НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
Нідаль Мохд Рібхі Юсеф Аль-Зухайр
(Королівство Йорданія)
УДК 621.375.826
ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ОПЕРАЦІЙ
ЛАЗЕРНОГО КОНТУРНОГО РІЗАННЯ
С п е ц і а л ь н і с т ь: 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2001
Дисертацією є рукопис.
Работу виконано на кафедрі лазерної технології, конструювання машин та матералознавства Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міносвіти та науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Котляров Валерій Павлович
НТУУ “Київський політехнічний інститут” професор кафедри лазерної технології, конструювання машин та матералознавства
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Котєльніков Дмитро Іванович Технологічний інститут (м. Чернігів) Завідувач кафедри
кандидат технічних наук
Пижик Ганна Олегівна
Одеська державна академія холоду
Асистент
Провідна установа: Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України (м.Київ) Відділ процесів плавки та рафінування сплавів
Захист відбудеться “ 21 “ травня 2001р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.15 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою:
03056, Київ-56, пр. Перемоги, 37, корпус 19, аудиторія 417.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський Політехнічний інститут” за адресою, яку наведено вище.
Автореферат розіслано “ 20 “ квітня 2001р.
Вчений секретар спеціалізованої ради
доктор технічних наук, професор Головко Л.Ф.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Необхідність розвитку та застосування високоефективних методів обробки, до яких відноситься лазерна обробка, особливо важлива на сучасному етапі переоснащення занедбаного виробництва. Вимоги ринкової економіки, в тому числі у приватному бізнесі, потребують такої форми його організації, яка дозволяла б досягати високої продуктивності та найменших витрат за умов частої зміни номенклатури продукції, тобто в мілко серійному та індивідуальному виробництвах. Для будь якої обробки це означає скорочення тривалості та зменшення складності етапу технологічної підготовки виробництва і, в першу чергу, – проектування технологічної операції та технологічного оснащення. За невеликим виключенням усі види лазерної обробки потребують складних та тривалих експериментальних досліджень для визначення оптимальних режимів обробки та оснащення технологічного обладнання додатковими пристроями та приладами. Для виконання цього комплексу проектних робіт залучаються висококваліфіковані фахівці: з квантової електроніки, приладобудування, програмісти, теплофізики та ін., тобто проектування звичайної технологічної операції перетворюється у складну науково-технічну розробку. Спрощення та скорочення етапу технологічної підготовки виробництва може бути досягнуто за рахунок розробки формалізованої методики проектування технологічних процесів лазерної обробки, бажано з автоматизацією більшості її етапів. Таким чином, створення технологічного забезпечення проектування однієї з найбільш поширених операцій лазерної обробки – контурної різки – є актуальною науково-технічно проблемою.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Цикл досліджень виконано за договорами з підприємствами України та зарубіжжя для розв’язання виробничих завдань контурної вирізки виробів з кераміки, слюди, для виготовлення багато шарових інструментів вирубних штампів, різноманітних елементів меблі, “палацевого” паркету, рекламної продукції, тощо. Цю тематику підтримано галузевими та державними планами України по розвитку критичних технологій.
Мета та задачі досліджень. Метою роботи є підвищення якості та ефективності операцій лазерного контурного різання завдяки розробки методики, інформаційного та програмного забезпечення процедури їх проектування на формальній основі.
Для досягнення мети, яку поставлено, необхідно вирішити наступні задачі:
·
дослідити можливість аналітичного моделювання процесу лазерного контурного різання;
·
розробити формалізовану методику та створити базу даних для експериментального моделювання технологічних операцій лазерного різання як багато критеріальнних об’єктів оптимізації;
·
дослідити проблеми точності технологічних операцій лазерного контурного різання з метою розробки методики її передбачення на етапі проектування операції з нормованим рівнем якості;
·
розробити методи та засоби додаткового вдосконалення технологічних операцій лазерного контурного різання;
·
виконати практичну апробацію розроблених методик та інформаційних матеріалів впровадженням технологічних операцій у промисловість.
Наукова новизна одержаних результатів. Вперше виконано порівняльний аналіз точності проектування або передвіщення результатів обробки за відомими аналітичними залежностями з метою визначення дійсних можливостей розрахункових методик режимного забезпечення операцій контурного різання. Також не має аналогів систематизований ряд рангових діаграм, які побудовано для основних розмірних, якісних та показників продуктивності технологічних операцій контурного лазерного різання. Їх наукова цінність полягає в уточненні представлень по впливу керуємих факторів на результати обробки. З практичного боку ранжировочні ряди дозволяють цілеспрямовано створювати факторний простір для чисельного дослідження процесу контурного лазерного різання та скоротити часові та матеріальні витрати на проектування технологічної операції у порівнянні з універсальним кібернетичним методом. Наукову новизну також мають аналітичні дослідження точності технологічних операцій контурного лазерного різання, які виконано на підставі теоретичного аналізу особливостей роботи лазерного обладнання, процесу діяння пучка випромінювання на заготовку та технологічних прийомів у схемах обробки, що використовуються. Хоча розроблена система додаткових засобів вдосконалення технологічних операцій має практичне використання у процесах, що розробляються, необхідно підкреслити їх високу наукоємність, що також свідчить про наукову новизну розробок. Виконані дослідження складають основу для створення системи автоматизованого проектування операцій контурного лазерного різання.
Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення результатів дослідження зв’язано з досягненням мети – підвищенням якості проектування технологічних операцій лазерного контурного різання за рахунок спрощення процедури, її формалізації, що знижує вплив кваліфікації технолога на ефективність проектування. Це підтверджується широким використанням результатів досліджень у практиці різання різноманітних матеріалів на лазерних дільницях приватних фірм.
Особистий внесок здобувача. Особисто здобувачем одержано та розроблено наступне:
·
методика параметричного керування технологічними параметрами операції;
·
рангові діаграми факторів, що керуються, для безперервного та імпульсного режимів лазерного контурного різання;
·
аналітичну модель (з числовими характеристиками) точності розмірних результатів технологічних операцій лазерного контурного різання;
·
залежності для розрахунку величин початкових нестабільностей процесу різання та коефіцієнтів їх трансформації у технологічній системі, що обробляє;
·
структуру сумарної похибки технологічних операцій контурного різання;
·
методику експериментальної оптимізації режимів лазерної обробки з урахуванням особливостей керування процесом різання;
·
структуру САПР ТО та програмний продукт, який наведено у додатках;
·
схеми методів та конструкції пристроїв, які не режимним шляхом вдосконалюють процес обробки, а також результати їх експериментальних досліджень;
·
результати впровадження деяких операцій у промисловість.
Апробація результатів дисертації. Про основні положення роботи доповідалося на науково-технічних семінарах кафедри ЛТКМ (НТУУ “КПИ”), на міжнародній конференції “Mechanics’98” у Жешуві (Польща). на науково-технічних конференціях студентів та молодих вчених ММІ НТУУ (КПІ) “Машинобудівник-2000” та “Машинобудівник-2001”.
Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 8 наукових праць, в тому числі 3 статті у фахових часописах.
Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списки використаних джерел з 161 найменувань на 9 сторінках та двох додатків на 6 сторінках. Роботу викладено на 168 сторінках машинописного тексту, у тому числі є 68 малюнків на 34 сторінках, 17 таблиць на 13 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У Вступі обгрунтовується актуальність поставлених до розв’язання проблем, визначено завдання досліджень та встановлено наукову новизну запланованої роботи.
В першому розділі - аналітичній частині дисертації – розглянуто сучасний стан технологічного забезпечення операцій лазерного контурного різання: методику керування технологічними параметрами, наявність ефективних величин для об’єктивної оцінки результатів технологічної операції. Проаналізовано також можливості та якісні результати сучасних методів проектування режимів обробки, їх придатність до використання для розв’язання багатокритеріальних задач у інженерній постановці. Визначено рівень точності лазерного контурного вирізання пазів за умови безперервного та імпульсного опромінювання на підставі експериментальних даних та можливість керування нею режимними засобами. Зроблено спробу систематизувати не режимні засоби вдосконалення технологічних операцій для формування банку даних їх технологічного оснащення. В результаті виконаного огляду літературних даних встановлено, що для керування процесом лазерного контурного різання використовують обмежений перелік технологічних факторів, головним чином тих, керування якими передбачено конструкцією технологічного обладнання. Це знижує не тільки керованість процесу, але й можливість режимного впливу на результати обробки. Крім того, при використанні експериментальних методів дослідження за умов врахування неповного переліку впливових факторів неможливо одержання коректних результатів (чисельних даних, математичних моделей, графічних залежностей). Таким чином, виконання цієї роботи повинно бути пов’язано з уточненням переліку факторів, які дієво впливають на повний набір розмірних, якісних та показників продуктивності технологічної операції [1].
Керування процесом лазерної обробки за допомогою методів, які передбачено конструкцією лазерного устаткування, неефективне тому, що одночасно змінюються декілька параметрів інструменту – пучка випромінювання – та умов опромінювання, що невизначено змінює комплексний результат останнього – густину потужності теплового джерела у зоні обробки. Це не тільки виключає можливість кількісного керування процесом та результатами лазерного контурного різання, але й обмежує методи його дослідження однофакторними класифікаціями. Для розширення технологічної керованості процесом необхідно розробити способи параметричного впливу на процес опромінювання, тобто створити методи та засоби керуємого впливу на рівень комплексного показника процесу – густини потужності наведеного теплового потоку.
