Full Text

В настоящее время на машиностроительных предприятиях многие финишные операции (зачистка поверхностей, снятие заусенцев, скругление острых кромок и т.п.) выполняются вручную, на что тратятся значительные трудовые ресурсы. Исходя из этого проблема механизации и автоматизации таких финишных операций является весьма актуальной. Рассмотрим возможность обработки кромок деталей с использованием робототехнического комплекса (РТК). Исследования проводились на РТК, показанном на рис. 1 и состоящем из следующих элементов: - робота KUKA KR 210 R2700 EXTRA (Германия) с системой управления KR C4 радиусом действия 2696 мм, шестью осями, системой программного обеспечения Windows XPe; - электрошпинделя производства Elettromeccanica Giordano Colombo (Италия) модели RC90 с частотой вращения шпинделя 240-24 000 мин-1, номинальной мощностью 4 кВт, со сменой инструмента (несколько магазинов с тремя инструментами в магазине), с цангами Ø 2-16 мм, максимальным диаметром инструмента 380 мм; - стола производства Forster (Германия) размером 4000´1500 мм. Рис. 1. РТК с использованием промышленного робота KUKA KR 210 R2700 EXTRA С учетом малой жесткости и виброустойчивости робота с закрепленным электрошпинделем предусматривалась балансировка инструмента на модульной балансировочной системе Haimer TD2009 Comfort Plus (Германия) с рабочими оборотами шпинделя 300-1100 об/мин, максимальной длиной инструмента 400 мм, точностью измерения <0,5 мм. Балансировка проводилась по ГОСТ ИСО 1940-1-2007 «Вибрация. Требования к качеству балансировки жестких роторов. Часть 1. Определение допустимого дисбаланса» по классу точности балансировки G6,3. Для обработки кромок весьма эффективным инструментом, как показали исследования [1-26], являются полимерно-абразивные щетки. При исследованиях использовались цельнолитые торцевые щетки марки BD-ZB компании 3M (Minnesota Mining and Manufacturing Company), США (рис. 2). Щетка изготовлена из полимера, по всему объему которого равномерно распределены зерна пирамидальной формы высокопроизводительного и износостойкого абразивного материала 3МТМ CubitronTM. Экспериментальные исследования проводились на образцах из высокопрочного алюминиевого сплава В95пчТ2 и титанового сплава ВТ20 на обучающем режиме программирования процесса обработки. Размеры обработанной кромки Х, Y и р (рис. 3) измерялись на большом инструментальном микроскопе БМИ-1ц с ценой деления 1 мкм. Исследование обработки кромок на РТК производилось по схеме, приведенной на рис. 3, при размере А = 45 мм и a = 45° торцевыми щетками BD-ZB Bristle Р50, BD-ZB Bristle Р80 и BD-ZB Bristle Р120. Производительность процесса обработки кромок оценивалась средней величиной размера кромки по осям Х и Y, которая определялась по выражению , (1) где X, Y - размеры кромки по осям (см. рис. 3). В результате проведенных экспериментов установлены экстремальные зависимости размера кромки от частоты вращения (рис. 4) при обработке как В95пчТ2, так и ВТ20. Экстремальный характер зависимости размера кромки от частоты вращения объясняется запаздыванием распрямления ворсин после прохождения кромки, в результате чего следующее касание происходит при меньшей деформации