книги / Надежность и диагностика технологических систем

финишный проход излучателя ультразвука при исходной поверх­ ности Ra = 6,3 мкм (рис. 7.15) позволяет получать поверхность с шероховатостью Ra = 0,1 мкм (10 класс).

Рис. 7.15. Изменение шероховатости поверхности после БУФО при разных исходных величинах Ra

Этим уникальным методом обрабатывается большинство из­ вестных марок стали, титана, алюминия, меди и их сплавы — латунь, бронза и др. При обработке поверхностей с исходной шероховатостью 0,7...0,85 мкм и 1,5...6,3 мкм получены резуль­ таты, представленные в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Результаты обработки поверхностей методом БУФО

Побочный положительный эффект БУФО:

1)толщина упрочненного БУФО поверхностного слоя доходит до 0,5...1,0 мм, а его твердость может быть доведена до 3000 ед. по Викерсу;

2)временной ресурс покрытий (использование твердосмазоч­ ных покрытий) увеличивается до 6 раз;

3)снижается тепловыделение за счет резкого снижения уровня повреждаемости поверхностей, потому целесообразно использова­ ние покрытий в шпиндельных узлах станков с целью уменьшения температуры нагрева подшипников при п = 2000-4000 мин-1;

4)микротвердость поверхности увеличивается по сравнению

сисходной: при обработке алюминия — вдвое; при обработке незакаленных сталей — на 25...35 % , закаленных — на 2...5 % .

Учет свойств материалов деталей для повышения надежно­ сти конструкций. При создании конструкций следует учитывать свойства используемых материалов, виды нагружений, направ­ ление действия сил. Например, чугун «плохо работает» на рас­ тяжение и изгиб. Чугун — хрупкий материал. Металлическая основа его структуры — это феррито-перлитные включения в виде пластинок и чешуек различной формы, что является причиной возникновения концентраторов напряжений и разрушения дета­ лей. Или, например, перед шлифовкой стальных деталей нужна их закалка, чтобы получить структуру тростит—мартенсит..

Повышение надежности за счет упрочняющих технологий. Повышение запаса надежности оборудования и ТП в целом можно обеспечить за счет специальных видов обработки и методов, повы­ шающих износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость изделий. Для этого применяют специальные ТП (ме­ тоды), упрочняющие поверхностные слои, придающие ему особые (улучшенные, новые) свойства. Сюда относятся как процессы хи­ мико-термической обработки (закалка, цементация, азотирова­ ние, цианирование и др.), так и упрочняющая технология, осно­ ванная на пластическом деформировании поверхностей, а также различные специальные методы. Разработано много методов уп­ рочняющей технологии, которые решают самые разные техни­ ческие задачи. Рассмотрим основные из них:

1)механическая обработка: чистовое точение, чистовое фре­ зерование и строгание, чистовое шлифование, полирование, хо­ нингование, шабровка;

2)поверхностная пластическая деформация: обкатка роли­ ками и шариками, дробеструйная обработка, центробежно-ша­ риковый наклеп, чеканка;

3)химико-термическая обработка: закалка поверхности, ни­ троцементация и цианирование, цементация, азотирование, ионное азотирование, хромирование, алитирование, сульфиди­ рование, силицирование;

4)химико-физические методы (покрытие деталей пластмас­ сами и специальными материалами, упрочнение химическими способами, упрочнение трением, упрочнение электроискровое, электроискровое легирование):

•гальванический способ (хромирование, борирование, осталивание, твердое никелирование);

•наплавка и напыление (упрочнение методом напыления, газо­ вая наплавка, плазменное напыление, механизированная наплав­ ка под слоем флюса, вибродуговая наплавка);

•облучение (электронное облучение, ионное облучение, дейтронное облучение);

•комбинированная обработка (упрочнение наклепом деталей, подвергнутых термохимическим обработкам, упрочнение накле­

пом закаленных деталей).

