Создание РТК с технологией плазменного напыления для производства устройств буксировки и других машиностроительных механизмов
ART 86219
Авторы:
Г.
И. Трифонов, С.
В. Лазарев
Г.
И. Трифонов, С.
В. Лазарев Библиографическое описание статьи для цитирования:
Трифонов
Г.
И.,
Лазарев
С.
В. Создание РТК с технологией плазменного напыления для производства устройств буксировки и других машиностроительных механизмов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
1011–1015. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86219.htm.
Аннотация. Статья посвящена вопросам развития машиностроения – перспективы автоматизации производства. Авторы предлагают роботизированный технологический комплекс с целью производства деталей промышленного образца и готовых механизмов, в частности устройств для буксировки и эвакуации самолетов. Также предлагается рассмотреть и проанализировать преимущества установки на производстве установок для плазменного напыления поверхностей деталей и инструментов.
Ключевые слова:
механизм, обработка, инструмент, роботизированный технологический комплекс, плазма, деталь, буксир
Текст статьи
Трифонов Григорий Игоревич,старший оператор научной роты, «Военный учебнонаучный центр Военновоздушных сил «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина», г. Воронежgrishakip@yandex.ru
Лазарев Сергей Викторович,кандидат технических наук, доцент кафедры эксплуатации и ремонта САТОП «Военный учебнонаучный центр Военновоздушных сил «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина», г. Воронежzub_max@rambler.ru
Создание РТК с технологией плазменного напылениядля производства устройств буксировки и других машиностроительных механизмов
Аннотация.Статья посвящена вопросам развития машиностроения, а в частности перспективы автоматизации производства. Авторы предлагают роботизированный технологический комплекс с целью производства деталей промышленного образца и готовых механизмов, в частности устройств для буксировки и эвакуации самолетов. Также предлагается рассмотреть и проанализировать преимущества установки на производстве установок для плазменного напыления поверхностей деталей и инструментов.Ключевые слова: роботизированный технологический комплекс, плазма, деталь, обработка, инструмент, механизм, буксир.
Всю историю развития машиностроения всех инженеровконструкторов, технологов и прочих профессионалов станкостроения волнует главный вопрос: повышение производительности труда, эффективность производства, а также увеличение выпуска продукции,считаясь, при этом с экономической стороной вопроса.Среди главных проблем отечественного машиностроения:1.наличие избыточных производственных мощностей, как правило, устаревших, и, соответственно, крайне высокие издержки на их содержание;2.морально устаревшая инфраструктура производственных мощностей;3.критический моральный и физический износ оборудования и технологий;4.дефицит денежных ресурсов (низкая кредитная и инвестиционная привлекательность предприятий) для реализации программ стратегических преобразований;5.неэффективная производственная кооперация промышленных предприятий;6.дефицит квалифицированных кадров.Согласно данным статистики, до 70% оборудования в отечественном машиностроении имеет средний возраст 20 и более лет. Это означает, что подавляющая часть основных фондов устарела не только морально, но и физически. В частности, в судостроении, радиоэлектронном комплексе, вертолетной индустрии износ оборудования превышает 65%[1].В машиностроительной отрасли на любом этапе производства используются высокие технологии. Это означает, что инновационные решения в машиностроении востребованы практически постоянно. Развитие технологий требует постоянного капиталовложения, что в свою очередь возвращается высокими дивидендами для инвестора. Основными инновационными направлениями в машиностроении являются[2]:1.развитие и совершенствование технологий производства;2.увеличение прочности и качества материалов;3.использование принципиально новых технологических решений.Приоритетным направление в улучшении производства является роботизация и автоматизация во всех направлениях. Большую роль играет сокращение ручного, неквалифицированного и тяжелейшего физического труда. К этому можно прийти при помощи модернизации существующего оборудования, пересмотрение и улучшение технологическихпроцессов, создания автоматических поточных линий, станков, участков, обрабатывающих центров. Модификация машиностроительного производства происходит в результате осмысления и обработки опыта, использования новых средств производства и комплексной автоматизации производственных процессов на базе применения промышленных роботов, автоматических транспортных средств, контрольноизмерительных машин и т.п.На данный момент очень распространенав мире машиностроения и станкостроения единицатехнологического оборудования, включающая в себя автоматизированное программное управление и средства для автоматизации технологического процесса. Речь идёт о гибком производственном модуле (ГПМ). Его же частным случаем принято считать роботизированный технологический комплекс (РТК).При возможности встраивания этого комплекса в системе высочайшего уровня.Работа роботизированного комплекса имеет свои достоинства:
возможно широкое применение типизации технологических процессов и операций, большая гибкость систем производства, понижение затрат на обслуживающее оборудование.В данной статье мы постараемся представить РТКи описать его плюсы для производства.Проектируемый роботизированный технологический комплексможет основываться на базе любого выбранного производством станка или обрабатывающего центра. Для более наглядного и яркого примера создания РТК мы воспользуемся обрабатывающим центром ИР500ПМФ4, который был самой популярной из моделей обрабатывающих центров на территории России и СНГ, способныйфрезеровать, растачивать, сверлить, зенкеровать, производить развертку корпусных деталей средних размеров.Обрабатывающий центр ИР500ПМФ4 предназначен для обработки заготовок любых форм и из любых материалов все виды чугуна, различные сплавы цветных металлов, пластмассы. Широкие диапазоны частот вращения шпинделя и скоростей подач, наличие поворотного стола, высокая степень автоматизации вспомогательных работ расширяют технологические возможности станков и позволяют использовать на базе робототехнических комплексов и различных конвейерных автоматизированных производств. Станок ИР500ПМФ4 имеет контурную систему программного управления, автоматическую смену инструмента и столыспутники. Дискретный стол станка ИР500 (число позиций 120 х 3о), габариты стола 500 х 500 мм, система ЧПУ фирм «BOSCH» или «FANUC». Возможна установка систем ЧПУ Российского производства.Расширение технологических возможностей, как станка, так и обрабатывающего центра является одним изнаправлений в современных условиях. Так как недостаток финансирования не позволяет использовать новое оборудование и, как следствие, вынуждает применять устройства, которые, естественно, намного дешевле нового станка, дающие возможность выполнять на станке не присущие для него ранее операции или же попросту уменьшающие время обработки заготовок.Для осуществления задачипо проектированию РТК в обрабатывающий центр ИР500ПМФбудет произведена установка многошпиндельных головок,постановка рядом с обрабатывающим центромнакопителя инструментов, а также внедреныманипуляторы, для удобства перемещения заготовокидля сокращения вспомогательного времени обработки заготовок. Также будет добавлено мерительное устройство, для ускорения процесса измерения габаритов заготовок.Все заготовки будут доставляться из автоматизированного склада путем работы главного манипулятора, который будет установлен в центральной части производства. Вдоль всей длинныпроизводственного цеха будут работать конвейеры для автоматизации уборки стружки из рабочей области.Указанные приспособления при установке на станок позволят значительно расширить технологические возможности станка.
