Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2011 31 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ МАЛОГО ДИАМЕТРА ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ ЛУГОВОЙ И. В. Белорусский национальный технический университет Отверстия относятся к замкнутым поверх- ностям, получаемым в материалах различными способами, которые можно классифицировать по ряду факторов: по виду обрабатываемого материала, форме отверстия в продольном и по- перечном сечениях, точности размеров (рис. 1). Они могут быть сквозными или глухими. Отдельную группу в деталях машин и при- боров занимают отверстия, которые необходи- мо получить с высокой точностью формы и размерами с глубиной до 10 мм и диаметром до 1 мм [1]. Другую группу составляют отвер- стия, получаемые в труднообрабатываемых ма- териалах. К ним относятся отверстия, получае- мые традиционными способами в материалах с высокой твердостью и в хрупких материалах: вольфрамсодержащие и титанокарбидные спла- вы, алмаз, рубин, лейкосапфир, закаленные ста- ли, магнитные сплавы из редкоземельных эле- ментов, термокорунд и другие, а также герма- ний, кремний, ферриты, керамика, стекло, кварц, полудрагоценные и поделочные минера- лы и материалы, в которых могут образовы- ваться сколы и микротрещины при обработке. Среди них особую группу составляют отвер- стия с криволинейным профилем в продольном направлении, некруглые в поперечном сечении, а также отверстия и каналы в биологических материалах (кости и ткани), обработка которых представляет большую трудность. Существуют различные методы обработки отверстий в материалах, каждый из которых обладает определенными достоинствами, недо- статками и ограничениями по применению (рис. 2). По виду материалов Классификация обрабатываемых отверстий По форме Металлы Хрупкие Биологиче- ские В продольном сечении В поперечном сечении По точности ли те т ал ит ет ал ит ет Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2011 50 Рис. 1. Классификация обрабатываемых отверстий Рис. 2. Методы обработки отверстий Наибольшее применение среди них нашла обработка отверстий резанием лезвийным ин- струментом в металлических материалах. При механической обработке малых отверстий ос- новным режущим инструментом являются де- фицитные и дорогостоящие сверла, которым необходимо придавать большую скорость вра- щения. Однако данный метод не позволяет по- лучать криволинейные отверстия, затруднена обработка отверстий со сложным профилем в хрупких материалах. Обработка абразив- ным инструментом – более приемлемый способ Методы обработки отверстий Резание лезвий- ным инструментом Сверление. Зенкерование. Развертывание Абразивная обработка Связанным абразивом Свободным абразивом Шлифование. Хонингование Доводка. Полирование Электро- физический Лазерная обработка Электроискровая. Электроимпульсная Электро- эрозионная обработка Ультразвуковая обработка Жестким инструментом. Упругим инструментом Электро- химический Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2011 33 получения отверстий с высокой точностью, а также отверстий в хрупких материалах. Абра- зивная обработка может осуществляться как со связанным, так и со свободным абразивом. При обработке связанным инструментом – шлифо- вании, суперфинишировании, хонинговании – абразивные зерна закреплены в рабочем ин- струменте. Обработка со свободным абразивом относится к финишным методам. К ней отно- сятся также доводка, притирка и полирование. Для повышения производительности и эф- фективности обработки отверстий в настоящее время широкое распространение получают комбинированные методы, когда к традицион- ным способам дополнительно подводят новые источники энергии [2, 3]. К этим методам отно- сится, в частности, электрохимическая обра- ботка материалов, которая основана на меха- низме съема (растворения, удаления металла) в процессе электролиза, причем количество сня- того металла пропорционально силе тока и времени обработки [4, 5]. Заготовку при этом методе присоединяют к положительному по- люсу источника питания (анод), а инструмент – к отрицательному (катод). На установках для электрохимической обработки отверстий элек- тролит прокачивается через полость электрода- инструмента и отводится на слив через зазор между электродом и стенкой обрабатываемого отверстия. При получении сквозных отверстий стабильность электрохимического процесса на- рушается в момент выхода электрода-инст- румента из сквозного отверстия. Электрофизические методы включают в се- бя лазерную, электроэрозионную и ультразву- ковую обработку. Каждый из методов обладает определенными технологическими возможно- стями и применяется в тех случаях, когда обра- ботка другими способами затруднена. Так, ла- зерную обработку используют при необходи- мости обработки отверстий в особо твердых