При визначенні справжніх можливостей сучасних методів одного з найважливіших етапів технологічного забезпечення процесу лазерного різання – розрахунку режимів обробки – встановлено, що, по-перше, існуючі методики характеризуються загальним недоліком: за формою математичного запису вони зручні лише для опису результатів обробки, але з урахуванням залежності останніх від багатьох факторів робить неможливим безпосередній вибір оптимального режиму обробки. Використання аналітичних моделей для рішення останньої задачі, як показують результати обчислювальних експериментів (рис.1), потребує додаткових інформаційних джерел для уточнення одержаних режимів обробки, тому що розбіжність передвіщених результатів достатньо велика у звичайному діапазоні значень густини потужності теплового потоку у зоні обробці імпульсним (а) та безперервним (б) опромінюванням. Це є підставою залучати для мети проектування технологічних операцій контурного лазерного різання інші методи, які базуються на експериментальних дослідженнях процесу. Тому черговою задачею, яку потрібно вирішити у дисертаційній роботі, є розробка методики та інформаційного забезпечення експериментальних шляхів проектування технологічної операції, в тому числі, у режимі оптимізації.
Рівень дослідження точності операцій лазерного контурного різання невисокий: відсутня деталізація складових частин похибки, тобто не відомі джерела її походження. До того ж це торкається лише ширини різу, тобто операцій виготовлення пазів та щілин. Таким чином, до переліку проблем лазерного контурного різання треба віднести задачу створення методики детального передвіщення точності виробів після лазерного вирізання.
Сучасні вимоги до організації технологічної операції передбачають практичне використання декларованої гнучкості лазерного метода обробки на підставі створення методів та засобів технологічного вдосконалення інструмента – пучка випромінювання – та оперативного керування його параметрами. Аналіз створених баз даних технологічного оснащення операцій лазерного контурного різання дозволяє стверджувати, що необхідні їх розширення та систематизація на підставі одержаних в дисертації результатів рангування факторів за впливом на вихідні показники, а також з урахуванням складу сумарної похибки обробки. Це є ще одним завданням досліджень.
Аналіз прикладів практичного застосування лазерної технології у операціях контурного вирізання заготовок підтверджує загальний висновок літературного огляду – недостатнє технологічне забезпечення процесу тому, що найбільш поширено операції заготівельного виробництва, до якості яких висуваються невисокі вимоги. До того ж більшість публікацій не містить інформацію про використані методи визначення режимів обробки та якісні її результати, а деякі наводять експериментальні моделі, які побудовано у обмеженому та випадковому за набором факторів просторі, не визначаючи його меж та стан факторів, що не керуються. Тобто, останні результати не можуть бути використані для проектування операцій, подібних до описаних. Цей розділ огляду сучасного стану практичної технології лазерного контурного різання підтверджує актуальність мети дисертаційної роботи та доцільність вирішення завдань досліджень, які наведено вище.
У другому розділі експериментальні дослідження провадились на сучасному лабораторному та промисловому технологічному обладнанні. Для можливості оптимізації процесу діяння пучка випромінювання на матеріал заготовки використовувалися різноманітні за режимом роботи та параметрами пучка випромінювання лазери: на СО2 – з безперервним (ТЛ-1,5) та імпульсним (ЛГ-50-2) режимом роботи; на азоті (ЛГИ-505); на гранаті Y3Al5O12 (неодим Nd+3) з безперервним (ЛТН-103) та імпульсним (ЛТИ-502) режимом роботи, а також лабораторний комплекс на склі (неодим Nd+3) з широкими можливостями зміни параметрів випромінювання (умов опромінювання) та технологічні установки на базі цих лазерів, в яких використано технологічні модулі з 2-х або 3-х координатним керуванням відносним положенням пучка випромінювання та заготовки від ПК. Можливість зміни довжини хвилі випромінювання у широких межах (від УФ до далекої ІЧ області) та тривалості опромінювання (від наносекундної до безперервної) дозволяє оптимізувати процес обробки за багатьма критеріями. Контроль режимів обробки (параметрів пучка та умов опромінювання) виконувався за допомогою стандартних приладів (ИМО-2, ИКТ-1м, ТИ-4) та спеціально розроблених та виготовлених аналізаторів (на спиці, на різновисоких світловодах), вимірювачів розмірів каустики сфокусованого пучка випромінювання у районі її перетину, тобто з високим рівнем густини потужності (ГПВ). Результати обробки оцінювалися за багатьма показниками (ширина різу b, товщина заготовки, яку розрізано з достатньою якістю д, коефіцієнт варіації ширини різу нb, висота грату на поверхні заготовки hгр, неперпендикулярність стінок різу до поверхні заготовки - або його конусоподібність k, шорсткість поверхні стінок різу Rz (Ra) та глибина зони термічного впливу Zтв), які вимірювалися за допомогою мікроскопів (БМИ-1Ц, МІМ8 або подвійного мікроскопу Лінніка), мікротвердоміру ПМТ-3, профілографа-профілометра стенду з автоматизованим вводом даних до обчислювальної техніки (ПК IBM Pentium II). Статистична обробка даних виконувалась за програмою Mathcad 7,0.