Проектный план участка РТК представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Проектный план участка РТК
Представленный план участка состоит из: автоматизированный склад 1, конвейер для уборки стружки 2, манипулятор 3, стол 4, вспомогательный стол 5, модернизированный обрабатывающий центр 6, установка по нанесению плазменного напыления 7.Особенностью предлагаемого РТК является внедрение в производственный процесс установки для нанесения плазменного напыления. Тип плазменной установки выбирается в зависимости от направленности деятельности производства, а материал для напыления выбирается в зависимости от предназначения той или иной заготовки, а также инструмента.Перспективный метод плазменного напыленияпозволяет получать покрытия широкого диапазона материалов с требуемыми защитными, газодиффузионными и другими характеристиками. Можно указать следующие преимущества плазменного напыления по сравнению с аналогами газопламенным, электродуговым и детонационным напылением, процессами наплавки и осаждения [3]: 1.гибкость регулирования параметров и режимов работы плазмотрона позволяют обеспечить эффективное управление энергетическими характеристиками напыляемых частиц и условиями формирования покрытия; 2.возможность получения покрытий из большинства материалов, при этом по температуре плавления ограничений нет; 3.нанесение покрытия на изделия, изготовленные практически из любого материала; 4.отсутствие ограничений по размерам напыляемых изделий, нанесение покрытия на локальные поверхности; 5.невысокое термическое воздействие на поверхность, что позволяет избежать деформаций, изменений размеров изделий, нежелательные структурных превращений основного металла и др. Метод плазменного напыления позволяет получатьпокрытия со следующими свойствами [4]:1.устойчивость к абразивному, адгезионному износу, износу при трении и фреттинге; 2.устойчивость к образованию полостей; 3.электропроводность и электроизоляция поверхности; 4.устойчивость к химическим воздействиям; 5.коррозионная устойчивость; 6.ударная стойкость; 7.устойчивость к окислению; 8.теплопроводность и теплоизоляцию поверхности. В связи с освоением новых изделийпоявляется нужда вприобретении дорогостоящегоинструмента для производства, такогокак фасонный резец, сферическая фреза и прочих разновидностей. Так, например, новое оборудование и инструмент позволили изготавливать винты ШВПс качеством поверхностиRa0,4 мкм, твердостью 4246 HRC, при твердости свыше 46 HRC. Но режущий инструмент не обеспечитвозможным протекания процесса резания, что приведетк строгому ограничению по твердости. Так же большой долей обрабатываемых на предприятии материалов является нержавейка, алюминий и его сплавы. В связи с импортозамещением встает вопрос о переходе на отечественный инструмент, относительно недорогой и оптимальный из быстрорежущих сталей. Плазменное напыление применимо к режущему инструменту позволит:
повысить стойкость инструмента;
повысить температурную стойкость;
расширение диапазона применения;Все эти факторы, позволяют, применяя различные напыления достигать требуемых характеристик режущего инструмента. Выгодное решение с экономической точки зрения, снижаются расходы на переточку и замену сменных режущих пластин, повышается производительность. Также предлагается провести исследования и внедрить данную технологию на проектируемый РТК, с целью оптимизации технологии изготовления заготовок.Известен заводской случай, который показывает полноту оправданности выбора технологии плазменного напыления.В процессе освоения шарикавинтовой передачивозникла техническая проблема: материал винта сталь 03Х11Н10М2, максимально возможная твердость, у которой, после термической обработки, 42…46 HRC. Технология предусматривает термообработку, после чего спецрезцом нарезается винтовая канавка с чистотой поверхности Ra0,4, но не достигается необходимая твердость 62…65 HRC. Данная марка стали предусматривает упрочнение поверхности азотированием, что позволяет достичь заданной твердости. После азотирования на пробной партии винтов было выявлено значительно ухудшение качества поверхности (шероховатости Ra1,6). Твердость вала составляла 67…69 HRCпри твердости шарика 62…65 HRC. Так же в процессе азотирования наблюдался отпуск, что обусловлено технологией, где процесспротекает при 500°С. В итоге был получен вал с мягкой сердцевиной и твердой коркой. Все это повлияло и на усталостную прочность винта. Несоответствие заложенной в КД качества поверхности и микротвердости привело к заеданию механизма при работе, ухудшение плавности хода. По причине неровностей на поверхности и превышения твердости, наблюдался повышенный износ шариков и локальные вырывы металла с поверхности, что категорически не допустимо в ШВП. Пути решения:
приобретение дорогостоящего шлифовального оборудования;
внедрение технологии плазменного напыления.С экономической точки зрения наиболее выгодно внедрение технологии плазменного напыления, преимущество которого заключается в широкой области применения. Исходя из опытных образцов можно сделать вывод, что данный прогрессивный метод целесообразно использовать для проектируемого РТК. Применение технологии не только к деталям, но и к режущему инструменту, это позволит сократить расходы на приобретение дорогостоящего специнструмента, а также использовать менее дорогостоящие материалы. Для выбора материала напыления как для инструмента, так и для поверхностей изготавливаемых деталей, возможно использование следующего подбора материала по функциональному назначениюпокрытий, приведенного в таблице 1 [5].Таблица 1Функциональное назначение покрытий