материалах – рубине, алмазе, твердосплавных материалах и пр. Преимущества лазерных ис- точников при сверлении отверстий в материа- лах: возможность бесконтактной обработки с небольшой зоной прогрева; возможность фоку- сировки в пятно малых размеров. Электроэрозионные методы целесообразны при обработке отверстий с фасонным профилем в продольном и поперечном сечении в особо твердых материалах [6–8]. Однако применение данного метода ограничено использованием электропроводящих материалов. Поэтому он не может быть использован при обработке неме- таллических материалов. К недостаткам данно- го метода также можно отнести сравнительно небольшую глубину обработки отверстий. В настоящее время самым эффективным методом повышения производительности про- цессов при одновременном улучшении каче- ства обработки отверстий является введение в зону обработки ультразвуковых колебаний. Данный метод является наиболее распростра- ненным видом размерной обработки. На уль- тразвуковых станках обрабатывают отверстия различных формы и длины. При этом вынуж- денные колебания вводят в зону резания через колеблющийся инструмент: лезвийный или аб- разивный. Абразивную обработку отверстий можно осуществлять инструментом как со свя- занным, так и со свободным абразивом. В по- следнем случае инструмент, совершающий ультразвуковые колебания, воздействует на поверхность изделия через абразивную суспен- зию. Такая обработка базируется на двух ос- новных процессах: ударном внедрении абра- зивных зерен, вызывающих выкалывание ча- стиц обрабатываемого материала и циркуляции, и смене абразива в рабочей зоне. Обязательным условием высокопроизводи- тельной ультразвуковой обработки материалов является интенсивное протекание этих двух процессов. Зерна абразива под действием уда- ров колеблющегося инструмента ударяют по поверхности обрабатываемого изделия и про- водят его разрушение. В качестве абразива обычно используется карбид бора или карбид кремния, в качестве транспортируемой жидко- сти – обычная вода. Вследствие воздействия частичек абразива на поверхности рабочего ин- струмента происходит его разрушение. Для уменьшения износа рабочего инструмента его обычно выполняют из вязких материалов, не разрушающихся под действием ударных нагру- зок. В результате высокочастотных ударов тор- ца рабочего инструмента по абразивным зернам возникают сколы частиц обрабатываемого ма- териала. В общем случае механизм ультразву- Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2011 34 ковой обработки можно представить как мно- гоэтапный процесс, состоящий из образования микротрещин и выколов при ударе инструмен- та по частицам абразива, перемещения выколо- тых частиц обрабатываемого материала и раз- рушения абразивных частиц под действием ультразвуковых колебаний, подачи и удаления отработанного абразива и снятого материала. Производительность процесса V примерно про- порциональна квадрату критерия хрупкости t V = f(Ct2), где С – коэффициент пропорциональности. Эффективность ультразвуковой обработки отверстий снижается от действия ряда техноло- гических факторов. К их числу относятся: глу- бина внедрения инструмента в материал, цир- куляция абразивных зерен в зоне резания и их размеры. С этой целью в зону обработки необ- ходимо непрерывно подавать абразивную сус- пензию, несущую зерна свежего абразива и удаляющую частицы снятого материала и раз- мельченный абразив. Для улучшения попада- ния частиц в зону резания используют различ- ные приемы и методы. Так, в [9, 10] предложе- но использовать нагнетание абразивной суспен- зии в зону обработки через инструмент. Другим эффективным способом улучшения процесса циркуляции и смены абразива в рабочей зоне является использование вакуумного насоса. Однако применение вакуумного отсоса затруд- нительно при обработке глухих отверстий. Особенное значение это имеет при получении сквозных отверстий в хрупких материалах, где могут образовываться сколы при выходе ин- струмента из обрабатываемого отверстия. Для предотвращения образования сколов в матери- але используют различные методы, в частности практикуется приклеивание заготовки на стек- лянную подкладку и т. д. Данным методом можно обрабатывать отверстия одноместными инструментами, когда необходимо получить одно или несколько отверстий, и групповыми инструментами, когда одновременно можно обрабатывать несколько деталей или их эле- ментов [11]. Кроме того, был выявлен основной недостаток ультразвукового способа обработки, который заключается в существенном сниже- нии производительности процесса обработки по мере увеличения глубины отверстия. Для объяснения этого явления используются два предположения. Согласно первому при увели- чении боковой поверхности рабочего инстру- мента, контактирующей с обрабатываемым ма- териалом, амплитуда