Основна частина експериментів виконувалась за активною схемою на базі багатофакторних планів. Однією з основних передумов їх використання є можливість параметричного впливу на ті фактори, які включено до факторного простору. В зв’язку з тим, що таке керування неможливе передбаченими у конструкціях лазерного устаткування методами, в роботі використано багато канальний вплив на енергетичні (рис.2), часові (3) та кутові (рис.4) характеристики випромінювання за розробленими методиками та пристроями. Так, для незалежної зміни розміру пучка випромінювання використано лазер з трьох дзеркальним резонатором оригінальної конструкції (рис.5). Внутрішнє дзеркало з покриттям на вигнутому конусі має отвір у центрі, який має дорівнювати необхідному розміру пучка випромінювання, а нахил стінок ц вибирається таким, щоб забезпечити незмінність початкового рівня енергії та кута розходження (рис.6).
Для підвищення статистичної значущості та ефективності вихідних показників, якщо вони мають випадковий характер, деякі з них було змінено: замість оцінки точності обробки за величиною поля розсіяння ширини різу 6Sb використовувалась більш інформативна величина – коефіцієнт варіації її розміру b: нb = Sb/b (100%). Опис поздовжньої форми різу виконуємо у вигляді функціоналу нев’язки профілів – заданого та одержаного (рис.7): , тоді пошук режимів формування різу необхідної форми виконується шляхом мінімізації цієї функції.
У обсяг питань, розглянутих у дисертації, увійшли ті, які відповідно до мети досліджень, мають складати технологічне забезпечення операцій лазерного контурного різання. На рис.8 показано структуру досліджень та їх взаємозв’язок у технологічній системі, що обробляє (ТОС). Однією із задач досліджень є створення практичної методики та інформаційного забезпечення експериментальних шляхів пошуку режимів лазерного контурного різання. Враховуючи багато факторну залежність результатів обробки та багато критеріальність оцінок останніх, а також необхідність залучення до досліджень усього комплексу впливових факторів, використання методики багатофакторного експерименту (БФЕ) видається мало перспективним. Це стає зрозумілим, якщо оцінити об’єм необхідних досліджень для одержання моделі процесу у вигляді поліному II порядку за рівнянням N = 3n (n – число факторів, які впливають на процес обробки) та врахувати необхідність повторів у кожній експериментальній точці (nu = 3). Крім того, багата кількість експериментальних планів, які різняться за декількома критеріями оптимальності, ускладнює вибір дійсно ефективного у конкретній інженерній ситуації порядку досліджень. Для створення передумов експериментального
Таблиця 1
Ряди впливу факторів
Технологічний показник | V | P | F | | F | p | Zc
Товщина заготовки з вуглецевої сталі вус | 1 | 3 | 2 | - | - | 4 | -
Товщина заготовки з нержавіючої сталі нс | 1 | - | 3 | - | - | 2 | -
Товщина заготовки з титанового сплаву Ti | 1 | 2 | 4 | - | - | 3 | -
Ширина різу листа з вуглецевої сталі bус | 3 | 4 | 1 | - | 5 | 6 | 2
Ширина різу листа з нержавіючої сталі bнс | 3 | 2 | 1 | - | 4 | 6 | 5
Ширина різу листа з титанового сплаву bTi | 1 | 4 | 2 | 7 | 5 | 6 | 3
Коефіціент варіації ширини різу вуглецевої загот. вус | 3 | 5-6 | 7 | 4 | 1 | 5-6 | 2
Коефіціент варіації ширини різу нерж. загот. нс | 1 | 3 | 4 | - | - | 2 | -
Коефіціент варіації ширини різу титанової загот. Ti | 1 | 2-4 | 5 | - | 2-4 | 2-4 | -
Висота грату при різанні вуглецевої сталі hгрус | - | - | 1 | 4 | 3 | 5 | 2
Параметр шорсткості стінок різу вуглецевої сталі Rzус | 2 | 5 | 3 | 1 | 6 | 4 | 7
Параметр шорсткості стінок різу нерж. сталі Rzнс | 4 | 3 | 1-2 | 1-2 | 6 | 5 | 7
Параметр шорсткості стінок різу титан. сплаву RzTi | 2 | 1 | 5 | 3 | 4 | 6 | 7
Глибина ЗТВ при різанні вуглецевої сталі Zтвус | 1 | 3 | - | - | - | 2 | -
Глибина ЗТВ при різанні нержавіючої сталі Zтвнс | 3 | 1 | - | - | - | 2 | -
Глибина ЗТВ при різанні титанового сплаву ZтвTi | 1 | 3 | - | - | - | 2 | -
Товщина заготовки з нерж. сталі з підв.якістю ус’ | 2 | - | 3 | - | - | 1 | -
проектування за означеною методикою (БФЕ) у дисертаційній роботі виконано рангування керуємих факторів за ступенем їх впливу на показники технологічної операції (стандартні та
Таблиця 2
Каталог експериментальних багатофакторних планів
№
п | Модель
Число ефектів. План | Число факторов n
2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8
1 | Лінійна, Lл = 1+n +0,5n(n-1) | 4 | 7 | 11 | 16 | 22 | 29 | 37
Тип плану | 22 | 23 | 24 | 25-1 | 26-1 | 27-2 | 28-2
Кількість досліджень | 4 | 8 | 16 | 16 | 32 | 32 | 64