Материал покрытий Характеристика поверхностного слоя, улучшаемая нанесением покрытий Al2O3, AlNi, CrBNiSi, NiTi, Mo, Cr2O3, Cr, WC, MgAl2O4 Износостойкость Al, Al2O3,Cr, Ti, Zn, Cr2O3, Al2O3TiO2 Коррозионная стойкость Al2O3,ZrO2, AlNi, Mo, ZnB, MgAl2O4 Термостойкость ZrO2, WCCO, TiC, Cr2O3, CrBNi Эрозионная стойкость W, Mo, WC, CrNi, MoSi2, MgAl2O4 Жаропрочность AlNi, TiNi, Al2O3, ZrO2 Антисхватывание подвижных узлов Al2O3,NiSi2, AlNi, ZrO2 Теплоизоляция Al2O3, BaTiO3, SiO2, MgOAl2O3 Электроизоляция Mo, TiNi, Al, Ni Герметичность соединений
На проектируемом РТК возможно обработка и производства как отдельных деталей, из любой сферы машиностроения, так и конкретных механизмов, например, средств аэродромно технического обеспечения полетов, а именно различных устройств для буксировки и эвакуации воздушных судов.В настоящее время в Военном учебнонаучном центре Военновоздушных сил МО РФ «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), научным коллективом авторов были разработаны устройства и способы для буксировки и эвакуации воздушных судов. Часть данных устройств была реализована ввиде натурных образцов, работа которых исследована в реальных условиях базирования аэродрома. Одним из таких устройств является устройство [6]для эвакуации самолета которое содержит: тягач, тележку, оборудованную колесами, количество которых может изменяться, в зависимости от состояния опорной поверхности и веса буксируемого самолета, изготовленную в виде несущей рамы и подвижной рамки оборудованной захватом, взаимодействующим с передней стойкой шасси самолета, гидроцилиндра,гидравлическую систему тягача, позволяющую поднимать переднюю стойку шасси самолета над опорной поверхностью.Выше описанное устройство представлено на рисунке 2.
Рис.2. Устройство для буксировки самолетов
Предлагаемое устройстводля эвакуации воздушных судов промышленно применимо, так как для его реализации используются устройства и материалы, применяемые в авиационной промышленности.Схема буксировки представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Схема буксировки
Также было разработано устройство для буксировки и эвакуации самолетов с другой технологией перемещения самолета.Устройство для буксировки самолетов, содержащее тягач с размещенной на нем вращающейся в горизонтальной плоскости платформой, отличающееся тем, что на поворотной платформе установлен пневмотканевый подъемник, жестко закрепленный нижней частью на поворотной платформе, а на верхней части размещена площадка, выполненная из двух частей в форме фюзеляжа самолета, которые соединены между собой силовым гидроцилиндром и могут перемещаться в горизонтальной плоскости.Выше описанное устройство представлено на рисунке 4.
Рис. 4. Устройство для буксировки самолетов
Предлагаемое устройстводля эвакуации воздушных судов промышленно применимо, так как для его реализации используются устройства и материалы, применяемые в авиационной промышленности.Схема буксировки представлена на рисунке 5.
Рис. 5. Схема буксировки
Квновь разрабатываемым типам ВС пятого поколения, так как уже к 2017г. в строю ВВС России должны появиться боевые самолеты пятого поколения, которые, очевидно, и будут определять облик мировой военной авиации вплоть до середины XXIстолетия (а возможно и далее).Создание авиационных комплексов пятого поколения предъявляет очень серьезные требования к выработке их концепции. Выполнение этих требований возможно лишь при полной реконструкции средств и способов для буксировки и эвакуации ВС, так как существующие буксировщики не отвечают требованиям нового поколения и нуждаются в совершенствовании.На базе ВоенногоучебнонаучногоцентраВоенновоздушных сил МО РФ «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) ведут активную научную работу по созданию новых способов и устройств для буксировки самолетов коллектив авторов в составе Трифонова Григория Игоревича и Лазарева Сергея Викторовича. Представленные выше разработки являются базой для создания новых устройств для буксировки самолетов.На данный момент ведется активное исследование качественных характеристик выше упомянутых устройств для того, чтобы самолеты пятого поколения были обеспечены в средствах для буксировки и эвакуации.Деталью представителемпредлагаемого РТК был выбран «Корпус» трубчатого типа, изображенный на рисунке 6. Корпус имеет цилиндрическую поверхность с одной стороны, которой на равном расстоянии друг от друга расположены два призматических «ушка» со сквозным отверстием для монтажа корпуса, напротив «ушек» симметрично относительно оси детали имеется призматический выступ скругленными ребрами. На торцевой поверхности призматической поверхности расположены равноудалено друг от друга 2 отверстия диаметром 24 мм. Деталь имеет в центре сквозное ступенчатое отверстие, крайнее отверстие имеет квалитет Н7 и шероховатостьRa1,25, при помощи данного отверстия происходит крепление в натяг корпуса к другому узлу конструкции как с одной, так и с другой стороны.