колебаний инструмента уменьшается вследствие трения, что приводит к снижению производительности. Второе пред- положение, основанное на результатах много- численных экспериментов, объясняет умень- шение скорости обработки с увеличением глу- бины, ухудшением условий подачи свежего абразива в зону обработки и удаления продук- тов обработки [12]. Механизм ультразвукового взаимодействия контактируемых тел в условиях абразивной среды заключается в изменении кинематики, что сопровождается значительным уменьшени- ем высоты микронеровностей [13]. При этом снижается температура обрабатываемого мате- риала по сравнению с обычным шлифованием, а также уменьшаются наросты и налипы на ра- бочей поверхности инструмента. Известные до настоящего времени способы ультразвуковой обработки отверстий осуществляют, как прави- ло, инструментом с высокой жесткостью в про- дольном и поперечном направлениях. Такие ультразвуковые системы обеспечивают вы- сокую добротность, передачу на инструмент акустической мощности при малых потерях энергии. Однако производительность работы таких систем ограничена амплитудой колеба- ний инструмента, увеличение которой ограни- чено прочностными характеристиками инст- румента. С целью повышения производительности и качества обработки отверстий малого диаметра используют различные методы, например при сверлении отверстий жестким инструментом на него накладывают частотно-модулированные колебания [14]. В некоторых устройствах ча- стотно-модулированные колебания наклады- вают на СОЖ, а для повышения производи- тельности обработки и стойкости инструмента волновод выполнен с возможностью обеспече- ния направления наложения колебаний перпен- дикулярно главной режущей кромке сверла [15]. Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2011 35 Опыт использования ультразвука на опера- циях обработки глубоких отверстий показал, что наибольший эффект можно достичь повы- шением амплитуды колебаний торца рабочего инструмента, сохранив при этом его прочност- ные свойства. Для этой цели в настоящее время широкое распространение получили методы модулированных колебаний. Модуляцию осу- ществляют либо электрическими параметрами ультразвукового генератора, либо введением дополнительных источников вибрации инстру- мента. В [16] предложен метод повышения частоты колебания рабочего инструмента путем моду- ляции подаваемого высокочастотного электри- ческого сигнала на преобразователь. В [17] по- вышение амплитуды колебаний для ультразву- кового полирования осуществляется введением промежуточного упругого элемента в виде спи- рали с углом подъема винтовой линии 50–80°. Спираль выполняет функцию накопителя энер- гии и преобразователя продольных колебаний в более сложные, комбинированные. Для обеспечения возможности обработки криволинейных каналов и отверстий, получе- ния фасонных профилей отверстий в хрупких материалах в настоящее время в ультразву- ковых системах используются специальные упругие элементы в качестве передающих зве- ньев акустической системы или инстру- ментов [18]. Для обработки труднодоступных поверхно- стей, в том числе и внутренних поверхностей и каналов, в [19, 20] предложено устройство, в котором используется упругий инструмент в виде ленты (или проволоки). Рабочий нако- нечник инструмента, выполненный в виде пет- ли из этих упругих материалов, закрепленных на волноводе, позволяет обрабатывать кромки пазов и отверстий. С целью расширения диапа- зона частот колебаний инструмента в устрой- стве [21, 22] для ультразвуковой обработки материалов предложено использовать набор шаров, закрепленных в пружинящей направля- ющей, которая служит накопителем энер- гии. Устройство позволяет изменять диапа- зон частот колебаний за счет размеров и массы шаров. В [23] показана возможность использования в качестве акустических систем тонких гибких концентраторов-волноводов для передачи вы- сокочастотных колебаний на рабочий инстру- мент. В волноводе – три участка, имеющих различные диаметры и сопряженных между собой плавными переходами по типу концен- траторов Фурье. Колебания гибких волноводов имеют сложный характер и могут рассматри- ваться как связанные изгибно-продольные ко- лебания. Практика применения таких акустиче- ских систем в медицине показала возможность получать амплитуды колебаний рабочего ин- струмента до 100 мкм и разрушать кальциниро- ванные образования на большом расстоянии. Очевидно, такие акустические системы можно применять для обработки глубоких криволи- нейных отверстий, однако опыт использования подобных акустических систем весьма ограни- чен как в теоретическом, так и в практическом аспекте. В Ы В О Д Таким образом, проведенный обзор литера- турных данных показал, что наиболее перспек- тивным методом повышения производительно- сти обработки отверстий малого диаметра яв- ляется использование ультразвуковых систем с модулированными колебаниями, упругими промежуточными элементами, а также с гиб- кими длинными концентраторами-волновода- ми. Эти вопросы требуют проведения теорети- ческих и экспериментальных исследований с целью оптимизации и разработки новых уль- тразвуковых систем для эффективной обработ- ки отверстий. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Ящерицын, П. И. Тонкие доводочные процессы обработки деталей машин и приборов / П. И. Ящерицын, А. Г. Зайцев, А. И. Барботько. – Минск: Наука и техни- ка, 1976. – С. 328. 2. Справочник по электрохимическим и электрофи- зическим методам обработки; под общ. ред. В. А. Волоса- това / Г. Л. Амитан [и др.] / Л.: Машиностроение, 1988. – 719 с. 3. Способ ультразвуковой размерной обработки отвер- стий: а. с. 1291315 СССР / Б. П. Крамаренко, М. А. Бурна- шева // Бюл. изобр. – 1987. – № 7. – С. 2. Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2011 36 4. Гайдученко, Э. И. Электроэрозионная обработка отверстий малых диаметров / Э. И. Гайдученко. – Л.: Ле- нинградский дом научно-технической пропаганды, 1967. – С. 3–4. 5. Киселев, М. Г. Размерная электрохимическая об- работка материалов / М. Г. Киселев, С. Н. Бондаренко, А. В. Дроздов. – Минск: БНТУ, 2005. – С. 164. 6. Черепанов, Ю. П. Электрохимическая обработка в машиностроении / Ю. П. Черепанов, Б. И. Самецкий. – М.: Машиностроение, 1972. – С. 36–37. 7. Бирюков, Б. Н. Электрофизические и электрохи- мические методы размерной обработки / Б. Н. Бирюков. – М.: Машиностроение, 1981. – С. 28–29. 8. Способ доводки отверстий: а. с. 1189577 СССР / В. П. Луговой // Бюл. изобр. – 1985. –№ 41. – С. 3. 9. Ангелов, Г. С. Применение ультразвука в про- мышленности; под ред. А. И. Маркова / Г. С. Ангелов, И. Н. Ермолов, А. М. Мицкевич. – М.: Машиностроение, 1975. – С. 240. 10. Марков, А. И. Ультразвуковая обработка матери- алов / А. И. Марков. – М.: Машиностроение, 1980. – С. 21–28. 11. Волосатов, В. А. Ультразвуковая обработка / В. А. Волосатов. – Л.: Лениздат, 1973. – С. 181–207. 12. Марков, А. И. Ультразвуковая доводка отверстий алмазным инструментом // Прогрессивные технологи- ческие процессы и оборудование ЭФХК обработки / А. И. Марков, Н. В. Бекренев. – М.: Общественное зна- ние, 1989. – С. 88–93. 13. Киселев, М. Г. Ультразвук в поверхностной обра- ботке материалов / М. Г. Киселев, В. Т. Минченя, В. А. Иб- рагимов. – Минск: Тесей, 2001. – С. 8–12. 14. Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей при обработке отверстий малого диаметра: а. с. 2281847 РФ / Е. С. Киселев, М. В. Табеев // Бюл. изобр. – 2002. – № 23. – С. 6. 15. Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей при обработке отверстий малого диаметра: а. с. 2284878 РФ / Е. С. Киселев, В. Н. Ковальногов, М. В. Табеев // Бюл. изобр. – 2005. – № 28. – С. 6. 16. Томаль, В. С. Оборудование обработки оптиче- ских и электронных модулей в жидких средах с частот- ной и фазовой модуляцией ультразвукового сигнала / В. С. Томаль. – Минск: БГУИР, 2008. – С. 23. 17. Устройство для ультразвукового полирования: а. с. 854685 СССР / В. Ф. Зимовец, П. М. Герасемчук, С. Н. Стручков, С. Д. Вуйцик // Бюл. изобр. – 1981. – № 30. – С. 2. 18. Nicolai, Neumann On the analysis jf s simple impact drill model using set-oriented numerical methods / Nicolai Neumann, Thomas Sattel, Jorn Wallaschek. – Heinz Nixdorf Institute, Furstenallee 11, 33102 Paderborn, Germany, 2005. – P. 119–120. 19. Излучатель изгибных колебаний: а. с. 657868 СССР / Ю. С. Андреев, В. Н. Бокановский // Бюл. изобр. – 1979. – № 15. – С. 2. 20. Ультразвуковой инструмент: а. с. 382439 СССР / А. А. Горбунов, В. М. Салтанов, В. Г. Моисеев, Н. В. Са- венков, Е. П. Калинин // Бюл. изобр. – 1973. – № 23. – С. 2. 21. Sherrit, S. Modeling of the ultrasonic/Sonic driller/ Corer: USDC / S. Sherrit, X. Bao, Z. Chang // IEEE Ultra- sonics symposium, San Juan, Puerto Rico, Oct. 2000. – P. 647–651. 22. Устройство для преобразования частоты акусти- ческих колебаний: а. с. 1315197 СССР / Г. О. Волик, Ю. А. Кудрин // Бюл. изобр. – 1987. – № 21. – С. 2. 23. Киселев, М. Г. Ультразвук в медицине / М. Г. Ки- селев, В. Т. Минченя, Д. А. Степаненко. – Минск: БНТУ, 2009. – С. 12–93. Поступила 15.02.2011 УДК 355.2.199 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЗАВИСИМЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ Канд. воен. наук БАРТОШЕВИЧ А. В., канд. воен. наук, доц. ТАМЕЛО В. Ф. Белорусский национальный технический университет Успех применения математических моделей зависит от их качества, но необходимо иметь и количественную оценку. Рассмотрим один из подходов к количественной оценке эффектив- ности моделей, принимая во внимание, что лю- бая модель есть субъективное отражение объ- ективной действительности.