При поверхностной пластической деформации в результате наклепа в поверхностных слоях видоизменяется форма и разме­ ры кристаллических зерен, повышается твердость и образуются сжимающие напряжения, способствующие повышению износо­ стойкости и сопротивляемости усталостным разрушениям.

Очень эффективен метод поверхностного упрочнения — алмаз­ ное выглаживание. Для выглаживания используется инструмент из алмаза, сапфира или корунда со сферической или цилиндри­ ческой рабочей частью радиусом 0,5...3,0 мм. Высокая твердость, износостойкость, теплопроводность инструмента, а также низ­ кий коэффициент трения пары алмаз — металл обеспечивают высокую эффективность этого метода. При выглаживании про­ исходит упрочнение поверхностного слоя на глубину 0,5...1,5 мм со степенью наклепа 15...20 % .

Следует иметь в виду, что даже обычные методы чистовой об­ работки поверхностей (чистовое точение, шлифование, полирова­ ние и др.) также упрочняют поверхностный слой и изменяют его исходные свойства. На практике широко применяются различ­ ные антифрикционные и антикоррозийные покрытия, наносимые

методами наплавки, металлизации, напыления, электрохимиче­ скими и другими способами. При помощи этих методов поверхно­ стному слою можно придать новые (требуемые, улучшенные) свойства. Например, значительно повышают износостойкость металлов покрытия хромом, никелем, бором. Эффективны также такие методы, как плазменное напыление й плазменная наплав­ ка сверхтвердыми материалами (карбидами, боридами, окислами). Они позволяют увеличить срок службы деталей до пяти и более раз. Особенно эффективны методы упрочнения поверхностей путем нанесения тонкого слоя из карбидов титана и вольфрама. При этом толщина упрочненного слоя составляет только сотые доли миллиметра, а износостойкость деталей увеличивается в десятки раз. Итак, применение упрочняющих технологий спо­ собствует созданию запаса надежности и получению более высо­ ких эксплуатационных свойств изделий.

П р и м е р ы со зд а н и я к о н с тр у к ц и й 7.6. п о в ы ш е н н о й н а д е ж н о с ти и б е з о п а с н о с ти

Эффективный способ повышения надежности конструкций — это применение оригинальных решений на этапе проектирования: нового принципа действия; новых компоновок; новых структур­ ных схем построения; выбора, расчета и оптимизации параметров. Таким образом, разработано автоматическое зажимное приспо­ собление повышенной надежности (рис. 7.16).

Приспособление предназначено для автоматического зажима заготовок при механической обработке или сборке. Плита 1 ус­ танавливается на столе станка. Корпус 2 мембранного патрона втулкой 3 прижимается к плите 1. Заглушка 6 крепит мембрану 4 к толкателю 7. На мембране 4 крепятся кулачки 5.

При подаче воздуха под давлением Р'впоршни 9 со штоком 10 сдвоенного пневмоцилиндра перемещаются в гильзе 8 вниз. Пра­ вое плечо коромысла 11 движется вниз, а его левое плечо за счет поворота вокруг оси 12, закрепленной в вилке 23, движется вверх и нижним концом толкателя 7 сжимает тарельчатые пру­ жины 14. Толкатель 7 выгибает вверх мембрану 4, и кулачки 5 расходятся в стороны. Заготовка (или деталь) устанавливается между кулачков. Воздух из полостей двойного пневмоцилиндра

Рис. 7.16. Автоматическое зажимное приспособление повышенной надежности

выпускается. Тарельчатые пружины разжимаются, толкатель 7 с мембраной 4 возвращается вниз. За счет силы тарельчатых пружин и мембраны происходит усиленный зажим заготовки кулачками. Повышенная надежность, точность и безопасность обеспечиваются за счет применения принципа «обратного дейст­ вия» при зажиме заготовок. Заготовка удерживается не за счет давления воздуха пневмоцилиндра («прямое действие»), а за счет сил предварительно сжатых тарельчатых пружин и мембраны. Сила зажима при этом не зависит от перепада давления воздуха в пневмосистеме.

