Повышение эффективности шлифования заготовок из природного камня

Автореферат

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКИВНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ ПРИРОДНОГО КАМНЯ

Горобец И.А., Голубов Н.В., Бен Айша Зиед

(ДонНТУ,г.Донецк, Украина)

Современная строительная индустрия в настоящее время является потребителем изделий из природного камня. К таким материалам относятся гранит, базальт, габбро, керамический гранит, поделочные камни и т.д. Дальнейший рост конкурентоспособность готовой продукции может быть достигнут, за счет повышения производительности технологических процессов обработки и одновременного снижения себестоимости обработки.

Особенностью обработки заготовок из камня является то, что количество технологических операций при обработке заготовок определяется не столько параметрами точности обработки, сколько достижением требуемой величины макро- и микронеровностей обработанной поверхности. Допускаемая величина макронеровностей определяется прежде всего волнистостью, бочко- , седлообразностью обрабатываемой поверхности. Величина волнистости на пиленом блоке природного камня достигает 5 мм [1], на блоке, подготовленном к обдирке до 2мм. Это повлечет за собой колебания величины припуска на механическую обработку, осуществляемую многократным шлифованием и полированием.

Одним из факторов определяющим правильность геометрических форм обработанной поверхности являются упругие деформации ? элементов СПИД под действием сил резания. При известной жесткости СПИД величину этих деформаций будет определять усилия резания .

?= j (P±?Р)=?_ср±?_к, (1)

где ?_ср - средняя величина деформаций в системе СПИД, ?_к - величина деформаций системы СПИД обусловленная наличием неравномерности усилий резания ? величина макронеровностей обработанной поверхности изделия в основном и будет зависить от величины ?_к, которая определяется неравномерностью силы резания ? Поэтому целью повышения качества обработанной поверхности является снижение макронеровностей, а следовательно, и изменения усилий резания.

Одним из способов решения задачи уменьшения неравномерности силы резания является создание мехатронных устройств с адаптивными системами управления МСУ режимами обработки.

Изменение силы резания при равенстве прочих параметров определим как

?Р=f(?z ; ?HV; h_д) , (2)

где ? z - колебание припуска заготовки; ? HV - колебания твердости поверхности заготовки, h_д - состояние и величина дефектного слоя, обусловленного трещиноватостью, упруго-напряженным состоянием и т.д.

Усилия резания при шлифовании природного камня можно представить в виде

Р_у= С z^a v_кр ^b (HV)^d h_д ^e s_д^g, (3)

где С, a, b, d, g,e - постоянный коэффициент и показатели степени, v_кр - скорость вращения круга, s_д - скорость перемещения заготовки относительно абразивного круга.

Анализ приведенной зависимости позволяет сделать вывод о том, что:

1. Управлять усилиями резания за счет изменения твердости и состояния дефектного слоя заготовки возможным не представляется, так как эта величина является в определенных пределах случайной.

2. Изменение силы резания за счет регулирования величины припуска приведет к увеличению макронеровности обработанной поверхности и увеличению числа технологических операций необходимых для обеспечения требуемого качества обработанной поверхности.

3. Возможность варьирования скорости вращения круга существенно ограничено особенностями обработки абразивным инструментом.

4. Наиболее целесообразно управлять колебаниями силы резания за счет изменения скорости перемещения круга относительно заготовки.

Принимаем величину силы резания заготовки из камня в качестве информационной характеристики МСУ. При этом для обеспечения максимальной производительности станка, используем адаптивноерегулирования по оптимальным параметрам режимов резания - систему, в которой выполняется условие

, (4)

где [Р]- предельно допустимая сила резания Р

Задачей адаптивной системы управления является обеспечение условия

Р ® , (5)

Целевая функция регулирования будет описываться выражением

s_д ^gv_кр^b=Р_/С z^a(HV)^dh_д^e , (6)

Влияние изменения подачи и скорости резания на качество обработанной поверхности учтем, введя систему ограничений

, (7)

где [s], [v] - предельная подача режущего инструмента, допускаемая требованиями по качеству обработанной поверхности и износу инструмента и скорость резания, допускаемая требованиями по качеству обработанной поверхности и стойкости инструмента.

Для непрерывного управления режимами резания (скорости резания и подачи) в процессе механической обработки заготовки разработана функциональная схема мехатронного устройства с адаптивнойсистемой управления (рис. 1).

МСУ, состоит из сенсорного устройства Д, сигналы об усилиях резания P_Z, P_Y и P_Xот которого направляются в блок сравнения,где сравниваются с заданными сигналами об оптимальных силах резания P_OPT, блока задания оптимальных усилий резания . Далее сигнал рассогласования попадает на регулятор Р и в блок ЧПУ. После этого на блоки приводов подачи ПП и главного движения резания ПГД подаются соответствующие напряжения питания, в результате чего изменяются параметры режимов резания V и S.

Рис.1 - Структурная схема системы адаптивного управления.

