Для промышленного робота, выполняющего технологическую операцию – алмазное выглаживание поверхности детали, характеристика системы Wu представляет собой характеристику незамкнутой динамической системы, определяемую внешним воздействием алмазного инструмента (выглаживателя) на обрабатываемую поверхность и вычисляемую по формуле
где y, y(t) – входные и выходные внешние воздействия в замкнутой системе (рис. 2а); Wд – динамическая характеристика промышленного робота, определяемая его конструкцией.
Если принять допущение о том, что конструкция промышленного робота для выполнения технологических операций может быть представлена как разомкнутая система третьего типа, то динамическая характеристика Wд определится по формуле [4]
где WEUS – динамическая характеристика эквивалентной упругой системы, соответствующей разработанной компоновке промышленного робота (рис. 1а); WOU – динамическая характеристика технологической системы «рука промышленного робота – алмазный выглаживатель – деталь – шпиндель станка».
Известно, что динамическая система считается устойчивой, если её отклонение от заданного состояния в переходном процессе, вызванном, например, ограниченным по величине воздействием y(t), со временем уменьшается [5; 6]. С учетом этого из анализа амплитудно-фазовой частотной характеристики промышленного робота, выполняющего алмазное выглаживание поверхности детали (рис. 2б), следует, что динамическая система будет находиться в равновесии в том случае, когда характеристика Wt отсекает на отрицательной вещественной оси отрезок Re ˂ |1|. В том случае, когда Re = 1, динамическая система промышленного робота находится на границе устойчивости и по этому отрезку можно оценить основные технологические показатели процесса алмазного выглаживания поверхности детали: усилие выглаживания, радиус алмазного индентора, скорость вращения обрабатываемой детали, величину продольной подачи, температуру в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью детали и т.д. Это даёт возможность оперативно управлять работой промышленного робота, выполняющего технологические операции, так как указанные характеристики тесно связаны с автоколебательными процессами рассматриваемой динамической системы, получая при этом высокие показатели качества поверхностного слоя детали.
Экспериментальные исследования качества обработанной поверхности детали
Проведены сравнительные экспериментальные исследования процесса алмазного выглаживания с установкой инструмента на токарно-винторезном станке мод. 1А620 и с использованием разработанного одностоечного технологического робота (рис. 2а). Обработке подвергались цилиндрические валики из стали 30ХГСА диаметром
После алмазного выглаживания определялись все перечисленные показатели качества поверхностного слоя детали: Ra, Wz, Hmax, Sm, HV, σост, Δh. В табл. 1 приведены значения этих показателей как средние арифметические по результатам десяти последовательно выполненных измерений, анализ которых свидетельствует о высокой эффективности использования разработанного технологического ПР для улучшения показателей качества поверхностного слоя деталей, подвергнутых алмазному выглаживанию. Это, в свою очередь, способствует существенному повышению эксплуатационных показателей деталей машин.
Таблица 1
Показатели качества поверхностного слоя деталей, подвергнутых алмазному выглаживанию
|
Способ обработки |
W∑, мкм |
Hmax, мкм |
Ra, мкм |
Sm, мкм |
σост, МПа |
HV, ГПа |
Δh, мм |
|
На токарном станке |
12,5 |
68 |
0,35 |
0,84 |
175 |
143 |
0,37 |
|
С использованием ПР |
4,2 |
25 |
0,30 |
0,56 |
190 |
151 |
0,39 |
Выполнено экспериментальное исследование влияния усилия обкатки Рв на общую жёсткость технологической системы j при алмазном выглаживании образцов из стали 30ХГСА диаметром 24 мм и длиной 320 мм (рис. 3), из которого следует, что жёсткость системы с установленным одностоечным технологическим роботом в 1,5-1,8 раза выше жёсткости системы при использовании токарного станка мод. 1А620. Было установлено (рис. 4), что повышение жёсткости технологической системы при алмазном выглаживании с использованием технологического робота позволяет уменьшить разброс микротвёрдости материала поверхностного слоя деталей HV, обеспечив существенное снижение интенсивности изнашивания деталей трибосистем.
С использованием метода планирования эксперимента типа 2к была получена следующая эмпирическая формула для прогнозирования эксплуатационных показателей качества К (Ra, σост, HV) при алмазном выглаживании поверхностей деталей из низкоуглеродистых сталей с пределом текучести σт = 200-300 МПа в зависимости от жёсткости используемой технологической системы j, режимов обработки Рв, V, Sв и начального значения определяемого показателя Кнач ((Ra)нач, (σост)нач, (HV)нач):
где Ck, a, b, c, d, f – коэффициент и показатели степеней, значения которых приведены в табл. 2.
Полученная эмпирическая формула (1) может быть применена для прогнозирования показателей качества поверхностного слоя деталей, подвергаемых алмазному выглаживанию с использованием технологического робота.
Заключение
Таким образом, результаты выполненных исследований позволяют сделать следующие выводы:
- Применение в процессах алмазного выглаживания поверхностей деталей машин технологических роботов вместо традиционного выполнения подобных операций на металлорежущих станках позволяет существенно повысить жёсткость технологической системы.
Таблица 2
Значения коэффициента Ck и показателей степеней a, b, c, d, f для определения показателей
качества при алмазном выглаживании поверхностей деталей из сталей с пределом текучести
σт = 200-300 МПа
|
Показатель качества, К |
Размер- ность |
Ck |
a |
b |
c |
d |
f |
Условия и ограничения |
|
Ra |
мкм |
0,028 |
0,185 |
0,307 |
0,912 |
0,456 |
0,371 |
(Ra)нач = 1,25- 3,2 мкм |
|
σост |
МПа |
0,452 |
0,295 |
0,504 |
0,487 |
0,309 |
0,196 |
Растягивающие напряжения (σост)нач = 150-400 МПа |
|
HV |
ГПа |
0,436 |
0,310 |
0,491 |
0,539 |
0,512 |
0,235 |
Измерительное средство – МЕТ-У1 |
2. Использование технологических роботов при алмазном выглаживании поверхностей деталей обеспечивает получение на них высоких эксплуатационных показателей по параметрам шероховатости, микротвёрдости и состояния материала.
3. Обладая значительно более высокой жёсткостью, технологические системы с промышленными роботами являются незамкнутыми, что позволяет управлять процессами обработки на финишных операциях с целью получения требуемых эксплуатационных показателей качества поверхностного слоя деталей.