ворсины, а следовательно, при меньшей силе взаимодействия с кромкой. На основании этих данных следует считать, что частоту вращения свыше 4000 об/мин применять не рекомендуется. Зависимость размера кромки от деформации щетки приведена на рис. 5. По данным работы [10], с увеличением деформации размер кромки растет в связи с увеличением силы резания. С увеличением подачи размер кромки уменьшается (рис. 6). Рис. 2. Торцевая щетка BD-ZB, состоящая из 36 рядов, в ряду 15 ворсин, всего 540 ворсин Рис. 3. Схема обработки кромки детали торцевой щеткой а б Рис. 4. Зависимости Zk от частоты вращения торцевой щетки при ΔY = 1,5 мм; А = 45 мм: а - для В95пчТ2 при S = 400 мм/мин; б - для ВТ20 при S = 200 мм/мин; 1 - BD-ZB Bristle Р50; 2 - BD-ZB Bristle Р80; 3 - BD-ZB Bristle Р120 а б Рис. 5. Зависимости Zk от деформации торцевой щетки при n = 5000 об/мин; А = 45 мм: а - для В95пчТ2 при S = 400 мм/мин; б - для ВТ20 при S = 200 мм/мин; 1 - BD-ZB Bristle Р50; 2 - BD-ZB Bristle Р80; 3 - BD-ZB Bristle Р120 а б Рис. 6. Зависимости Zk от подачи торцевой щетки при n = 5000 об/мин; ΔY = 1,5 мм; А = 45 мм: а - для В95пчТ2; б - для ВТ20; 1 - BD-ZB Bristle Р50; 2 - BD-ZB Bristle Р80; 3 - BD-ZB Bristle Р120 По полученным экспериментальным данным при соответствующей статистической обработке получено уравнение для определения размера кромки Zk (мм) в зависимости от частоты вращения n (об/мин) деформации щетки DY (мм) и подачи S (мм/мин): Zk = a1DY 2+a2n2+ a3S 2+ a4DY + a5n + a6S + + a7DYn + a8DYS + a9nS + a10DYnS + a11. (2) Значения коэффициентов a1-10, и свободного члена a11 в данном уравнении приведены в табл. 1. При необходимости достижения требуемого размера кромки Zk регулирование процесса обработки можно осуществлять за счет любого из параметров, например подачи S. При заданных Zk, ΔY и n подача S определяется по формуле , где d = a6 + a8ΔY + a9n + a10ΔYn; f = a1 (ΔY)2 + a2n2 + + a4ΔY + a5n + a7ΔYn +a11 - Zk. Отклонение месторасположения (позиционирование) представляет собой относительное отклонение от симметричности расположения радиуса закругления: , где X, Y - координаты перехода конца закругления в прямую линию (см. рис. 3); Zk - средняя величина по осям Х и Y по уравнению (1). Эксперименты проводились при расположении образца под углом a = 45°. Поскольку величина d является относительной, в табл. 2 приведены средние значения по всем щеткам. Как видно из результатов исследования, отклонение месторасположения кромки зависит от режимных параметров (ΔY, n и S) и механических свойств обрабатываемого материала. Однако при всех параметрах обработки d не выходит за пределы допустимых. Таблица 1 Значения коэффициентов и свободного члена в уравнении (2) Коэффициент и свободный член В95пчТ2 ВТ20 Инструмент - торцевая щетка BD-ZB Bristle Р50 BD-ZB Bristle Р80 BD-ZB Bristle Р120 BD-ZB Bristle Р50 BD-ZB Bristle Р80 BD-ZB Bristle Р120 a1 0,06 0,31 -0,05 -0,01 -0,04 -0,06 a2 -3,2×10-8 -2,1×10-8 -3×10-8 -1,005×10-7 -1,18×10-7 -1,3×10-7 a3 -6×10-7 -7×10-8 -4×10-7 -2×10-7 1×10-6 -8×10-7 a4 0,486 -0,455 0,475 0,089 0,528 0,618 a5 3,1×10-4 1,2×10-4 2×10-4 7,6×10-4 8,9×10-4 1×10-3 a6 1×10-4 -1×10-4 -6×10-4 -8×10-5 -1,5×10-3 -4×10-4 a7 1,5×10-9 