Проектирование специализированной оснастки, приспособления, средства механизации, автоматизации и контроля процесса закалки цилиндрической поверхности фланца из стали ВТ9

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчетно-пояснительная записка

К курсовой работе

по дисциплине: «Технология обработки КПЭ»

на тему:

«Проектирование специализированной оснастки, приспособления, средства механизации, автоматизации и контроля процесса закалки цилиндрической поверхности фланца из стали ВТ9»

Студент: 4-ФММТ-5 Борисов Д.А.

Руководитель: к.т.н., профессор Паркин А.А.

Самара 2020г



Реферат

Пояснительная записка содержит 29 страницы, 9 рисунков, 10 таблиц, 7 источников.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ, ТЕХНОЛОГИЯ, УПРОЧНЕНИЕ, ЛАЗЕРНАЯ УСТАНОВКА, РАСЧЕТ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ, АВТОМАТИЗАЦИЯ, СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ФЛАНЕЦ

В данной работе проведено:

Технологический анализ технического задания;

Расчет энергетических и технологических режимов обработки;

Выбор основного и вспомогательного оборудования;

Разработка технологии упрочнения;

Проектирование контейнера для отработанных деталей;

Разработка маршрутно-операционной карты технологического процесса лазерного упрочнения;

Cодержание

Введение

1.Технологический анализ технического чертежа

1.1 Анализ технического задания

1.2 Химический состав, теплофизические и механические свойства сплава ВТ9

1.3 Расчет массы заготовки

1.4 Технологический анализ технического задания

2. Расчет режимов обработки и выбор основного и вспомогательного технологического оборудования для лазерной термической обработки.

2.1 Расчет режимов обработки

2.2 Выбор основного оборудования

2.3 Выбор устройства вращения и самозажимного патрона

2.4 Выбор робота

3. Проектирование бункерно-ориентирующего устройства, приспособления захватывающего устройства робота и контейнера

3.1 Проектирование бункерно-ориентирующего устройства

3.2 Проектирование приспособления для захватывающего устройства робота

3.3 Проектирование контейнера для отработанных деталей

4. Разработка технологии лазерного упрочнения цилиндрической поверхности втулки, маршрутно-операционная карта

4.1 Алгоритм технологии лазерного упрочнения

4.2 Маршрутно-операционная карта лазерного упрочнения цилиндрической поверхности фланца из стали ВТ9

Заключение

Список использованной литературы



Введение

оснастка термический робот

Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением, вызывающие изменения внутреннего строения сплава, и в связи с этим изменение физических, механических и других свойств.

Применение лазеров для термической обработки основано на трансформации световой энергии в тепловую. Высокая концентрация энергии в световом потоке оптического квантового генератора позволяет нагреть поверхность до температурного диапазона ТО за очень короткое время.

Лазерная термообработка металлов и сплавов является весьма эффективным способом направленного изменения физико-химических и механических свойств поверхностных слоев. Так как сочетание этих свойств материала определяет многие эксплуатационные характеристики изделий, то методы лазерной обработки приняты в качестве средства их повышения.

Лазерная закалка и термообработка - один из самых первых технологических процессов с использованием лазерного излучения, основанный на очень высокой скорости нагрева и охлаждения материалов под действием лазерного излучения. Высокие скорости охлаждения приводят к формированию и фиксации большого количества неравновесных структур, обладающих в ряде случаев повышенными служебными характеристиками.

Механизм ЛТО заключается в фазовом превращении материала после его скоростного нагрева до температур выше температур фазовой перекристаллизации (вплоть до температур плавления) с последующим быстрым охлаждением обработанной зоны путем отвода тепла за счет теплопроводности материала изделия.

Отсутствие потребности в закалочной среде, высокая скорость операции, возможность локального упрочнения и упрочнения поверхностей детали в труднодоступных местах, регулирование глубины упрочнения, сведение к минимуму деформаций обрабатываемой детали, возможность закалки детали в собранном узле всё это относится к преимуществам лазерной закалки. К недостаткам лазерного упрочнения можно отнести небольшую глубину упрочнения и затруднительность обработки больших площадей.

Для автоматизации процесса ТО необходимы устройства загрузки и выгрузки деталей, а также устройства, которые обеспечат своевременную установку и удаление детали из оснастки.



1.Технологический анализ технического чертежа

1.1 Анализ технического задания

1. Проектная работа - спроектировать специализированную оснастку, приспособления, средства механизации, автоматизации и контроля процесса упрочнения цилиндрической поверхности втулки. Материал заготовки -5ХНВ. Разработать технологическую документацию.

2. Расчетная работа - а) расчет массы, режимов обработки; б) выбор лазерной установки, вспомогательного оборудования.

3. Пояснительная записка - 15-25 листов.

4. Графическая работа - а) общий объем - 3 листа А1; б) общий вид технологического комплекса - 1 лист; в) оснастка, приспособление, средства механизации, автоматизации и контроля - 1-1,5 листа; г) операционная карта САПР ТП - 0,5-1 лист

Рис. 1.1. Чертеж фланца

1.2 Химический состав, теплофизические и механические свойства сплава ВТ9.