Рис. 6. «Корпус» трубчатого типа
Данная деталь технологична по следующим признакам:1.Наличие удобной базирующей поверхности отверстие М24;2.Данная деталь имеет достаточную жесткость т.к. отношение диаметра и длины не велико;3.Наличие цилиндрической поверхности позволяет хорошо от центровать деталь для получения следующей базы;4.Размеры точных поверхностей соответствуют стандартному ряду, то есть не требуется специального измерительного инструмента;5.Материал детали хорошо обрабатывается резанием;Проведенный анализ позволяет считать данную деталь технологичной.Разработаем технологический процесс изготовления детали Корпус. Данный технологический процесс разрабатывается для среднесерийного типа изготовления детали.В ходе первой операцииобработки корпуса получены базовые поверхностей: торец 1, отверстия 2, 3, а также отверстия 4,5, по которым будет производиться базирование корпуса на станке ИР500ПМФ4 в операции 010, показанное на рисунке 7и рисунке 8.
Рис. 7. Операция 005 Горизонтально расточная
Аустановитьи снять деталь:1 Фрезеровать торец 1;2 Сверлить отверстия 2,3;3 Сверлить отверстия 4,5.
Рис. 8. Операция 010 Горизонтальнорасточная
Аустановитьи снять деталь:1 Фрезеровать торец 6;2 Расточить отверстие 7;3 Расточить отверстие 8 и снять фаску 9;4 Расточить отверстие 10 предварительно;5 Расточить отверстие 10 чисто;6 Расточить отверстие 10 тонко;7 Фрезеровать торец 11;8 Расточить отверстие 12 и снять фаску 13;9 Расточить отверстие 14 предварительно;10 Расточить отверстие 14 чисто;11 Расточить отверстие 14 тонко;12 Сверлить отверстия 15,16.Инструменты: дисковая фрезаø 63 Р9, спиральное сверло ø 16 Р6М5, спиральное сверло ø24 Р6М5, зенкер ø 24 ВК8. Во второй операции (010) базирование производится по плоскости и двум отверстиям в универсально сборочном приспособлении.Инструменты: дисковая фрезаø 200 Т5К10,расточной резец Т15К6, расточной резец Т15К10, спиральное сверло ø 14 Р6М5.В процессе проектирования какихлибо конструктивных решений или технологического процесса, необходимо проанализировать его на наличие опасных и вредных факторов и выявить их причины возникновения. Главные причины влияния опаснейших производственных факторов при использовании в промышленности роботов, робототехнических комплексов:1)движения устройств при их наладке, ремонте или же во время исполнения управляющей программы;2)отказ робототехнической системы или технологического оборудования;3)человеческий фактор, а конкретнееошибка оператора или наладчика во время их непосредственных обязанностей;4)открытый доступ в зону работы робота при его работе.Большое значение для создания благоприятных условий труда имеют освещение, вентиляция, отопление, защита от шума вибраций, от воздействия электрического тока, чистота и порядок, как на каждом рабочем месте, так и на предприятии.В данной статье былопредставленыпроизведено улучшение и модернизация обрабатывающего центра ИР500ПМФ4, с целью повышения производительности и создания на его основе робототехнического комплекса. Эта задача была достигнута при помощи внедрения следующих приспособлений:Мерительная головка (щуп)Манипулятор «Универсал 5.02»Вспомогательные манипуляторыУстройство для уборки стружкиПодъёмное устройство для накопителя инструментовНакопитель инструментовМногошпиндельная головкаАвтоматизированный складПлазменная установкаПри изготовлении были соблюдены все требования по технике безопасности и экологии. В изделиях обеспечены надежность и ремонтопригодность. В результате внедрения данных устройств:Повысилась производительность оборудованияЗначительно увеличилось количество режущих инструментовПоявилась возможность ускорить процесс обработки заготовокВозможность плазменного напыления инструмента и деталейПроизводство разработанных механизмов (буксиров)На основе вышесказанного можно сказать, что опыт эксплуатации промышленных роботов показывает, что наиболее целесообразной формой роботизации в условиях серийного производства является создание роботизированных технологических комплексов, на базе которых в перспективе могут быть созданы роботизированные участки, цехи и заводы для производства любой направленности в машиностроении или авиастроении, в частности средств буксировки и эвакуации самолетов.
