связанные с разработкой расчётных моделей, характеризующих процесс сверхточной и микрообработки. Основной задачей расчетных моделей является связь режимных параметров с показателями процесса – силами и температурами резания, износом и стойкостью инструмента.

Существенным недостатком моделей, представленных в литературе, является их слабая адаптация к возможному изменению исходных данных и условий обработки. Как правило, с их помощью можно выполнить расчетный анализ взаимодействия включенных параметров, но нельзя количественно определить выходные параметры процесса при изменении условий обработки.

Одним из примеров применения сверхточной обработки является обработка плоских отражателей из алюминиевого сплава, которые применяются в космической технике в качестве элемента радиационного холодильника. Для такого отражателя разработана технология обработки однорезцовой алмазной фрезерной головкой на сверхточном станке с ЧПУ.

В расчётной части статьи выполнен анализ кинематической схемы обработки и представлена модель для определения пути резания определённого типа поверхности. В последующих расчетах длина пути резания учитывается как параметр для расчёта износа инструмента, сил и температур резания.

Представлена расчётная модель, позволяющая определять силы и температуру резания на передней и задней поверхности. В расчёте учитывается радиус округления режущей кромки и величина износа по задней поверхности, которая зависит от длины пути резания, пройденной инструментом по детали.

В литературных источниках имеется информация об использовании алмазных монокристаллических резцов на различных операциях сверхточной обработки. Установлено, что окончательное алмазное точение новым (переточенным) резцом при подаче менее 9 мкм/об и глубине3…4 мкм обеспечивает обработку медных и алюминиевых поверхностей с наибольшей высотой профиля в пределах 50 нм. Такая шероховатость позволяет использовать обработанные поверхности как отражающие в оптических элементах различного назначения.

По результатам проведенного анализа создана модель, позволяющая рассчитывать силы и температуру резания для условий сверхточной обработки однорезцовой алмазной фрезерной головкой плоского отражателя из алюминиевого сплава. По полученным расчетным зависимостям был сделан вывод о том, что значение тангенциальной составляющей силы изменяется мало, тогда как радиальная составляющая силы возрастает с увеличением пути резания и износа инструмента. Силы резания находятся в пределах десятых долей Ньютона. Проведено сравнение расчетных значений сил резания с экспериментальными данными, приведенными в литературных источниках. Температура резания при обработке на чистовом режиме изменяется в пределах 50…70 ⁰С.

По результатам моделирования разработана, опробована и внедрена технология сверхточной обработки отражателя. В экспериментальной части представлены результаты обработки плоских отражателей по разработанной технологии. После обработки был выполнен контроль качества обработанной поверхности на конфокальном микроскопе μSurf NanoFocus AG. Результаты измерений показали, что среднее арифметическое отклонение профиля отражающей поверхности находится в пределах 0,01 мкм, что соответствует установленным требованиям.

Следующим этапом исследований будет являться разработка динамической модели аэростатического шпинделя сверхточного станка. Входными параметрами динамической модели служат рассчитанные силы резания, а также измеренные экспериментально коэффициенты жёсткости и демпфирования шпиндельного узла. Динамическая модель позволит определять пространственные перемещения ротора шпиндельного узла, проанализировать и уменьшить погрешности обработки.

Список литературы

1. Chee Keong Ng. Experimental study of micro-nano-scale cutting of aluminum 7075 and P20 mold steel. Woodruff school of mechanical engineering Georgia institute of technology, 2005. 224 p.
2. Oxley P.L.B. Mechanics of machining, an analytical approach to assessing machinability. Halsted Press, New York, 1989.
3. Manjunathaiah J., Endres W.J. A new model and analysis of orthogonal machining with an edge-radiuses tool // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2000. Vol. 122. P. 384-390.
4. Kai Liu. Process modeling of micro-cutting including strain gradient effects. Georgia institute of technology, 2005. 181 p.
5. Wu H.Y., Lee W.B. Computer Simulation of single-point diamond turning using finite element method // Journal of Materials Processing Technology. 2005. Vol. 167. P. 549-554.
6. Грубый С.В. Моделирование процесса резания твердосплавными и алмазными резцами: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 107 с.
7. Добровольский Г.Г., Жоголев Д.А. Расчёт угла сдвига и усадки стружки при алмазном микроточении // Сверхтвёрдые материалы. 1983. № 5. С. 44-49.
8. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1981. 279 с.
9. Грубый С.В., Татьянина Н.А. Исследование и применение кристаллов природных алмазов и резцов повышенной износостойкости // Вестник машиностроения. 1997. № 4. С. 19-23.
10. Грубый С.В., Боговцева Л.П., Костеев В.А. Исследование состояния прецизионных поверхностей, обработанных методом алмазного микроточения // Вестник машиностроения. 1996. № 7. С. 19-24.
11. Wang Hongxiang, Sun Tao, Zhang Longjiang, et al. Experimental Research on Cutting Force in Ultra-precise Turning // China Academic Journal Electronic Publishing House. 2003. Vol. 37, no. 5. P. 10-12.