Применение роботизированной финишной обработки в свободном абразиве для алюминиевых цилиндров

Авторы: А.С. БАБАЕВ, канд. техн. наук, доцент; Н.В. ЛАПТЕВ, магистрант; Е.В. СТОЛОВ, аспирант; А.Р. СЕМЁНОВ, магистрант; (ТПУ, г. Томск);Бабаев А.С. – 634030, г. Томск, пр. Ленина, 30 Национальный исследовательский Томский политехнический университет e-mail: babaevartyomtpu.ru

Введение

В настоящее время одной из главных сложностей для машиностроительного производства остаётся автоматизация и минимизация времени и затрат на трудоемкие и низкопроизводительные финишные операции. Такие операции выполняются с целью скругления острых кромок, удаления заусенцев после механической обработки, снижения шероховатости или фактурирования поверхности. В свою очередь финишные операции подразделяются на обработку жесткозакрепленным абразивом (круг, бумага, лента и т.п.) и в среде свободного абразива. В статье рассмотрен второй вариант обработки и его совмещение с промышленным роботом.

Существуют несколько методов обработки свободным абразивом, таких как галтовка (обработка деталей в навал), объемная вибрационная обработка, центробежно- ротационная обработка, турбоабразивная обработка, обработка деталей уплотненным абразивом и др. В нашем случае были проведены эксперименты по центробежной кинематике, для обеспечения эффективности и автоматизации которой в оборудование был применён промышленный робот.

Методика и материалы экспериментального исследования

В качестве абразива для данного эксперимента был использована смесь электрокорунда белого марки 25А и нормального марки 16А, фракция F16 в соотношении 1:1 по массе (рис.1).

Рис. 1. Зёрна абразивного материала - электрокорунд

В качестве образцов использовались цилиндры из алюминия марки Д16Т твердостью 130-150HB и исходной шероховатостью Ra=0,4...0,5 мкм. Габаритные размеры: диаметр 35+0,02 мм, длина 100±0,1 мм. Выбранная пара электрокорунд/Д16Т была взята произвольно и использовалась для сокращения времени экспериментальных работ, а также сбора данных по величине интенсивности износа и отслеживания изменения размеров/шероховатости.

Работа выполнялась в Научно-образовательной лаборатории промышленной робототехники. В эксперименте использовался робот марки KUKA (Германия) модели KR 120 R2700 (рис. 3). Робот оснащён высокоскоростным фрезерным шпинделем, что позволило обеспечивать точное позиционирование образца в абразиве и придание ему вращения вокруг собственной оси. Технические характеристики представлены в табл. 1.

Таблица 1

Технические характеристики

Максимальная полезная нагрузка, кг	Число осей	Повторяемость линейных перемещений, мм	Тип защиты	Максимальное число оборотов шпинделя, об/мин
120	6	±0,06	IP 65	24000

Для задания кинетической энергии абразивной среде она была помещена в цилиндрический контейнер 650х300 мм, который устанавливался на повторный стол и непрерывно вращался вокруг общей оси стол-контейнер с постоянной скоростью. Работа была разделена на два эксперимента. Обработка образцов осуществлялась параллельно и под углом к вертикальной оси OZ барабана в трех положениях удаления от
оси до стенок и на различной частоте вращения (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема обработки

Варьируемые параметры эксперимента приведены в таблице 2.

Таблица 2

Варьируемые параметры эксперимента

№ эксперимента	R, мм	ɑ°	n, об/мин
1	100		3000
	135
	170
2	100	20	3000-4000
	135
	170

Обработка осуществлялась следующим образом: барабан (1) (рис. 2), засыпанный абразивом на высоту 210 мм приводится во вращательное движение частотой 18 об/мин с помощью электропривода. Затем деталь (2), закрепленная в шпинделе робота посредством трехкулачкового патрона (3), также приводится во вращательное движение и опускалась в барабан с абразивом. Для отслеживания изменений размеров и шероховатости были выбраны отрезки времени обработки в 1; 2; 4; 7; 11 минут, после которых осуществлялся контроль параметров согласно схеме (рис. 3). Диаметральные размеры контролировали при помощи рычажной скобы с ценой деления 1 мкм, а шероховатость поверхности - с использованием профилометр SJ-210 Mitutoyo (Япония).