Ссылки на источники1.Перспективы развития российского машиностроения URL: http://www.protown.ru/information/hide/4486.html2.Инновационные решения в машиностроении URL: http://www.ntpo.com/investiciivinnovacii/innovacionnyereshenijavmashinostroenii/3.Плазменное напыление порошковых покрытий НПФ «Плазмацентр». URL:http://www.plasmacentre.ru/technology/17.php. (Дата обращения: 14.09.2014)4.Атмосферное плазменное напыление. URL: http://www.sabaros.ru/sulzermetco/processes/plasmspray/atmospheric. (Дата обращения: 10.09.2014). 5.Цырлин М. И., Родченко Д. А. Концепция комплексного моделирования процесса плазменного напыления покрытий на основе порошковых полимерных материалов. / Новые технологии в машиностроении и вычислительной технике: Труды НТК. Брест: Брестский политехн. инт, 1998. С. 7376.6.Патент № 2316454, РФ, МКИ B64F1/22, опубликовано 2008 г.7.Патент № 2361786, РФ, МКИ B64F1/22, опубликовано2009 г.
Лазарев Сергей Викторович,кандидат технических наук, доцент кафедры эксплуатации и ремонта САТОП «Военный учебнонаучный центр Военновоздушных сил «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина», г. Воронежzub_max@rambler.ru
Создание РТК с технологией плазменного напылениядля производства устройств буксировки и других машиностроительных механизмов
Аннотация.Статья посвящена вопросам развития машиностроения, а в частности перспективы автоматизации производства. Авторы предлагают роботизированный технологический комплекс с целью производства деталей промышленного образца и готовых механизмов, в частности устройств для буксировки и эвакуации самолетов. Также предлагается рассмотреть и проанализировать преимущества установки на производстве установок для плазменного напыления поверхностей деталей и инструментов.Ключевые слова: роботизированный технологический комплекс, плазма, деталь, обработка, инструмент, механизм, буксир.
Всю историю развития машиностроения всех инженеровконструкторов, технологов и прочих профессионалов станкостроения волнует главный вопрос: повышение производительности труда, эффективность производства, а также увеличение выпуска продукции,считаясь, при этом с экономической стороной вопроса.Среди главных проблем отечественного машиностроения:1.наличие избыточных производственных мощностей, как правило, устаревших, и, соответственно, крайне высокие издержки на их содержание;2.морально устаревшая инфраструктура производственных мощностей;3.критический моральный и физический износ оборудования и технологий;4.дефицит денежных ресурсов (низкая кредитная и инвестиционная привлекательность предприятий) для реализации программ стратегических преобразований;5.неэффективная производственная кооперация промышленных предприятий;6.дефицит квалифицированных кадров.Согласно данным статистики, до 70% оборудования в отечественном машиностроении имеет средний возраст 20 и более лет. Это означает, что подавляющая часть основных фондов устарела не только морально, но и физически. В частности, в судостроении, радиоэлектронном комплексе, вертолетной индустрии износ оборудования превышает 65%[1].В машиностроительной отрасли на любом этапе производства используются высокие технологии. Это означает, что инновационные решения в машиностроении востребованы практически постоянно. Развитие технологий требует постоянного капиталовложения, что в свою очередь возвращается высокими дивидендами для инвестора. Основными инновационными направлениями в машиностроении являются[2]:1.развитие и совершенствование технологий производства;2.увеличение прочности и качества материалов;3.использование принципиально новых технологических решений.Приоритетным направление в улучшении производства является роботизация и автоматизация во всех направлениях. Большую роль играет сокращение ручного, неквалифицированного и тяжелейшего физического труда. К этому можно прийти при помощи модернизации существующего оборудования, пересмотрение и улучшение технологическихпроцессов, создания автоматических поточных линий, станков, участков, обрабатывающих центров. Модификация машиностроительного производства происходит в результате осмысления и обработки опыта, использования новых средств производства и комплексной автоматизации производственных процессов на базе применения промышленных роботов, автоматических транспортных средств, контрольноизмерительных машин и т.п.На данный момент очень распространенав мире машиностроения и станкостроения единицатехнологического оборудования, включающая в себя автоматизированное программное управление и средства для автоматизации технологического процесса. Речь идёт о гибком производственном модуле (ГПМ). Его же частным случаем принято считать роботизированный технологический комплекс (РТК).При возможности встраивания этого комплекса в системе высочайшего уровня.Работа роботизированного комплекса имеет свои достоинства:
возможно широкое применение типизации технологических процессов и операций, большая гибкость систем производства, понижение затрат на обслуживающее оборудование.В данной статье мы постараемся представить РТКи описать его плюсы для производства.Проектируемый роботизированный технологический комплексможет основываться на базе любого выбранного производством станка или обрабатывающего центра. Для более наглядного и яркого примера создания РТК мы воспользуемся обрабатывающим центром ИР500ПМФ4, который был самой популярной из моделей обрабатывающих центров на территории России и СНГ, способныйфрезеровать, растачивать, сверлить, зенкеровать, производить развертку корпусных деталей средних размеров.Обрабатывающий центр ИР500ПМФ4 предназначен для обработки заготовок любых форм и из любых материалов все виды чугуна, различные сплавы цветных металлов, пластмассы. Широкие диапазоны частот вращения шпинделя и скоростей подач, наличие поворотного стола, высокая степень автоматизации вспомогательных работ расширяют технологические возможности станков и позволяют использовать на базе робототехнических комплексов и различных конвейерных автоматизированных производств. Станок ИР500ПМФ4 имеет контурную систему программного управления, автоматическую смену инструмента и столыспутники. Дискретный стол станка ИР500 (число позиций 120 х 3о), габариты стола 500 х 500 мм, система ЧПУ фирм «BOSCH» или «FANUC». Возможна установка систем ЧПУ Российского производства.Расширение технологических возможностей, как станка, так и обрабатывающего центра является одним изнаправлений в современных условиях. Так как недостаток финансирования не позволяет использовать новое оборудование и, как следствие, вынуждает применять устройства, которые, естественно, намного дешевле нового станка, дающие возможность выполнять на станке не присущие для него ранее операции или же попросту уменьшающие время обработки заготовок.Для осуществления задачипо проектированию РТК в обрабатывающий центр ИР500ПМФбудет произведена установка многошпиндельных головок,постановка рядом с обрабатывающим центромнакопителя инструментов, а также внедреныманипуляторы, для удобства перемещения заготовокидля сокращения вспомогательного времени обработки заготовок. Также будет добавлено мерительное устройство, для ускорения процесса измерения габаритов заготовок.Все заготовки будут доставляться из автоматизированного склада путем работы главного манипулятора, который будет установлен в центральной части производства. Вдоль всей длинныпроизводственного цеха будут работать конвейеры для автоматизации уборки стружки из рабочей области.Указанные приспособления при установке на станок позволят значительно расширить технологические возможности станка.