Коефіцієнт насиченості KN | 1,00 | 1,15 | 1,45 | 1,00 | 1,45 | 1,10 | 1,73
2 | Квадратична, Lкв = 0,5(n+2)(n+2) | 6 | 10 | 15 | 21 | 28 | 36 | 45
Тип плану (композиційний) | Bk | Bk | Bk | Bk | Bk, Hc | Bk | Bk
Кількість досліджень | 8 | 14 | 24 | 26 | 44 | 48 | 80
Коефіцієнт насиченості KN | 1,30 | 1,40 | 1,60 | 1,20 | 1,60 | 1,50 | 1,77
3 | Квадратична, Lкв = 0,5(n+2)(n+1) | 6 | 10 | 15 | 21 | 28 | 36 | 45
Тип плану (насичений) | HcквD | HcквD | Рехтш | Рехтш | Рехтш | Рехтш | Рехтш
Кількість досліджень | 6 | 10 | 15 | 21 | 28 | 36 | 45
Коефіцієнт насиченості KN | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1
4 | Лінійна (квадр.) (n+1)L0,5(n+2)(n+1) | 3-6 | 4-10 | 5-15 | 6-21 | 7-29 | 8-37 | 9-46
Тип плану (компромісний), №плану | 41 | 45 | 46 | 56 | 52 | 31 | 32
Кількість досліджень | L | L | L | L | L | L | L
розроблені). Рангові діаграми побудовано за допомогою насичених планів (Плакета-Бермана, Вучкова, Рехтшафнера та ін.) та компромісних планів Бродського. В табл.1 наведено ряди впливу факторів для безперервного режиму опромінювання, а на рис.9 – рангові діаграми - для імпульсного. У дисертації складено каталог експериментальних планів для спрощення процедури математичного моделювання процесів лазерного контурного різання з метою винаходження оптимальних режимів обробки. Основу каталогу (табл.2) складають D-оптимальні плани для зменшення похибок розрахунків коефіцієнтів моделей із-за значної нестабільності процесу, більшість планів є ортогональними. Вибір плану здійснюється за формальними ознаками і наявності визначеної моделі, кількості вибраних факторів, що керуються у експерименті, та параметрів оптимізації. Найбільш досліджені процеси обробки, гіпотетичні моделі яких складається з визначеного переліку факторів (уточнення залежностей, які одержано раніше, розширення факторного простору, заміна функцій мети), необхідно моделювати за допомогою компромісних планів відповідної потужності. При пошуках режимів обробки у дисертації розглянуто два випадки: перший, коли операція оптимізується за одним критерієм (такий клас завдань зустрічається рідко, тому що до одного технологічного показника майже завжди додається техніко-економічний), другий клас завдань – з багатьма критеріями оптимізації. Для першого випадку пропонується виконувати пошук стаціонарних точок поверхні відгуку методом формування системи квазіоднофакторних моделей процесу або рішенням її канонічної форми. Розв’язання багато критеріальних задач зв’язано з пошуком координат стаціонарних точок, оптимальних за кількома критеріями водночас, що майже неможливо радше при використанні потужних ЕОМ. З метою спрощення цієї процедури використано методику, по-перше, перетворення окремих параметрів відгуків у функції (частинні функції бажаності, функціонали нев’язок), по-друге, їх об’єднання у єдину функцію мети (узагальнену функцію бажаності, функцію з невизначними множниками Лагранжа або із штрафними функціями). Розроблено алгоритми перетворення та підпрограми. Останні розроблено також для пошуку координат екстремальних точок за алгоритмами Ньютона, Девідсона-Флетчера –Пауела та Хука-Дживса. Розроблені методики, алгоритми та програми було використано під час впровадження лазерної технології у виробництво керамічних плат друкованого монтажу (вирізка віконця) та нарізання шкал вимірювальних інструментів (штангенциркулів, штангенглибиномірів, мікрометрів). Для останнього завдання оптимальні режими обробки технологічній операції знаходились пошуком координат мінімуму або найменшої стаціонарної точки у межах дослідженого факторного простору у функції:
(1)
де: Sн та S(xi) – нормативне значення та модель ширини штриха шкали, hн та h(xi) – те ж для його глибини; б та в – коефіцієнти, які забезпечують різке збільшення функції за межами факторного простору (xi). Графічна інтепретація перетворення моделі ширини паза S(xi) у функціонал нев’язок [Sн-S(xi)] і цільову функцію (1) показана на рис.10 (1, 2 - межа факторного простору; 3, 3' - задані рівні ширини штриха: 3; 5 і 20мкм; 4 - функція відгуку S = S(xi); 5 і 5' - функціонали нев’язок [5-S(xi )]2 і [20-S(xi)]2; 6 і 6' - F(xi) за межами факторного простору). Оптимізовано режими нарізки шкал із шириною штриха від до 3 до 120мкм.
Використання показників точності результатів обробки як одного з критеріїв технологічної операції, дозволяє одержати режими різання з нормованою відтворюванністю ширини різу, однак, та методика, що використовується для побудови моделі точності, не дає можливості провести детальний аналіз її складу з метою пошуку шляхів скорочення джерел нестабільностей.