БО - блок оптимизации

Р - регулятор

ЧПУ - блок числового программного управления станка

ПП - блок управления приводом подачи станка

ПГД - блок управления приводом главного движения станка

ТП - технологический процесс

Д - датчик измерения силы резания

Сенсорное устройство мехатронной системы должно располагаться таким образом, чтобы воспринимать мгновенные усилия резания с минимальными искажениям. Сенсор может располагаться или на столе станка и воспринимать усилия резания, действующие на заготовку, или в шпиндельном узле станка и воспринимать усилия резания, действующие на инструмент. Более простыми по конструкции и надежными являются сенсоры, устанавливаемые в шпиндельные узлы [5].

В качестве силоизмерительного устройства в предлагаемой мехатронной системе управления можно использовать специальный тензометрический преобразователь, выполненный в виде втулки [2], на поверхностях которой установлены тензорезисторы. Этот сенсор позволяет учитывать мгновенную величину сил резания. В предлагаемой конструкции сенсорные устройства служат опорами подшипникам шпинделя станка.

Вторым параметром, характеризующим качество обработки облицовочного материала, является шероховатость обработанной поверхности. Шероховатость поверхности формируется как совокупность единичных царапин оставляемых на обрабатываемой поверхности режущими кромками зерен абразивного материала. С увеличением зернистости абразивного материала увеличивается глубина царапин и шероховатость обработанной поверхности. Значит, регулировать шероховатость обработанной поверхности можно, в значительной мере, подбором зернистости абразивного материала. Однако, с другой стороны, увеличение глубины единичной царапины ведет к увеличению объема удаленного с поверхности заготовки материал и, следовательно, увеличивает производительности обработки. Поэтому управление шероховатостью за счет уменьшения зернистости абразивного материала влечет за собой уменьшение производительности. Уменьшение производительности обусловит и попытка уменьшить шероховатость за счет уменьшения скорости перемещения круга относительно заготовки.

В месте с тем, абразивный круг при плоском шлифовании торцем совершает два движения: D_r - главное (вращение круга) и D_r - движение подачи (рис. 2а). При этом одиночное зерно оставит царапину, форму которой упрощенно можно показать в виде дуги (рис. 2б). Одним из эффективных методов уменьшения шероховатости обработанной поверхности является придание инструменту дополнительных колебательных движений. Наличие у инструмента большей подвижности обеспечивает удаление зернами абразивного инструмента вершин микронеровностей и уменьшение за счет этого шероховатости.

Сила резания, возникающая при шлифовании, имеет динамический характер, что обуславливает наличие в СПИД автоколебаний.

Принимая изменение силы резания пропорциональным изменению величины припуска, можно выражение этой силы представить в виде разложенияв ряд Фурье [2]:

, (8)

где С_р - силовой коэффициент, учитывающий различные факторы процесса резания; р₀ - постоянная составляющая силы резания.

Предполагая, что возникновение вынужденных колебаний в зоне резания обусловлено теми явлениями, которые оказывают наибольшее влияние на изменение величины припуска, и ограничиваясь первым членом ряда, указанное выше выражение можно представить в виде:

, 9

- частота изменения этой силы; - сдвиг фазы.

На амплитуду силы резания будет оказывать влияние, как изменение припуска, так и изменение поверхностной твердости заготовки в процессе резания, изменения структуры и глубины дефектного слоя (трещиноватости, напряженного состояния поверхности и пр.).

Колебания силы резания можно использовать как источник автоколебаний шлифовального круга [3]. Для реализации этих колебаний необходимо ослабить жесткость установки подшипников шпинделя станка. Это возможно при наличии в опорах подшипника шпинделя сенсоров МСУ (рис.2), которые и являются упругими элементами. За счет наличия упругих связей в подшипниковых узлах (рис. 2в) круг получит возможность совершать дополнительные движения прецессии: D_х - вдоль оси Х и D_у - вдоль оси У. Форма царапины одиночного зерна станет более сложной и упрощенно показана на рис. 2г. За счет наличия этих движений срезаются верхушки микронеровностей сформированных соседними зернами.

Рис.2. Движения, совершаемые абразивным кругом (а-традиционная обработка, в- обработка с дополнительной прецессией) и форма царапины одиночного зерна на обработанной поверхности (б -традиционная обработка, г-с дополнительной прецессией).

Таким образом, повышение эффективности шлифования природного камня возможно за счет :

снижения числа технологических операций необходимых для достижения требуемого качества поверхности.

создания мехатронных устройств с адаптивной системой управления.

автоколебаний режущего инструмента и придания ему дополнительного прецессирующего движения.

Список литературы

1. Добыча и обработка природного камня/ Под общ. ред. Смирнова А.Г. - М.: Машиностроение, 1990. - 444с. 

2. Gorobez I., Golubov M.Adaptronsysteme in der Werkzeugmaschine fьr die spanabhebende Formung - Entwicklungsmethoden und Entwicklungsprozesse im Maschinenbau. 5 Magdeburger Maschinenbau-Tage.- Berlin, Logos-Verl.,2001,-S.45-51.

3. Шепелев А. А., Пасичный О. О., Целина В. В., Дуброва А. Е. Высокоэффективное алмазное флифование прецессирующим шлифовальным кругом - в кн.Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. - Донецк: ДонГТУ, 2002. Вып. 22. С. 184-189.