Проектный план участка РТК представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Проектный план участка РТК
Представленный план участка состоит из: автоматизированный склад 1, конвейер для уборки стружки 2, манипулятор 3, стол 4, вспомогательный стол 5, модернизированный обрабатывающий центр 6, установка по нанесению плазменного напыления 7.Особенностью предлагаемого РТК является внедрение в производственный процесс установки для нанесения плазменного напыления. Тип плазменной установки выбирается в зависимости от направленности деятельности производства, а материал для напыления выбирается в зависимости от предназначения той или иной заготовки, а также инструмента.Перспективный метод плазменного напыленияпозволяет получать покрытия широкого диапазона материалов с требуемыми защитными, газодиффузионными и другими характеристиками. Можно указать следующие преимущества плазменного напыления по сравнению с аналогами газопламенным, электродуговым и детонационным напылением, процессами наплавки и осаждения [3]: 1.гибкость регулирования параметров и режимов работы плазмотрона позволяют обеспечить эффективное управление энергетическими характеристиками напыляемых частиц и условиями формирования покрытия; 2.возможность получения покрытий из большинства материалов, при этом по температуре плавления ограничений нет; 3.нанесение покрытия на изделия, изготовленные практически из любого материала; 4.отсутствие ограничений по размерам напыляемых изделий, нанесение покрытия на локальные поверхности; 5.невысокое термическое воздействие на поверхность, что позволяет избежать деформаций, изменений размеров изделий, нежелательные структурных превращений основного металла и др. Метод плазменного напыления позволяет получатьпокрытия со следующими свойствами [4]:1.устойчивость к абразивному, адгезионному износу, износу при трении и фреттинге; 2.устойчивость к образованию полостей; 3.электропроводность и электроизоляция поверхности; 4.устойчивость к химическим воздействиям; 5.коррозионная устойчивость; 6.ударная стойкость; 7.устойчивость к окислению; 8.теплопроводность и теплоизоляцию поверхности. В связи с освоением новых изделийпоявляется нужда вприобретении дорогостоящегоинструмента для производства, такогокак фасонный резец, сферическая фреза и прочих разновидностей. Так, например, новое оборудование и инструмент позволили изготавливать винты ШВПс качеством поверхностиRa0,4 мкм, твердостью 4246 HRC, при твердости свыше 46 HRC. Но режущий инструмент не обеспечитвозможным протекания процесса резания, что приведетк строгому ограничению по твердости. Так же большой долей обрабатываемых на предприятии материалов является нержавейка, алюминий и его сплавы. В связи с импортозамещением встает вопрос о переходе на отечественный инструмент, относительно недорогой и оптимальный из быстрорежущих сталей. Плазменное напыление применимо к режущему инструменту позволит:
повысить стойкость инструмента;
повысить температурную стойкость;
расширение диапазона применения;Все эти факторы, позволяют, применяя различные напыления достигать требуемых характеристик режущего инструмента. Выгодное решение с экономической точки зрения, снижаются расходы на переточку и замену сменных режущих пластин, повышается производительность. Также предлагается провести исследования и внедрить данную технологию на проектируемый РТК, с целью оптимизации технологии изготовления заготовок.Известен заводской случай, который показывает полноту оправданности выбора технологии плазменного напыления.В процессе освоения шарикавинтовой передачивозникла техническая проблема: материал винта сталь 03Х11Н10М2, максимально возможная твердость, у которой, после термической обработки, 42…46 HRC. Технология предусматривает термообработку, после чего спецрезцом нарезается винтовая канавка с чистотой поверхности Ra0,4, но не достигается необходимая твердость 62…65 HRC. Данная марка стали предусматривает упрочнение поверхности азотированием, что позволяет достичь заданной твердости. После азотирования на пробной партии винтов было выявлено значительно ухудшение качества поверхности (шероховатости Ra1,6). Твердость вала составляла 67…69 HRCпри твердости шарика 62…65 HRC. Так же в процессе азотирования наблюдался отпуск, что обусловлено технологией, где процесспротекает при 500°С. В итоге был получен вал с мягкой сердцевиной и твердой коркой. Все это повлияло и на усталостную прочность винта. Несоответствие заложенной в КД качества поверхности и микротвердости привело к заеданию механизма при работе, ухудшение плавности хода. По причине неровностей на поверхности и превышения твердости, наблюдался повышенный износ шариков и локальные вырывы металла с поверхности, что категорически не допустимо в ШВП. Пути решения:
приобретение дорогостоящего шлифовального оборудования;
внедрение технологии плазменного напыления.С экономической точки зрения наиболее выгодно внедрение технологии плазменного напыления, преимущество которого заключается в широкой области применения. Исходя из опытных образцов можно сделать вывод, что данный прогрессивный метод целесообразно использовать для проектируемого РТК. Применение технологии не только к деталям, но и к режущему инструменту, это позволит сократить расходы на приобретение дорогостоящего специнструмента, а также использовать менее дорогостоящие материалы. Для выбора материала напыления как для инструмента, так и для поверхностей изготавливаемых деталей, возможно использование следующего подбора материала по функциональному назначениюпокрытий, приведенного в таблице 1 [5].Таблица 1Функциональное назначение покрытий