В третьому розділі дисертації знайшла подальшого розвитку методика аналітичного прогнозування очікуваної точності лазерної розмірної обробки, яку запропоновано проф. Котляровим В.П., з урахуванням особливостей процесу контурного різання та використаних технологічних схем та обладнання [5]. Так, до складу нестабільностей інструменту додається варіації просторового положення осі пучка та частоти надходження імпульсів випромінювання, а у режимі газолазерного різання (при безперервному опромінюванні) інструмент стає комплексним внаслідок залучення кінетичної енергії струменя технологічного газу для видалення матеріалу із зони різу. Тому склад початкових нестабільностей інструменту поповнюється коливанням тиску та видатку газу та положення його струменя відносно поверхні заготовки. Дещо доповнюється перелік джерел збудження початкових нестабільностей: для частотної та безперервної подачі енергії стає вагомим перегрів та деформація центру фокусуючої лінзи для зміни форми каустики пучка випромінювання. Також змінюється склад похибок, які зв’язано з нестабільностями технологічних прийомів та обладнання, що використовують для настройки режимів опромінювання. На відносне положення пучка випромінювання та заготовки додатково впливає зміна відстані від випромінювача до поверхні заготовки. Ця похибка – систематична, тому її можна заздалегідь передбачити та врахувати. Остання група похибок доповнюється також нестабільністю швидкості контурного переміщення інструменту та заготовки. До речі, необхідність відносного контурного переміщення викликає додаткову складову похибки розташування та закріплення листової заготовки завдяки її нежорсткості. Похибки внаслідок нестабільностей властивостей заготовки та її поверхні проявляються дужче в зв’язку з меншим рівнем густини потужності у зоні опромінювання. Так, нестабільність поглинальних властивостей поверхні внаслідок наявності не ній окисних плівок та бруду може викликати не тільки коливання розмірних результатів обробки, але й змінити вид процесу діяння випромінювання на матеріал заготовки. Тому в балансі похибок цієї групи враховується складова їх частина, яка пов’язана з можливістю чергування чистих ділянок поверхні з окисленими.
Для побудови аналітичних залежностей для розрахунку чисельних характеристик початкових нестабільностей mxi, myj, mzl, Dxi, Dyj, Dzl теоретично досліджено особливості роботи лазерного технологічного обладнання, його налагодження на технологічний режим, а також технологічних схем, що використовуються для контурної обробки. Головним чином, увагу приділено випромінювачам на СО2, які працюють у безперервному та імпульсному режимах та компоновці технологічного модуля з “летучою” оптикою тому, що вони найчастіше використовуються в операціях контурної обробки, а також характеризуються більшою кількістю збудників похибок. Коефіцієнти трансформації ТОС ai, bj, cl, як перетворюючої системи, було знайдено внаслідок розрахунків за синтезованими із аналітичних та математичних моделей залежностями. Порівняння останніх між собою показали, що в деякому режимному діапазоні вони мають однаковий характер залежності від густини потужності у зоні опромінювання. Таким чином, розроблено усі компоненти аналітичної моделі точності технологічних операцій лазерного контурного різання, тобто на етапі її проектування можливе передбачення очікуваної точності обробки та визначення головних джерел складових сумарної похибки. На рис.11 показано структури останньої для імпульсного (а) та безперервного (б) режимів опромінювання. Видно, що загальна величина похибки розміру вирізаного контуру Д? складається з похибки ширини різу Дb та помилки відносного переміщення заготовки та інструменту Дв. Для імпульсного випромінювання, коли різ формується внаслідок суперпозиції наскрізних отворів діаметром d b, дійсна ширина різу bд залежить також від схеми відносного розташування окремих отворів, а її похибки mДb та DДb залежать від недоліків схемоутворення mДbсх та DДbсх. Аналізуючи ці складові сумарної похибки, а також складові похибки поодинокого елементу різу Дb1, можна одержати таку інформацію:
- основний внесок у випадкову складову сумарної похибки DДB вносить мінливість напрямку пучка випромінювання Дв для імпульсного різання і похибки ширини різу Дb - для безупинного режиму опромінення. Це пояснюється тим, що в останньому випадку використовувалася короткофокусна лінза, менше дошкульна до кутових нестабільностей осі пучка випромінювання;
- значення передвіщеної випадкової складової похибки ширини різу Дb, яка дорівнює 7,9мкм та 31,2мкм відповідно для імпульсного і безупинного режиму, близьке до експериментального значеня 11 і 30,5мкм, що свідчить про коректність запропонованої методики;
- похибки схеми обробки Дbсх незначно збільшують сумарну похибку ширини різу b тому, що при обраному рівні швидкості різання частота надходження імпульсів забезпечує значення коефіцієнта перекриття kп = 0,076, що істотно нижче оптимального рівня 0,3-0,4;
- систематична складової похибки ширини різу mДb у випадку безупинного різання більше тієї ж величини при імпульсній подачі енергії, незважаючи на менший рівень вхідної нестабільності y1, унаслідок більшої чутливості процесу опрацювання до реального значення щільності потужності Wр при низьких її рівнях (режим плавлення). Цією же причиною можна пояснити більш істотний вплив нестабільності розходження пучка випромінювання, товщини заготовки, її зсуви при установці у випадку безупинного різання,
- високий рівень імпульсної потужності дозволяє застосовувати для різання довгофокусні лінзи, що забезпечує поліпшення форми різу (зменшується клиновидність), проте, через велику чутливість оптичної системи до положення осі пучка випромінювання значно збільшується похибка розміру виробу, що вирізується, при щодо невисоких параметрах розсіювання ширини різу, наблизивши її практично до рівня сумарної похибки при безупинному різанні;
- аналіз структури похибки ширини різу Дb дозволяє визначити шляхи підвищення точності виробів, що вирізуються, додатковими засобами: організаційними заходами, створенням технологічної оснастки й оптимізацією режиму обробки при рішенні задачі мінімізації рівня сумарної похибки або її складових, наприклад, застосуванням схеми обробки в циліндричній світловій трубці (ЦСТ) можна скоротити значну частку складової похибки a4x4.
