Устройство для размерно-регулируемой групповой обработки

Предлагаемый способ позволяет осуществлять все вышеописан­ные приемы применительно не только к обработке одного изделия, но и позволяет одновременно шлифовать обрабатываемые поверхнос­ти по меньшей мере двух заготовок изделий, при этом в программу каждой упругой обрабатывающей системы станка вводят пределы уп­ругости, соответствующие каждому обрабатываемому изделию. Таким образом предлагаемый способ позволяет многократное повысить производительность за счет групповой обработки множества изде­лий независимо от сложности их формы и с учетом индивидуальных свойств материала каждого изделия с минимизацией их весовых по­терь.

Желательно в процессе шлифования каждого изделия последо­вательно использовать по меньшей мере две производящие инстру­ментальные поверхности. Это позволяет с высокой точностью при отсутствии дефектов в приповерхностном слое осуществлять груп­повую обработку сложнопрофильных изделий типа "ювелирная встав­ка" и других, например, медицинских изделий из анизотропных твердоструктурных и хрупких материалов и минералов (алмазов) в условиях совмещения операций предварительной и окончательной огранки со стабильным эстетическим качеством каждого отдельного изделия.

Таким образом, предлагаемый способ стабильно обеспечивает сверхточную и сверхвысококачественную обработку сложнопрофильных наукоемких изделий из наиболее труднообрабатываемых матери­алов и минералов (алмазов), и тем самым позволяет решить основ­ную задачу создания соответствущего устройства для микрошлифо­вания таких изделий, которое позволят обрабатывать высокоточные изделия и детали сложной формы в режиме размерно-регулируемого пластичного микрошлифования без хрупкого разрушения и других дефектов на окончательно обработанной поверхности с получением высокого качества и оптических характеристик поверхностей изде­лий с гарантированной суперпрецизионной точностью размеров за­данной формы. При этом достигается:

- совмещение операций шлифования и микрошлифования при полном устранении микротрещин и других дефектов с получением

оптических классов чистоты обработанных поверхностей;

- высокое качество и размерная стабильность обработки оп­тических поверхностей на изделиях сложной формы с минимизацией весовых потерь независимо от уровня квалификации оператора;

" снижение доли поверхностей, подвергшихся хрупкому разру­шению при микрошлифовании с 99% до 3%;

- повышение интенсивности обработки по сравнению с полиро­ванием и притиркой.

Поставленная задача решена также созданием устройства для микрошлифования изделий преимущественно из сверхтвердых и хруп­ких материалов, содержащего станок (рис.3.1.), упругая обраба­тывающая система которого включает закрепленное на станке прис­пособление для крепления режущего инструмента (1), имеющего производящую инструментальную поверхность со связанными режущи­ми зернами (2), и размещенный под этим приспособлением суппорт (3). на котором установлен стол (4) с приспособлением для креп­ления обрабатываемого изделия (5), при этом устройство имеет привод продольного перемещения стола (6) в плоскости формообра­зования по координатной оси Х станка, привод продольного пере­мещения суппорта со столом (7) в плоскости формообразования по координатной оси Y станка, привод перемещения суппорта со столом по координатной оси Z станка (8) (по нормали к плоскости формообразования), привод вращения приспособления для крепления режущего инструмента (9) и средство числового программного уп­равления, управляющие выходы которого вращения приспособления для крепления режущего инструмента и перемещения стола с прис­пособлением для крепления обрабатываемого изделия по координат­ным осям X, Y и Z станка. Производящая инструментальная поверх­ность имеет вершины режущих зерен, выступающие из связки на одинаковую высоту. электрически связаны с соответствующими упомянутыми приводами