Материал покрытий Характеристика поверхностного слоя, улучшаемая нанесением покрытий Al2O3, AlNi, CrBNiSi, NiTi, Mo, Cr2O3, Cr, WC, MgAl2O4 Износостойкость Al, Al2O3,Cr, Ti, Zn, Cr2O3, Al2O3TiO2 Коррозионная стойкость Al2O3,ZrO2, AlNi, Mo, ZnB, MgAl2O4 Термостойкость ZrO2, WCCO, TiC, Cr2O3, CrBNi Эрозионная стойкость W, Mo, WC, CrNi, MoSi2, MgAl2O4 Жаропрочность AlNi, TiNi, Al2O3, ZrO2 Антисхватывание подвижных узлов Al2O3,NiSi2, AlNi, ZrO2 Теплоизоляция Al2O3, BaTiO3, SiO2, MgOAl2O3 Электроизоляция Mo, TiNi, Al, Ni Герметичность соединений
На проектируемом РТК возможно обработка и производства как отдельных деталей, из любой сферы машиностроения, так и конкретных механизмов, например, средств аэродромно технического обеспечения полетов, а именно различных устройств для буксировки и эвакуации воздушных судов.В настоящее время в Военном учебнонаучном центре Военновоздушных сил МО РФ «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), научным коллективом авторов были разработаны устройства и способы для буксировки и эвакуации воздушных судов. Часть данных устройств была реализована ввиде натурных образцов, работа которых исследована в реальных условиях базирования аэродрома. Одним из таких устройств является устройство [6]для эвакуации самолета которое содержит: тягач, тележку, оборудованную колесами, количество которых может изменяться, в зависимости от состояния опорной поверхности и веса буксируемого самолета, изготовленную в виде несущей рамы и подвижной рамки оборудованной захватом, взаимодействующим с передней стойкой шасси самолета, гидроцилиндра,гидравлическую систему тягача, позволяющую поднимать переднюю стойку шасси самолета над опорной поверхностью.Выше описанное устройство представлено на рисунке 2.
Рис.2. Устройство для буксировки самолетов
Предлагаемое устройстводля эвакуации воздушных судов промышленно применимо, так как для его реализации используются устройства и материалы, применяемые в авиационной промышленности.Схема буксировки представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Схема буксировки
Также было разработано устройство для буксировки и эвакуации самолетов с другой технологией перемещения самолета.Устройство для буксировки самолетов, содержащее тягач с размещенной на нем вращающейся в горизонтальной плоскости платформой, отличающееся тем, что на поворотной платформе установлен пневмотканевый подъемник, жестко закрепленный нижней частью на поворотной платформе, а на верхней части размещена площадка, выполненная из двух частей в форме фюзеляжа самолета, которые соединены между собой силовым гидроцилиндром и могут перемещаться в горизонтальной плоскости.Выше описанное устройство представлено на рисунке 4.
Рис. 4. Устройство для буксировки самолетов
Предлагаемое устройстводля эвакуации воздушных судов промышленно применимо, так как для его реализации используются устройства и материалы, применяемые в авиационной промышленности.Схема буксировки представлена на рисунке 5.
Рис. 5. Схема буксировки
Квновь разрабатываемым типам ВС пятого поколения, так как уже к 2017г. в строю ВВС России должны появиться боевые самолеты пятого поколения, которые, очевидно, и будут определять облик мировой военной авиации вплоть до середины XXIстолетия (а возможно и далее).Создание авиационных комплексов пятого поколения предъявляет очень серьезные требования к выработке их концепции. Выполнение этих требований возможно лишь при полной реконструкции средств и способов для буксировки и эвакуации ВС, так как существующие буксировщики не отвечают требованиям нового поколения и нуждаются в совершенствовании.На базе ВоенногоучебнонаучногоцентраВоенновоздушных сил МО РФ «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) ведут активную научную работу по созданию новых способов и устройств для буксировки самолетов коллектив авторов в составе Трифонова Григория Игоревича и Лазарева Сергея Викторовича. Представленные выше разработки являются базой для создания новых устройств для буксировки самолетов.На данный момент ведется активное исследование качественных характеристик выше упомянутых устройств для того, чтобы самолеты пятого поколения были обеспечены в средствах для буксировки и эвакуации.Деталью представителемпредлагаемого РТК был выбран «Корпус» трубчатого типа, изображенный на рисунке 6. Корпус имеет цилиндрическую поверхность с одной стороны, которой на равном расстоянии друг от друга расположены два призматических «ушка» со сквозным отверстием для монтажа корпуса, напротив «ушек» симметрично относительно оси детали имеется призматический выступ скругленными ребрами. На торцевой поверхности призматической поверхности расположены равноудалено друг от друга 2 отверстия диаметром 24 мм. Деталь имеет в центре сквозное ступенчатое отверстие, крайнее отверстие имеет квалитет Н7 и шероховатостьRa1,25, при помощи данного отверстия происходит крепление в натяг корпуса к другому узлу конструкции как с одной, так и с другой стороны.