У четвертому розділі наведено розроблений алгоритм та бази даних технологічного оснащення створеної системи автоматизованого проектування операції, яку поповнено розробленими у дисертаційній роботі такими методами та засобами додаткового вдосконалення технологічної операції: експрес метод визначення оптимальних режимів газолазерного контурного різання; спосіб та конструкція пристрою для якісного різання шаруватого матеріалу; технологічна схема формування різу з нормованим нахилом стінок нережимними методами та конструкції оптичних пристроїв для різання пучком випромінювання несиметричного профілю. Використання цих розробок дозволяє додатково вдосконалювати технологічну операцію нережимними методами, тобто після проектування її режимів обробки.
Результати досліджень та розробок, виконаних у дисертації, складають банк даних, а розроблені методики та алгоритми (моделювання технологічної операції, пошуку та оптимізації режимів обробки, аналізу очікуваної точності) – програмну частину, тобто основу для створення системи автоматизованого проектування технологічної операції лазерного контурного різання. Її принципи: системна єдність, розвиток, сумісність ручного та автоматизованого проектування, мінімальний зв’язок з із зовнішнім середовищем, функціювання у масштабі дійсного часу. Її складовими компонентами є: підсистема проектування, інформаційне забезпечення у вигляді банка даних, системна, базові та підпрограми “Моделювання”, “Оптимізація”, “Точність”, елементи технічного забезпечення системи є: ПК IBM Pentium II з периферією (монітор, плотер, сканер, ЦДУ), а також вимірювальна підсистема для автоматизованого введення експериментальних даних.
П’ятий розділ наводить як результати, одержані у роботі, було використано при розробці та упроваджені у виробництво реальних технологічних операцій контурної обробки та відповідного обладнання і оснащення:
1.
Контурна вирізка та об’ємне гравірування виробів з неметалів (деревина, фанера, шпон, пластичні маси та ін.) в умовах приватного підприємства з широкою номенклатурою виробів за умов частої їх зміни: вибір режимів обробки здійснюється експрес методом, який розроблено у дисертації.
2.
Якісна обробка фігурних виробів із слюди: вирізка термостійких вікон для вузлів електронних приладів, діелектричних прошарків у дошкульних елементах радіовимірювальних систем. Використання запропонованої методики обробки шаруватого матеріалу дозволило виключити його розшарування та оплавлення по краях виробів, тобто досягти необхідної якості приладів, де вони використовуються.
3.
Вирізка деталей шаруватих інструментів вирубних штампів з одночасним формуванням їх ріжучої кромки та зміцненням робочих поверхонь, Ця операція виконується за розробленою схемою обробки несиметричним пучком та за допомогою сконструйованих пристроїв – оптичного вузла з ексцентричною лінзою та вузла, що стежить, з механічним та програмним керуванням положенням лінзи.
4.
Виготовлення виробів з конструкційної кераміки – вирізка вікон та обробка отворів із стінками, які перпендикулярні поверхні виробу, нанесення шкал на вимірювальні прибори. Вибір та оптимізацію режимів обробки за кількісними та якісними критеріями виконано з використанням елементів розробленої САПР ТО.
ВИСНОВКИ
1.
Комплексні дослідження процесу лазерного різання з використанням науково обгрунтованої методології розробки технологічних операцій лазерної обробки, заснованої на класичних принципах технології машинобудування, дозволили створити інженерну методику проектування операцій контурного лазерного різання і керування їх якісними і кількісними результатами з формалізацією прийняття базових рішень.
2.
Виконаний параметричний аналіз процесу лазерного контурного різання дозволив створити основи керування технологічними операціями з урахуванням особливостей застосовуваного інструмента (пучка лазерного випромінювання), фізичних процесів обробки, а також розмірних, якісних результатів, показників продуктивності. Дані параметричного аналізу, що складають інформаційну базу проектування технологічних операцій, дають можливість спростити і формалізувати основні його етапи: формування факторного простору (набору керованих чинників, рівнів, що фіксуються), вибір виду моделі і методики досліджень, визначення пріоритетів при керуванні процесом або при розробці технологічної оснастки.