Рис. 3. Схема контроля изменения диаметра и шероховатости поверхности

Результаты и обсуждение

В результате проделанной работы по первому эксперименту, были построены графики зависимости изменения диаметра детали от длины погружения в абразив и зависимости конусности от времени обработки. Из графиков можно увидеть, что изменение диаметра детали по длине неравномерно и возрастает по мере длины погружения ее в абразивную среду (рис. 4, а), о чем свидетельствует один из характерных графиков конусности детали после обработки (рис. 5). Это объясняется тем, что давление абразива, действующее на поверхность детали, распределяется неравномерно относительно глубины погружения. И, как следствие, на поверхности насыпи можно наблюдать малые изменения диаметра после обработки, когда при таких же условиях на максимальной глубине погружения наблюдается значительный съем материала. Результаты второго эксперимента, где обработка осуществлялась при угле наклона α=20° (рис 4, б), дали численно близкие результаты как по конусности, так и по изменению диаметра образцов.

Рис. 4. Изменения диаметра образцов: а) угол наклона относительно OZ α=0°; б) угол наклона относительно OZ α=20°

Рис. 5. График изменения конусности от времени обработки

Измерения шероховатости поверхности при обработке показали, что при отдалении от торца вала к поверхности абразивной среды высота неровностей Ra уменьшается, но по отношению к исходной шероховатости увеличивается в 2-2,5 раза. Это можно объяснить тем, что на глубине барабана (высоте насыпки абразивной смеси) при большем давлении и большой скорости вращения детали имеет место значительная ударная нагрузка и резание, что приводит к периодическому перенаклепу поверхности, то есть поверхностный слой подвергается значительным пластическим деформациям и начинает разрушаться. Что касается увеличения высоты неровностей по отношению к исходной, то здесь, сказывается размер абразивного зерна.

Выводы

Технология обработки в среде свободного абразивного зерна на высоких скоростях и по предложенной авторами схеме мало изучена, но в условиях современного машиностроительного производства может обеспечить автоматизацию и увеличить производительность процесса обработки изделий на финишных операция. Особое внимание необходимо уделять корректному выбору технологической среды для обработки изделий, а также режимов. Данная технология финишной обработки имеет возможности высокой гибкости и при необходимости может выполнять различные производственные задачи, такие как слесарные операции (удаление заусенцев, зачистка и снятие дефектного слоя), размерная обработка с контролируемым съёмом, доводка, получение нужных параметров качества поверхностного слоя и др. Это поможет значительно снизить производственные площади обрабатывающих цехов, штат сотрудников, затраты на оборудование и операции. Авторы считают, что перспективность и дальнейшее развитие данной роботизированной технологии заключается в последовательном решении спектра задач: 1) изучение процесса обработки с применением различных режимов и пар обрабатываемый/абразивный материалы, подбор зернистости и обеспечение влажной обработки; 2) введение в роботизированную финишную обработку различных траекторий движения заготовки для обеспечения равномерности съёма материала и формирования требуемой шероховатости; 3) создание математических моделей динамического воздействия абразивной среды на поверхность детали для возможности прогнозирования и управления процессом обработки.

Список литературы

1. Кулаков Ю.М., Хрульков В.А. Отделочно-зачистная обработка деталей. - М.: Машиностроение, 1979. - 216 с.

2. Бабичев А.П. Вибрационная обработка деталей машин.- М.: Машиностроение, 1974. - 134 с.

3. Трилисский В.Д. Технология и оборудование для объемной центробежно- ротационной обработки деталей. - М.: НИИМАШ, 1983. - 53 с.

4. Кремень З.И., Масарский М.Л. Турбоабразивная обработка деталей - новый способ финишной обработки // Вестник машиностроения. - 1977. - № 28. - 163 с.

5. Зверовщиков А.В. Совершенствование технологии шпиндельной обработки деталей при уплотнении шлифовального материала внешним давлением: дис. ... канд. техн. наук: 05.03.08 / Пензенкий государственный университет. - Пенза, 2004. - 270 с.

Актуальные проблемы в машиностроении. Том 5. № 1-2. 2018 Инновационные технологии в машиностроении