Конструкция обладает рядом важных преимуществ:

• повышенная сила зажима за счет разницы плеч коромыс­ ла 11 (силу можно регулировать и увеличивать смещением вил­ ки 13 влево);

• компактность конструкции (особенно по высоте, так как ци­ линдр расположен не на одной оси с патроном, а сбоку), а за счет сдвоенного цилиндра уменьшен диаметр гильзы 8 и сэкономлен металл;

2967. Принципы создания надежных и конкурентоспособных машин

•пневмоцилиндр одностороннего действия (это упрощает конструкцию, повышает надежность и долговечность).

Данный силовой привод можно использовать и с другими за­ жимными устройствами, например с кулачковыми и цанговы­ ми зажимными устройствами.

Автоматическое захватное устройство повышенной надеж­ ности. Схват предназначен для захвата заготовок в автоматиче­ ском режиме (рис. 7.17, а). При подаче воздуха Рв в полость цилиндра 15 поршень 14 (с уплотнением 13) движется влево

исжимает тарельчатые пружины 12. Рычаг 5 за счет сил пру­ жин 7 поворачивается вокруг оси 4 по часовой стрелке и наруж­ ными концами, входящими шарнирно в пазы 3 подвижных губок 1, разводит их в стороны. Рука робота подается к детали, которая оказывается между губками. Воздух из полости пневмо­ цилиндра сбрасывается. Под действием предварительно сжатых пружин 12 поршень 14 со штоком перемещается вправо вместе

сконусом 17, закрепленным гайкой 18 на шпильке 16, вверну­ той в торец штока. Усилие от пружин 12 (через коническую по­ верхность и ролики 8, установленные на осях 9, закрепленных на внутренних концах рычагов 5) передается на рычаги, кото­ рые, поворачиваясь вокруг осей 4 (уже против часовой стрелки), своими внешними концами сдвигают губки навстречу друг другу

изажимают деталь.

Пневмоцилиндр одностороннего действия, он закрыт крыш­ кой И с помощью винтов 10. Губки 1 имеют форму вилки и вхо­ дят снаружи в специальные выточки в неподвижных кронштей­ нах 2 (разрез Б-Б). Для обеспечения возможности перемещения рычагов 5 в кронштейнах выполнены пазы 6. Благодаря вилко­ образной форме у губок можно увеличивать расстояние 19 (т.е. плечо 10), за счет чего повышается сила зажима детали и ее ус­ тойчивость при движении схвата во время загрузки-разгрузки.

Конструкция схвата позволяет быстро устанавливать смен­ ные губки. Их можно изготовлять с развитыми плечами I и ис­ пользовать с учетом увеличения габаритов и веса зажимаемых деталей (рис. 7.17, б).

Перечислим преимущества конструкции.

1. Высокий уровень надежности и безопасности за счет приме­ нения принципа «обратного действия*. Зажим осуществляется

2987. Приниипы создания надежных и конкурентоспособных машин

8.Большой диапазон зажимаемых деталей (как по длине, так и по диаметру).

9.Мобильность и универсальность. Конструкция позволяет быстро устанавливать схват на роботе и менять губки.

Конструкция схвата для тонкостенных деталей. При изготов­ лении многих деталей в условиях автоматизированного произ­ водства возникают сложные технические проблемы, связанные с их загрузкой и разгрузкой. Первую проблему составляет за­ хват тонкостенных круглых деталей (кассеты, диски, кольца, шайбы, прокладки, втулки, фланцы, крышки), а вторую — за­ грузка и точная установка тонкостенных плоских деталей типа плат или пластин в труднодоступные места (щели, окна, колодцы, пазы, ниши, карманы) при механической обработке или сборке. При загрузке и сборке требуется обеспечить точное взаимное по­ ложение поверхностей соединяемых деталей и их соосность. За­ хватывать тонкостенные детали существующими конструкциями схватов традиционными способами (за боковые стороны) не пред­ ставляется возможным из-за недостаточной площади наружных поверхностей и деформаций этих деталей при зажиме.