1×10-9 1×10-9 1,5×10-9 1×10-9 1×10-9 a8 -2,41×10-9 -3,5×10-9 -3,5×10-9 -2,41×10-9 -3,5×10-9 -3,5×10-9 a9 5,8×10-11 6,5×10-11 6,5×10-11 5,8×10-11 6,5×10-11 6,5×10-11 a10 1,5×10-11 1,5×10-11 1,5×10-11 1,5×10-11 1,5×10-11 1,5×10-11 a11 -1,18 0,15 -0,23 -1,135 -1,52 -1,96 Таблица 2 Отклонение месторасположения кромки d при различных режимах обработки при А = 0 n, об/мин В95пчТ2 при ΔY = 2 мм, S = 130 мм/мин ВТ20 при ΔY = 2 мм, S = 42 мм/мин ΔY, мм В95пчТ2 при n = 1600 об/мин, S = 130 мм/мин ВТ20 при n = 1600 об/мин, S = 42 мм/мин S, мм/мин В95пчТ2 при n = 1600 об/мин, ΔY = 2 мм ВТ20 при n = 1600 об/мин, ΔY = 2 мм 500 -0,018 -0,054 1 -0,123 -0,328 13 - -0,352 1000 -0,108 -0,109 2 -0,193 -0,166 42 - -0,367 1600 -0,177 -0,189 3 -0,100 -0,094 82 -0,347 -0,124 2000 -0,28 -0,253 4 -0,195 -0,188 130 -0,231 -0,057 - - - - - - 255 -0,142 - - - - - - - 395 -0,0765 - По ГОСТ 30893.1-2002 (ИСО 2768-1-89) предусмотрены предельные отклонения притупленных кромок (наружных радиусов скругления и высот фасок): - для точного (f) и среднего (m) классов точности ±0,2 мм; - для грубого (c) и очень грубого (v) классов точности ±0,4 мм. В переводе на относительную величину для классов точности f и m допустимый показатель , где Тr - допуск радиуса скругления; - наименьший предельный размер радиуса. Для классов точности c и v d = 0,8/0,3 = 2,66. Следовательно, для всех исследованных случаев показатель d находится в пределах допуска. Шероховатость поверхности кромки измерялась на оптическом профилометре Bruker Contour GT-К1. Исследования шероховатости Ra при обработке торцевыми щетками BD-ZB Bristle Р50, BD-ZB Bristle Р80 и BD-ZB Bristle Р120 показали, что с увеличением частоты вращения щетки параметр Ra изменяется по экстремальной зависимости (рис. 7). Это связано с запаздыванием распрямления ворсин после прохождения кромки, в результате чего следующее касание происходит при меньшей деформации ворсины, а следовательно, при меньшей силе взаимодействия с кромкой. Деформация щетки напрямую ведет к пропорциональному изменению шероховатости, что связано с увеличением силы резания [10] и подтверждается зависимостями на рис. 8. С увеличением подачи шероховатость уменьшается (рис. 9), что объясняется уменьшением количества актов взаимодействия ворсин с обрабатываемой кромкой. По полученным экспериментальным данным при соответствующей статистической обработке получено уравнение для определения параметра шероховатости Ra (мкм) в зависимости от частоты вращения щетки n (об/мин), деформации щетки DY (мм) и подачи S (мм/мин): Ra = a1DY2+a2n2+ a3S2+ a4DY + a5n + a6S + a7DYn + a8DYS + a9nS + a10DYnS + a11. (3) а б Рис. 7. Зависимости Ra от частоты вращения торцевой щетки при ΔY = 1,5 мм; А = 45 мм: а - для В95пчТ2 при S = 400 мм/мин; б - для ВТ20 при S = 200 мм/мин; 1 - BD-ZB Bristle Р50; 2 - BD-ZB Bristle Р80; 3 - BD-ZB Bristle Р120 а б Рис. 8. Зависимости Ra от деформации торцевой щетки при n = 5000 об/мин; А = 45 мм: а - для В95пчТ2 при S = 400 мм/мин; б - для ВТ20 при S = 200 мм/мин; 1 - BD-ZB Bristle Р50; 2 - BD-ZB Bristle Р80; 3 - BD-ZB Bristle Р120 а б Рис. 9. Зависимости Ra от подачи торцевой щетки при n = 5000 об/мин; ΔY = 1,5 мм; А = 45 мм: а - для В95пчТ2; б - для ВТ20; 1 - BD-ZB Bristle Р50; 2 - BD-ZB Bristle Р80; 3 - BD-ZB Bristle Р120 Значения коэффициентов a1-10 и свободного члена a11 в данном уравнении приведены в табл. 3. Следует отметить, что торцевыми щеткам на РТК возможна обработка труднодоступных участков деталей. На рис. 10 в качестве примера показана обработка такой кромки. Кроме щеток, рассмотренных в данной статье, на РТК возможно применение и других эластичных инструментов, рассмотренных в работе [11]: 1. Инструменты из шлифовальных шкурок и абразивосодержащих полотен: конусы, трубки, колпачки, гильзы, диски (на липучке, на перфорации). Таблица 3 Значения коэффициентов и свободного члена в уравнении (3) Коэффициент и свободный член В95ПчТ2 ВТ20 Инструмент - торцевая щетка BD-ZB Bristle Р50 BD-ZB Bristle Р80 BD-ZB Bristle Р120 BD-ZB Bristle Р50 BD-ZB Bristle Р80 BD-ZB Bristle Р120 a1 -0,3 -0,2 -0,2 0,1 -0,3 -0,2 a2 -7×10-7 -3×10-7 -1,9×10-7 -2×10-7 -1×10-7 -4×10-7 a3 -9×10-6 -6,5×10-6 -6,5×10-6 -1×10-6 -7×10-7 -3×10-6 a4 2,19 1,54 1,22 0,75 1,95 1,9 a5 5,1×10-3 1,9×10-3 1,3×10-3 1,6×10-3 1×10-3 3×10-3 a6 1,5×10-3 2×10-4 1×10-4 -3×10-4 -1,7×10-3 -7×10-4 a7 1,5×10-9 1,5×10-9 1,5×10-9 1,5×10-9 1,5×10-9 1,5×10-9 a8 -2,41×10-9 -2,41×10-9 -2,41×10-9 -2,41×10-9 -2,41×10-9 -2,41×10-9 a9 5,8×10-11 5,8×10-11 5,8×10-11 5,8×10-11 5,8×10-11 5,8×10-11 a10 1,5×10-11 1,5×10-11 1,5×10-11 1,5×10-11 1,5×10-11 1,5×10-11 a11 -7,27 -1,4 -0,5 -2,95 -2,58 -5,34 Рис. 10. Схема обработки труднодоступной прямолинейной кромки 2. Круги с абразивным покрытием: обтянутые шлифшкуркой (войлочные, резиновые, паралоновые, воздушные баллоны), покрытые слоем абразива (войлочные, резиновые, паралоновые, полиуретановые). 3. Лепестковые круги: из шлифшкурки, шлифшкурки с прорезями, шлифшкурки V-образной формы, сизаля со шлифшкуркой, нетканого материала, полимерно-абразивных полос. 4. Абразивосодержащие круги: на основе вспененного полиуретана и других синтетических материалов, на поропластовой связке, из нетканых материалов (с синтетическими или природными волокнами, антипригарными и антистатическими добавками). Заключение Роботизация финишной обработки деталей с использованием полимерно-абразивного инструмента является одним из перспективных направлений замены ручного труда на механизированный и автоматизированный. Доказано, что обработка кромок на промышленном роботе, несмотря на заниженную по сравнению с другим металлорежущим оборудованием жесткость и повышенную чувствительность к колебательным явлениям, может успешно выполняться торцевыми щетками с высокими скоростями (до 4000 об/мин) при высоком качестве обработанной поверхности. Следовательно, РТК (при соответствующей балансировке инструмента) может успешно применяться в промышленных условиях. Полученные регрессионные уравнения размера и шероховатости обработанной кромки для торцевых щеток позволяют эффективно управлять производительностью процесса и шероховатостью обработанной кромки с помощью режимных параметров обработки.

About the authors

D. B Podashev

Irkutsk National Research Technical University

References

Statistics

Views

Abstract - 32

PDF (Russian) - 18

Refbacks

• There are currently no refbacks.