Каждый из приводов продольного перемещения стола с приспособлением для крепления обрабатываемого изделия в плоскости формообразования по координатным осям Х и Y станка представляет собой привод суммарного механизма, содержащего двухпланетарно-цевочный редуктор циклоидального зацепления с двумя входными звеньями, соединенными соответственно с двумя приводными двигателями. При этом устройство дополнительно снаб­жено системой оперативного контроля, имеющего электрическую цепь, содержащую последовательно подключенные пьезоэлектричес­кий датчик силы, размещенный под обрабатываемым изделием в приспособлении для его крепления и преобразующий составляющую силы резания в каждой точке касания обрабатываемой поверхности с каждым режущим зерном производящей инструментальной поверх­ности в напряжение электрического тока, нормирующий усилитель напряжения и аналого-цифровой преобразователь, выход которого подсоединен к соответствующему входу средств числового прог­раммного управления, которое выполнено на базе компьютера и подключенного к нему через интерфейс связи многоканального ли­нейного микроинтерполятора с буферной памятью, выходы которого подсоединены к соответствующим управляющим входам указанных приводов стола с приспособлением для крепления обрабатываемого изделия по координатным осям X, Y и Z станка. Кроме того, ука­занная система содержит формирователь импульсов, несущих инфор­мацию о периодическом изменении силы резания, вход которого подсоединен к выходу нормирующего усилителя, и измеритель час­тоты динамической составляющей силы резания, вход которого подключен к выходу формирователя импульсов, а его выход подсое­динен к соответствующему входу компьютера, при этом устройство снабжено цифро-аналоговым преобразователем, вход которого под­соединен к соответствующему управляющему выходу компьютера, а его выход - к управляющему входу привода вращения приспособле­ния для крепления режущего инструмента.

Рис. 3.1. Устройство для микрошлифования изделий на сверхтвердых и хрупких материалов.

Такое конструктивное выполнение позволяет непрерывно конт­ролировать процесс обработки в реальном масштабе времени и воз­действовать на этот процесс путем изменения режимов интенсив­ности съема припуска для того, чтобы процесс всегда проходил в режиме размерно-регулируемого пластичного микрошлифования, в основе которого лежит принцип неразрывности периодического из­менения потенциальной энергии сжатия в упругой обрабатывающей системе как следствие периодического дискретными порциями пос­лойного съема припуска в виде множества единичных пластически деформированных стружек. При этом целенаправленным изменением интенсивности съема припуска достигается устойчивое регулирова­ние как размерной настройкой обрабатывающей системы станка в каждый момент времени обработки путем изменения статической составляющей упругой деформации в обрабатывающей системе (опре­деляющей размер формы поверхности обрабатываемого изделия), так и регулирование периодически изменяющейся динамической состав­ляющей ее упругой деформации (определяющей высоту микронеров­ностей на обработанной поверхности) в условиях протекания про­цесса в области пластичного микрорезания.

Кроме того предлагаемое устройство позволяет непрерывно в реальном масштабе времени обработки идентифицировать область бездефектного съема припуска в каждой точке касания путем неп­рерывного определения вычислительными операциями физического параметра процесса микрошлифования в виде величины интервала времени переходных процессов в упругой обрабатывающей системе станка, интегрально отображающего состояние ее упругих характе­ристик. Непрерывное существование указанного интервала времени, характеризующего динамику изменения потенциальной анергии сжа­тия упругой обрабатывающей системы в виде произведения времени каждого одного периода динамической составляющей на отношение между статической и динамической составляющими амплитуды ее уп­ругих деформаций, объективно идентифицирует наличие бездефект­ного размерно-регулируемого процесса микрошлифования. А это, в свою очередь, позволяет непрерывно технологически диагностиро­вать и активно управлять этим процессом путем изменения режимов интенсивности съема с тем, чтобы суммарная величина упругой де­формации не превышала предела ее упругости, а величина динамической ее составляющей соответствовала заданным выходным параметрам высоты микронеровностей Rz на поверхности готового изде­лия. При этом выполнение исполнительных приводов линейного и вращательного перемещений с порогом разрешения (дискретностью) сравнимым с заданной высотой микронеровностей Rz окончательно (в размер) обработанной поверхности, в сочетании с выполнением на производящей инструментальной поверхности заданного коли­чества режущих зерен, вершины которых лежат на одном уровне, позволяют исключить случайность (хаотичность) в управлении ди­намикой нагружения упругой обрабатывающей системы потому, что каждое режущее зерно будет осуществлять микровоздействие на об­рабатываемую поверхность в заданных условиях. В связи о этим рассчитанные и заданные обрабатывающей системе шлифовального станка параметры интенсивности съема припуска будут соответс­твовать друг другу в реальных условиях обработки. Это позволяет стабилизировать процесс съема припуска с периодическим точно дозированным [послойным] удалением множества единичных пласти­чески деформированных стружек и обеспечить с суперпрецизионной точностью заданную геометрическую форму обрабатываемого изделия с заданными размерами и высоким с оптическими характеристиками качеством поверхности, на которой будут исключены привнесенные технологическим процессом микрошлифования риски, трещины, сколы и тому подобные дефекты, а это исключит необходимость в допол­нительных доводочных (ручных) операциях.