На рис. 7.18 показан схват, который захватывает деталь не сбоку, а с торца. На основании 1 устанавливается гильза 2 сило­ вого пневмоцилиндра, закрываемого сверху крышкой 5 с закре­ пленной на ней винтами 6 мембраной 7, которая прижимается

кштоку 20 шпилькой 16 и гайкой 17 с помощью разрезной втул­ ки 18 через тарельчатую пружину 19. К мембране винтами 8 крепятся сухари 11, имеющие призматические углубления с уста­ новленными в них магнитами 13.

Быстросменная планка 12 своей призматической частью вхо­ дит в призматические углубления сухарей 11 и притягивается магнитом. На планке 12 винтами крепится пружинящая пласти­ на 9 со сменными кулачками 10. Для отрыва планки 12 от маг­ нита при ее смене служит рычаг 15. Быстрая смена планки 12 осуществляется за счет поворота гайки 17 накидным ключом по часовой стрелке, в результате чего она по резьбе шпильки 16 пе­ ремещается вниз, сдвигая втулку 18, которая давит одновременно на закругленные концы рычагов 15. Рычаги, поворачиваясь от­ носительно осей 14, выталкивают, одновременно обе планки 12 из призматических углублений.

Для захвата детали воздух подается в пневмоцилиндр. Пор­ шень 3 движется, сжимая тарельчатые пружины 4 и выгибая

Рис. 7.18. Адаптивный схват для тонкостенных деталей

наружу штоком 20 мембрану 7. Кулачки 10 расходятся в сторо­ ны от центра. Схват подается к детали до ее упора в кулачки. Воздух из пневмоцилиндра сбрасывается, и деталь под действи­ ем упругих сил мембраны и пружины 4 зажимается. За счет уп­ ругих свойств пластин 9 и пружины 4 происходит адаптация

иавтоматическое ограничение усилий зажима по периметру за­ жимаемой поверхности детали и исключается ее деформация

иперекосы.

Данная конструкция многофункциональна. Кроме оснаще­ ния роботов ее можно использовать также автономно (отдельно) в качестве стационарного автоматического зажимного приспо­ собления на различных операциях металлообработки или сбор­ ки. Конструкция имеет еще ряд важных преимуществ:

•широкую универсальность и область применения;

•большую диапазон захватываемых деталей, отличающих­ ся и по диаметральным, и по линейным размерам;

•высокую мобильность при переходе на другие типоразмеры деталей;

•простоту и удобство в эксплуатации (переналадка, установ­ ка, регулировка);

•высокую точность, надежность и безопасность;

•исключение деформаций и перекосов зажимаемых деталей за счет адаптивных свойств специальных упругих элементов (пру­ жин 4 и 19), позволяющих регулировать и ограничивать силы зажима.

Для расширения технологических возможностей (в частности, для увеличения диапазона зажимаемых деталей) кулачки можно перевертывать. Кроме того, набором тарельчатых пружин можно регулировать зажимающие усилия в данной конструкции.

Повышение уровня надежности и безопасности роботов. Одно из направлений повышения надежности функционирования робо­ тов — повышение уровня и степени защиты при возникновении опасных производственных ситуаций (ударах, наездах, сбоях, ложных срабатываниях, неточном вы­ полнении операций, нештатных режи­ мах работы).

«Слабыми звеньями» (с точки зре­ ния надежности и безопасности) явля­ ются захватные устройства и руки ро­ ботов. Оснащение роботов даже про­ стейшими электромеханическими дат­ чиками позволяет расширить техно­ логические возможности, повысить ин­ формативность, надежность, безопас­ ность, точность, стабильность работы роботов и ТП в целом (рис. 7.19). На схвате установлены датчики: 1,2 — поиска деталей по оси X и У; 3 — уси­