3.
Для аналітичного методу прогнозного розрахунку сумарної похибки технологічної операції, а також моделі точності розмірних її характеристик розроблено залежності для визначення елементарних похибок, що дозволило не тільки виділити систематичну і випадкову складової сумарної похибки, але і структурувати останню по об'єктах ТОС, а також установити джерела нестабільностей системи. Встановлено, що розмір сумарної похибки операцій контурного лазерного різання визначається як конструктивно-технологічними параметрами елементів ТОС (71%), так і режимом її функціонування (29%). Це дозволяє рекомендувати такі шляхи керування результатами операцій: оптимізація режимів обробки при використанні сумарної похибки або її складових у якості функцій цілі, скорочення вихідних нестабільностей за рахунок застосування додаткових засобів впливу на ТОС.
4.
Практично доведено, що для коректного моделювання процесу лазерного контурного різання, найбільше складного за набором фізичних явищ, із метою оптимізації технологічної операції і керування її результатами необхідно використовувати експериментальні методи. Розроблений каталог багатофакторних планів дозволяє за формальними ознаками (числу значимих чинників, кількості вихідних показників) виконувати планування експериментальних досліджень (за D - оптимальними планами для кількісних результатів і за G - оптимальними - для якісних) з урахуванням ступеня вивченості процесу. Для рішення багаьокритеріальных задач ефективні оптимизаційні методи з формуванням узагальненої функції цілі.
5.
Встановлено, що рішення складних технологічних задач, наприклад оперативного режимного забезпечення операцій різання композитів перемінної товщини, контурної вирізки виробів з одночасним формуванням профілю їхніх бічних крайок (виготовлення ріжучого і штампового інструмента, в операціях прототайпингу) спрощується при використанні спеціальної технологічної оснастки, що використовує особливості інструмента і методів його формування. При керуванні якістю результатів нережимними засобами напрямок розробок повиннто встановлювати на підставі аналізу структури сумарної похибки технологічної операції.
6.
Використані методи досліджень моделювання й оптимізації операцій контурного лазерного різання, а також їхні результати складають інформаційну, а розроблені алгоритми - програмну основу для створення інженерної методики проектування і керування технологічною операцією у виді САПР ТО, застосування якої для розробки реальних процесів різання, устаткування й оснастки сприяло застосуванню лазерної технології при виробництві столярних виробів (СП “Апогей”, м. Київ), телемасок і інших виробів рекламного виробництва (ТОВ “БАС ЛАЗЕР”, м. Київ), перфорації бланків цінних документів (Інститут прикладної фізики НАН України) із високою ефективністю і якістю.
Основні положення дисертації викладено у наступних роботах:
1.
Котляров В.П., Лелека С.В., Недаль Зухаір. Оптимізація операцій газолазерного контурного різання // “Експрес новини: наука, техніка, виробництво. – 1999. - №15. – С. 20-23.
2.
Котляров В.П., З.Нідаль, Богдановa О.В. Технологічні основи проектування операцій контурної лазерної зміцнюючої обробки експериментальними методами // Наукові вісті НТУУ (КПІ). – 1999. - №3 – С. 63-66
3.
Котляров В.П., Сергієнко М.І., Нідаль З., Богданова О.В. Нестабільність розмірів шару лазерного зміцнення деталей гірничих машин // Вісник КПІ (серія “Гірництво”). – 2000. - № 2 – С. 81-86.
4.
Котляров В.П., Недаль Зухаир, Моххамед Хамид Аллах. Качественные результаты контурной газолазерной резки // Электронная обработка материалов. – 1998. - №1-2. – С. 10-17.
5.
Котляров В.П., Лелека С.В., Зухаир Недаль. Источники нестабильности размерных характеристик операций лазерной обработки // Электронная обработка материалов. – 1999. - №1 – С. 61-65.
6.
Kotlyarov V.P., Leleka S.V., Z. Nidal. Instability sources of laser machining operation dimensions characteristic // Surface engineering and applied electrochemistry (USA)/ - 1999. - №2 – P. 1-6.
7.
Kotlyarov V.P., Z. Nidal, M. Hamid-Alah. Qualitative results of laser contouring // Surface engineering and applied electrochemistry (USA). - 1998. - №2 – P. 11-16.
8.
Котляров В.П., Лелека С.В., Недаль Зухаир. Технологическое обеспечение операций лазерной поверхностной контурной обработки // Электронная обработка материалов. – 1998. - №3-4. – С. 4-9
АНОТАЦІЯ
Нідаль Мохд Рібхі Юсеф Аль-Зухайр. Технологічне забезпечення операцій лазерного контурного різання. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 – процеси фізико-технічної обробки. Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2001р.
Дисертація присвячена підвищенню якості результатів технологічних операцій лазерного контурного різання. В дисертації розроблено технологічне забезпечення, тобто методика, інформаційний та програмний продукт для проектування режимів обробки, аналітична модель та розрахункові залежності