Привод перемещения суппорта со столом по координатной оси Z станка в направлении по нормали к горизонтальной плоскости формообразования выполняется в виде механизма поступательного перемещения суппорта клиновидной формы по наклонным относитель­но горизонтальной плоскости формообразования направляющим ста­нины, содержащего двухпданетарно-цевочный редуктор циклоидального зацепления с одним входным звеном, соединенным с приводным двигателем. Такое конструктивное решение позволяет обеспечить разрешающую способность к дискретным перемещениям мезомасштабного уровня с устойчивым управлением в режиме прямого счета им­пульсов на суммарную величину в несколько десятков миллиметров обрабатываемой поверхности изделия на производящую инструмен­тальную поверхность с одновременным обеспечением повышенной не­сущей способности и динамической жесткости упругой обрабатываю­щей системы станка в направлении съема припуска за счет увели­ченных площадей контакта между дискретно перемещаемыми друг от­носительно друга поверхностями (в десять раз более грубой раз­решающей способностью) вдоль наклонных направлений станины.

При обработке сложно-профильных изделий объемной формы из анизотропного материала (например алмаза) желательно устройство дополнить приводом поворота приспособления для крепления обра­батываемого изделия вокруг оси А, параллельной координатной оси Х станка, и приводом вращения этого приспособления вокруг оси В, пересекающей под прямым углом координатную ось А станка. При этом электрические входы этих приводов желательно подсоединить к соответствующим выходам многоканального линейного микроинтерполятора.

При одновременном плоском микрошлифовании по меньшей мере двух изделий из изотропного материала (например, стекла) бла­гоприятно устройство дополнить приспособлением для крепления по меньшей мере двух обрабатываемых изделий, при этом система опе­ративного контроля должна иметь по меньшей мере две электричес­кие цепи. каждая из которых должна содержать последовательно соединенные пьезоэлектрический датчик силы, размещенный под соответствующим обрабатываемым изделием, нормирующий усилитель напряжения и аналого-цифровой преобразователь, выход которого подсоединен к соответствующему входу компьютера.

При одновременном плоском микрошлифовании по меньшей мере двух изделий из анизотропного материала (например, алмаза) це­лесообразно систему оперативного контроля дополнить подключен­ным через интерфейс связи к компьютеру многоканальным цифровым регистратором сигналов, входы которого подсоединены к выходам соответствующих аналого-цифровых преобразователей каждой элект­рической части системы оперативного контроля.

Для управления размерной настройкой каждой отдельной из одновременно нескольких используемых автономных упругих обраба­тывающих систем при обработке соответственно каждого из однов­ременно обрабатываемых изделий, целесообразно многоканальный цифровой регистратор сигналов снабдить оперативными запоминаю­щими устройствами, количество которых соответствует количеству обрабатываемых изделий и входы которых являются входами много­канального цифрового регистратора, а также последовательно подсоединенные генератор импульсов и счетчик импульсов, управляю­щие входы которых подсоединены к блоку управления и, при этом, выходы блока управления, счетчика импульсов и каждого отдельно­го запоминающего устройства являются выходами многоканального цифрового регистратора.

При одновременном микрошлифовании нескольких сложно-профильных изделий объемной формы с равными размерами из анизот­ропных твердоструктурных материалов (например, алмазов) жела­тельно устройство дополнить приводом поворота приспособлений для крепления обрабатываемых изделий вокруг оси А, параллельной координатной оси Х станка, и приводом вращения этих приспособлений вокруг оси В, пересекающей под прямым углом ось А станка. При этом электрические входы этих приводов должны быть подсое­динены к соответствующим выходам многоканального линейного микроинтерполятора.

Для бездефектного размерно-регулируемого пластичного мик­рошлифования высокоточных многогранных форм сложно-профильных изделий из твердоструктурных анизотропных материалов (напри­мер, алмазов) желательно устройство дополнить подключенными че­рез интерфейс связи к компьютеру многоканальным цифровым пьезо­электрическим приводом дискретной врезной микроподачи обрабаты­ваемых изделий по координатной оси Z станка, количество каналов которого соответствует количеству обрабатываемых изделий, а также дополнить соответствующими количеству каналов этого при­вода последовательно подключенными цифро-аналоговыми преобразо­вателями и нормирующими усилителями. При этом управляющие вы­ходные каналы этого привода должны быть подсоединены к входам соответствующих цифро-аналоговых преобразователей, а выходы нормирующих усилителей должны быть подсоединены к соответствую­щим силовым входам соответствующих пьезоэлектрических датчиков каждой упомянутой цепи.