Рис. 6. «Корпус» трубчатого типа
Данная деталь технологична по следующим признакам:1.Наличие удобной базирующей поверхности отверстие М24;2.Данная деталь имеет достаточную жесткость т.к. отношение диаметра и длины не велико;3.Наличие цилиндрической поверхности позволяет хорошо от центровать деталь для получения следующей базы;4.Размеры точных поверхностей соответствуют стандартному ряду, то есть не требуется специального измерительного инструмента;5.Материал детали хорошо обрабатывается резанием;Проведенный анализ позволяет считать данную деталь технологичной.Разработаем технологический процесс изготовления детали Корпус. Данный технологический процесс разрабатывается для среднесерийного типа изготовления детали.В ходе первой операцииобработки корпуса получены базовые поверхностей: торец 1, отверстия 2, 3, а также отверстия 4,5, по которым будет производиться базирование корпуса на станке ИР500ПМФ4 в операции 010, показанное на рисунке 7и рисунке 8.
Рис. 7. Операция 005 Горизонтально расточная
Аустановитьи снять деталь:1 Фрезеровать торец 1;2 Сверлить отверстия 2,3;3 Сверлить отверстия 4,5.
Рис. 8. Операция 010 Горизонтальнорасточная
Аустановитьи снять деталь:1 Фрезеровать торец 6;2 Расточить отверстие 7;3 Расточить отверстие 8 и снять фаску 9;4 Расточить отверстие 10 предварительно;5 Расточить отверстие 10 чисто;6 Расточить отверстие 10 тонко;7 Фрезеровать торец 11;8 Расточить отверстие 12 и снять фаску 13;9 Расточить отверстие 14 предварительно;10 Расточить отверстие 14 чисто;11 Расточить отверстие 14 тонко;12 Сверлить отверстия 15,16.Инструменты: дисковая фрезаø 63 Р9, спиральное сверло ø 16 Р6М5, спиральное сверло ø24 Р6М5, зенкер ø 24 ВК8. Во второй операции (010) базирование производится по плоскости и двум отверстиям в универсально сборочном приспособлении.Инструменты: дисковая фрезаø 200 Т5К10,расточной резец Т15К6, расточной резец Т15К10, спиральное сверло ø 14 Р6М5.В процессе проектирования какихлибо конструктивных решений или технологического процесса, необходимо проанализировать его на наличие опасных и вредных факторов и выявить их причины возникновения. Главные причины влияния опаснейших производственных факторов при использовании в промышленности роботов, робототехнических комплексов:1)движения устройств при их наладке, ремонте или же во время исполнения управляющей программы;2)отказ робототехнической системы или технологического оборудования;3)человеческий фактор, а конкретнееошибка оператора или наладчика во время их непосредственных обязанностей;4)открытый доступ в зону работы робота при его работе.Большое значение для создания благоприятных условий труда имеют освещение, вентиляция, отопление, защита от шума вибраций, от воздействия электрического тока, чистота и порядок, как на каждом рабочем месте, так и на предприятии.В данной статье былопредставленыпроизведено улучшение и модернизация обрабатывающего центра ИР500ПМФ4, с целью повышения производительности и создания на его основе робототехнического комплекса. Эта задача была достигнута при помощи внедрения следующих приспособлений:Мерительная головка (щуп)Манипулятор «Универсал 5.02»Вспомогательные манипуляторыУстройство для уборки стружкиПодъёмное устройство для накопителя инструментовНакопитель инструментовМногошпиндельная головкаАвтоматизированный складПлазменная установкаПри изготовлении были соблюдены все требования по технике безопасности и экологии. В изделиях обеспечены надежность и ремонтопригодность. В результате внедрения данных устройств:Повысилась производительность оборудованияЗначительно увеличилось количество режущих инструментовПоявилась возможность ускорить процесс обработки заготовокВозможность плазменного напыления инструмента и деталейПроизводство разработанных механизмов (буксиров)На основе вышесказанного можно сказать, что опыт эксплуатации промышленных роботов показывает, что наиболее целесообразной формой роботизации в условиях серийного производства является создание роботизированных технологических комплексов, на базе которых в перспективе могут быть созданы роботизированные участки, цехи и заводы для производства любой направленности в машиностроении или авиастроении, в частности средств буксировки и эвакуации самолетов.
Ссылки на источники1.Перспективы развития российского машиностроения URL: http://www.protown.ru/information/hide/4486.html2.Инновационные решения в машиностроении URL: http://www.ntpo.com/investiciivinnovacii/innovacionnyereshenijavmashinostroenii/3.Плазменное напыление порошковых покрытий НПФ «Плазмацентр». URL:http://www.plasmacentre.ru/technology/17.php. (Дата обращения: 14.09.2014)4.Атмосферное плазменное напыление. URL: http://www.sabaros.ru/sulzermetco/processes/plasmspray/atmospheric. (Дата обращения: 10.09.2014). 5.Цырлин М. И., Родченко Д. А. Концепция комплексного моделирования процесса плазменного напыления покрытий на основе порошковых полимерных материалов. / Новые технологии в машиностроении и вычислительной технике: Труды НТК. Брест: Брестский политехн. инт, 1998. С. 7376.6.Патент № 2316454, РФ, МКИ B64F1/22, опубликовано 2008 г.7.Патент № 2361786, РФ, МКИ B64F1/22, опубликовано2009 г.
