книги / Надежность и диагностика технологических систем
..pdf7.5. Способы повышения надежности конструкций |
291 |
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
Материал |
Исходная шероховатость, мкм |
|
0,7...0,85/1,5...6,3 |
||
|
||
Сталь: |
|
|
13Х11Н2МФ |
0,11/0,6 |
|
ЖС-26 |
0,11/0,24 |
|
15Х12Н2МВФАБ |
0,25/0,3 |
|
ХН73МВТЮ |
0,14/0,15 |
|
Титановый сплав: |
|
|
ВТ8 |
0,16/0,4 |
|
ОТ4-0 |
0,11/0,18 |
|
Алюминиевый сплав Д16 |
0,09/— |
292 |
7. Принципы создания надежных и конкурентоспособных машин |
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;
7.5. Способы повышения надежности конструкций |
293 |
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
294 |
7. Принципы создания надежных и конкурентоспособных машин |
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
7.6. Конструкции повышенной надежности и безопасности |
295 |
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
7.6. Конструкции повышенной надежности и безопасности |
299 |
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.
300 |
7. Принципы создания надежных и конкурентоспособных машин |
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