Для обеспечения одновременного автономного функционирова­ния по меньшей мере двух упругих обрабатывающих систем при об­работке одновременно по меньшей мере двух граней многогранных ювелирных изделий из твердоструктурных анизотропных материалов (например, алмазов) благоприятно многоканальный цифровой пьезо­электрический привод снабдить оперативными запоминающими уст­ройствами. количество которых соответствует количеству обраба­тываемых изделий и входы которых являются входами многоканаль­ного цифрового пьезоэлектрического привода, а также последовательно подсоединенными генератор импульсов и счетчик импульсов, управляющие входы которого подсоединены к блоку управления. При этом выходы блока управления, счетчика импульсов и каждого опе­ративного запоминающего устройства являются выходами многока­нального цифрового пьезоэлектрического привода.

Для повышения точности и стабильности качества бездефект­ной. в том числе и групповой, обработки сложнопрофильных изде­лий объемной формы из твердоструктурных с анизотропными механи­ческими характеристиками материалов (например, алмазов) возмож­но, чтобы приспособление для крепления обрабатываемых изделий содержало корпус, установленный на столе обрабатывающего станка с возможностью вращения вокруг оси А, параллельной координатной оси Х станка, размещенный в корпусе по меньшей мере один с зуб­чатым венцом шпиндель для крепления обрабатываемого изделия, имеющий привод его вращения через зубчатый венец вокруг оси В, пересекающей под прямым углом координатную ось А станка, в ко­тором привод вращения шпинделя должен содержать два полых вин­та, установленных параллельно и диаметрально противоположно от­носительно зубчатого венца шпинделя с возможностью их взаимос­вязанного вращения, при этом в каждом винте должны быть выпол­нены ослабляющие осевую жесткость поперечные прорези, а каждый конец каждого винта должен быть закреплен в радиально-упорном подшипнике качения с упругой деформацией сжатия в осевом нап­равлении одного винта и с упругой деформацией растяжения в осе­вом направлении другого винта. Такое конструктивное выполнение позволяет обеспечить безлюфтовый с постоянным запирающим момен­том привод вращения по меньшей мере двух шпинделей с закреплен­ными на них обрабатываемыми изделиями и на этой основе выпол­нить конструкцию съемного многоместного приспособления типа "кассета" для крепления обрабатываемых изделий на соответствую­щих шпинделях с безлюфтовым и постоянным запирающим моментом в приводе вращения отдельно каждого шпинделя.

Для повышения кинематической точности винтовой зубчатой передачи привода вращения шпинделя в приспособлении для крепле­ния обрабатываемых изделий желательно в каждом винте поперечные прорези выполнить группами и группы прорезей одного винта рас­положить в шахматном порядке относительно групп прорезей второ­го винта.

С целью обеспечения высокого качества и точности обработки в том числе и при групповой обработке целесообразно устройство для микрошлифования изделий преимущественно ив сверхтвердых и хрупких материалов снабдить вышеуказанными приспособлениями для крепления обрабатываемых изделий.

Для обеспечения стабильной регистрации колебаний динами­ческой составляющей силовых параметров резания в направлении, соосном координатной оси В станка, целесообразно стол станка снабдить установленными с возможностью осевого перемещения приспособлениями для регулировки положения соответствующего пь­езоэлектрического датчика, а также размещенными соосно соот­ветствующему шпинделю приспособлениями для крепления обрабаты­ваемых изделий. При этом приспособление для регулировки положе­ния соответствующего пьезоэлектрического датчика снабдить вин­том, на торце которого этот датчик зафиксирован гайкой, а вы­полненную в виде колпачка наружную торцевую поверхность этой гайки привести в контакт с обращенной к ней торцевой поверх­ностью соответствующего шпинделя.

Для повышения жесткости упругой обрабатывающей системы вдоль координатной оси В станка в различном угловом относительно координатной оси В положении шпинделя благоприятно в корпусе приспособления для крепления соответствующего обрабатываемого изделия под шпинделем выполнить углубление, а колпачок соот­ветствующего приспособления для регулировки положения соответс­твующего пьезоэлектрического датчика разместить в этом углубле­нии. При этом торцевая поверхность шпинделя, контактирующая с наружной торцевой поверхностью колпачка, должна быть выполнена сферической.

