Источник: Wanfang Data

Повышение эффективности процесса шлифовально-полировочной обработки является актуальной задачей. Из-за длительного времени обработки и малого объема удаления материала за единицу времени, шероховатость поверхности после предыдущего этапа сильно влияет на припуск обработки на последующем этапе. В таких условиях высокая эффективность отдельного этапа не гарантирует общую высокую эффективность всего процесса. В данной статье предлагается новый подход к повышению эффективности шлифовально-полировочной обработки — оптимизация комбинации этапов с целью сокращения общего времени обработки на основе создания технологической базы данных. Представлены стратегии и методы реализации оптимизации, а также проведен анализ типичного примера. Результаты показывают, что метод оптимизации комбинации этапов является эффективным.

С развитием материаловедения новые материалы все шире применяются в различных компонентах, и требования к точности обработки постоянно растут. Сверхточные технологии шлифования и полирования, основанные на принципе "эволюционной" обработки, позволяют получать поверхность с высокой точностью и сверхгладкой геометрической формой, что широко применяется в современной обработке материалов. В настоящее время конечная обработка таких кристаллических подложек, как кремний для ИС, кварцевые резонаторы, ниобат лития, танталат лития, осуществляется с помощью сверхточного плоского шлифования и полирования. С распространением применения компонентов и увеличением объемов производства растет потребность в высококачественной и эффективной обработке.

В данной области многие исследователи и специалисты уделяют внимание методам шлифования и полирования, улучшению абразивов и полировальных жидкостей, оптимизации параметров отдельных этапов, что способствует постоянному повышению эффективности обработки. Обработка обычно состоит из четырех этапов: грубое шлифование, тонкое шлифование, грубое полирование и тонкое полирование. В зависимости от необходимости некоторые этапы могут быть пропущены, однако в целом процесс многоэтапный. Из-за длительного времени обработки и уменьшения скорости удаления материала на более поздних этапах, а также значительного влияния шероховатости поверхности предыдущих этапов на припуск последующих, высокая эффективность одного этапа не обеспечивает высокой общей эффективности, что ставит вопрос об оптимизации последовательности этапов. Несмотря на широкое применение компьютерного моделирования технологических процессов в машиностроении, в сверхточном шлифовании и полировании выбор маршрута и параметров обработки долгое время зависит от опыта рабочих, что ведет к высокой зависимости от квалификации и случайному выбору параметров, не всегда оптимальному. В статье предлагается оптимизация с целью минимизации общего времени обработки с использованием компьютерных и баз данных технологий.

Технологическая база данных является основой оптимизации комбинации этапов. На данный момент в Китае отсутствуют специализированные базы данных или справочники по сверхточному шлифованию и полированию. Данные получают в результате многочисленных экспериментов и обрабатывают методами математической статистики, устанавливая связь между параметрами обработки, шероховатостью поверхности и скоростью удаления материала, используемые для выбора технологических режимов. Для удобства хранения и применения данные разделены на четыре группы — грубое шлифование, тонкое шлифование, грубое полирование и тонкое полирование, с подробным описанием. Для каждого материала в базе хранятся 4-6 вариантов параметров обработки. Структура базы включает основную таблицу процессов, таблицу деталей этапов, а также таблицы с данными о полировальных жидкостях, шлифовальных дисках, материалах и истории оптимизации. Информация о типах, размерах частиц, концентрации абразивов и составе полировальных жидкостей хранится в таблице полировальных жидкостей. При оптимизации сначала проверяется наличие аналогичных записей в истории оптимизаций — при наличии их можно использовать напрямую. Заголовки основных таблиц приведены в таблицах 1 и 2. Основой для оптимизации служит основная таблица, а после получения результата из таблицы деталей получают параметры для управления обработкой. Для ускорения поиска создаются индексы по шероховатости поверхности и скорости удаления. Для удобства и экономии используется СУБД SQL Server 2000.

В зависимости от требуемой шероховатости поверхности определяется конечный этап обработки. В базе ищутся этапы, обеспечивающие Ra (достижимое) < Ra (требуемое) и максимальную скорость удаления. Определение конечного этапа задаёт возможные варианты последовательностей этапов. Пример приведён в таблице 3. Например, если конечный этап — тонкое полирование, возможных вариантов комбинации — восемь.

Целевой функцией оптимизации является минимизация общего времени обработки, суммы времени всех этапов. Время переходов между этапами не учитывается для упрощения и ввиду преобладания времени обработки над вспомогательным. Обозначим общее время T, время i-го этапа t_i, количество этапов n от 1 до 4. Важно, что минимизация суммы времени этапов не равна сумме минимальных времен каждого этапа из-за взаимосвязи припусков и шероховатости предыдущих этапов. Ограничением оптимизации является равенство суммы припусков этапов S_i общему припуску S. Если n=1, то S_1=S. При скорости удаления q_i время t_i рассчитывается как t_i = S_i / q_i. Возможны варианты обработки с 1 до 4 этапов, при этом припуски последующих этапов определяются с учетом коэффициента k, отражающего связь между припуском и шероховатостью, обычно принимаемого в диапазоне 15–25. Чем выше требования к поверхности, тем больше k. Учитывается, что Rt ≈ 7-8 Ra. Тогда общее время T вычисляется как сумма t_i по всем этапам. Минимум T определяет оптимальную последовательность этапов. Схема оптимизации представлена на рисунке 1.

Экспериментальные данные для одного изделия приведены в таблице 4. Припуск 0.1 мм, требуемая шероховатость Ra 0.02 μm, k=20. Оптимальное сочетание этапов 1-4-6-7 даёт минимальное время 490 минут. Если выбирать этапы с максимальной скоростью удаления — 1-3-5-7, время будет 561 минут. При выборе этапов с минимальной шероховатостью — 2-4-6-8 — время 607 минут. Это подтверждает эффективность оптимизации комбинации этапов для повышения общей производительности.

Таким образом, учитывая длительное время обработки, малую скорость удаления и значительное влияние шероховатости на припуск, высокая эффективность отдельного этапа не гарантирует общей эффективности. Создание базы данных и использование компьютерных методов позволили реализовать оптимизацию последовательности этапов, что значительно сокращает общее время обработки и повышает эффективность.