Для повышения точности, качества и производительности об­работки изделий целесообразно, устройство снабдить по меньшей мере двумя производящими инструментальными поверхностями, уста­новленными в приспособлении для крепления режущего инструмента с возможностью поворота относительно оси С, параллельной оси Z станка.

Таким образом, за счет целенаправленного конструктивного исполнения составных звеньев упругой обрабатывающей системы, в том числе за счет:

- конструкции станка по типу "обрабатывающего центра" с повышенной жесткостью несущей механической системы и стабильным положением каждой из по меньшей мере двух сменяемых производя­щих поверхностей режущих инструментов по отношению к принятой за начало отсчета в размерной настройке станка горизонтальной плоскости формообразования, обеспечивающих возможность наращи­вания технологических возможностей дополнительными функциями и концентрацией операций для исполнения за один постанов полного технологического маршрута в соответствии с управляющей програм­мой (измерение и сертификацию каждой "заготовки", формообразо­вание "конечного" продукта, измерение и сертификацию каждого готового изделия, устранение отдельных внутренних дефектов каждого отдельного изделия) без съема обрабатываемых изделий со станка;

- конструкции приспособления типа "револьверная головка" для установки и закрепления по меньшей мере двух режущих инс­трументов, обеспечивающей возможность относительно плоскости формообразования создания, а также периодического восстановле­ния заданной регулярной ("волнообразной") формы режущего микро­рельефа производящей инструментальной поверхности со связанными режущими зернами отдельно на каждом инструменте, не снимая их со станка;

- конструкции механизма дискретных врезных подач мезомасштабного уровня обрабатываемых изделий на производящую инстру­ментальную поверхность по нормали к плоскости формообразования, обеспечивающей порог разрешения на микромасштабном уровне, со­измеримом с расстоянием между атомами в кристаллической решетке обрабатываемого материала;

- конструкций высокомоментных и высокоточных приводов микромеханики координатных угловых и линейных перемещений исполнительных органов станка в расширенном диапазоне скоростей подач с порогом разрешения мезомасштабного уровня, соизмеримым с за­данной величиной микронеровностей R_Z на окончательно ("в раз­мер") обработанной поверхности, обеспечивающих возможность ус­тойчивого контурно-управляемого режима движения в функции пря­мого счета каждого импульсного воздействия каждого заданного режущего зерна вращающейся производящей инструментальной по­верхности на каждую соответственно заданную продольно перемеща­емую точку на обрабатываемой поверхности изделия;

- конструкции съемного многоместного (типа "кассета") приспособления для крепления обрабатываемых изделий, обеспечивающей постоянный "запирающий" момент и безлюфтовый привод вра­щения каждого отдельно закрепленного обрабатываемого изделия с порогом разрешения мезомасштабного уровня;

- конструкции комбинированной многоканальной пьезоэлектри­ческой системы, обеспечивающей выполнение функций многоканаль­ной высокочувствительной измерительной системы автономных упру­гих деформаций в обрабатывающей системе каждого отдельного из по меньшей мере одновременно двух обрабатываемых изделий, а также обеспечивающей выполнение функций быстродействующего мно­гоканального цифрового пьезоэлектрического привода, с нанометрической разрешающей способностью осуществлять автономные врез­ные подачи микромасштабного уровня каждого отдельного из по меньшей мере одновременно двух обрабатываемых изделий, при ис­пользовании одних и тех же пьезоэлектрических элементов в обоих указанных многоканальных системах;

- обеспечивается реализация технологии, компьютерного уп­равления процессом обработки с использованием новой модели фи­зической мезомеханики дискретного пластичного микрошлифования на основе текущей информации об упругих деформациях в обрабаты­вающей системе. Это впервые позволяет осуществить автоматичес­кую машинную групповую обработку высокоточных сложнопрофильных изделий из твердоструктурных и анизотропных материалов (напри­мер. алмазов) в упругой обрабатывающей системе на станке с ЧПУ и при этом непрерывно осуществлять технологическое диагностиро­вание бездефектного размерно-регулируемого микрошлифования с минимизацией весовых потерь автономно в каждом отдельном из од­новременно обрабатываемых нескольких (по меньшей мере двух) из­делий и получением оптических характеристик чистоты поверхнос­тей на этих изделиях.