Таблица 1.1.1.

Характеристика стали ВТ9

Марка:	ВТ9
Классификация:	Титановый деформируемый сплав
Применение:	Детали, работающие при температуре до 500 °, детали ГТД (диски, лопатки) и другие детали компрессора; класс по структуре б+в

Таблица 1.1.2.

Химический состав в % материала ВТ9 (ГОСТ 19807 - 91)

Fe	C	Si	Mo	N	Ti	Al	Zr	O	H	Примесей
до 0.25	до 0.1	0.2 - 0.35	2.8 - 3.8	до 0.05	86.15 - 89.9	5.8 - 7	1 - 2	до 0.15	до 0.015	прочих 0.3

Таблица 1.1.3.

Механические свойства при Т=20oС материала ВТ9.

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Пруток, ГОСТ 26492-85			930-980		6-7	15-16	200-250	Отжиг
Пруток, повышенн. качество, ГОСТ 26492-85			980-1230		7-9	16-30	300	Отжиг
Штамповка			1100-1300		8-14	25-45	200-500	Отжиг

Теплофизические данные материала:

л = 19,7 Вт/м*К; а = 10,3*10-6 м2/с; c = 0,65 Дж/кг*К; с = 4,5*103 кг/

Теплота плавления: ДHпл = 358 кДж/кг;

Температуры фазовых и структурных переходов легируемого материала: Tпл = 1668°С; Tкип = 3260°С; Тзак = 950 °С; Tотп = 500°С;

1.3 Расчет массы заготовки

Заготовка имеет форму цилиндра, поэтому рассчитаем объем по формуле:

Масса детали:

1.4 Технологический анализ технического задания

Проанализировав техническое задание, теплофизические свойства стали ВТ9, рассчитав массу заготовки можно сделать следующие выводы:

Производство массовое, значит необходимо спроектировать полностью автоматизированный комплекс для реализации процесса упрочнения.

Поверхность обработки цилиндрическая, значит потребуется устройство вращения, трёх кулачковый самоцентрирующийся зажимной патрон.

Необходимо выбрать устройства загрузки и выгрузки.

Спроектировать бункерно-ориентирующее устройство, приспособления для захватывающего устройства робота.

Необходимо разработать алгоритм функционирования комплекса ввиду осуществления полной автоматизации процесса.

Упрочнение будет производиться лазерной установкой.



2. Расчет режимов обработки и выбор основного и вспомогательного технологического оборудования для лазерной термической обработки

2.1 Расчет режимов обработки

Производим расчет времени tвоз минимального воздействия КПЭ для заданной в техническом задании глубины обработки hзак = 0,3

мм:

,

где Tпов = 1400°С; Тзак = 950°С; a = 10,3*10-6 м2/с

Если время воздействия будет равно или меньше 20мс - обработку можно производить импульсным воздействием КПЭ.

Т.к. процесс упрочнения ведется в автоматизированном режиме, вспомогательное время tвсп примем равным времени воздействия tвоз:

.

Оперативное время отсюда будет равно:

.

Определяем величину расстояния lt, на которое распространяется тепловой фронт в обрабатываемом материале за время воздействия tвоз = 5,2*10-3с:



Определяем радиус источника нагрева:

Из этого выражения, dп будет равен:

Из расчетов следует, что тепловой источник - распределённый, режим - импульсный.

Принимая плотность мощности q=5*107 Вт/м2, определяем поглощенную мощность Р:

Рассчитаем мощность Р0:

где ?эф - эффективный КПД

где тепловой КПД ?т = 0,6, а коэффициент поглощения А = 0,6

Отсюда мощность лазерного источника равна:

Рассчитаем энергию лазерной установки W0:

.

Определим скорость обработки ?обр:

- частота следования импульса для современных лазерных установок изменяется в пределах .

Принимая

.

Определим скорость вращения nз заготовки:

где Rз = 17*10-3 м - радиус заготовки в зоне обработки

Определим скорость перемещения детали относительно луча:

2.2 Выбор основного оборудования

Выбор основывается на расчетах режимов обработки, таких как расчетная мощность, диаметр пятна излучения, энергия излучения.

Исходя из всех данных, для реализации данного процесса подходит лазерная технологическая установка серии BULAT LRS-100.

Универсальные лазерные установки серии LRS предназначены для выполнения технологических операций лазерной сварки, наплавки, поверхностного термоупрочнения. Отличительной особенностью лазерной обработки является высокая скорость нагрева металла в сочетании с локальностью воздействия лазерного луча. Благодаря этому сварка происходит с нагревом деталей только в зоне воздействия лазера, исключая, таким образом, возможность термических искажений геометрии свариваемых изделий.

Широкий диапазон изменения выходных параметров излучения лазера создает возможности использования установок для работы с изделиями, изготовленных из конструкционных сталей, так и из цветных металлов и сплавов с максимальными размерами 300х200х100 мм и весом до 100 кг.

Рис. 2.2. Автоматизированный лазерный комплекс BULAT LRS-100.



Таблица 2.2.

Технические характеристики лазерной установки LRS-100

Модель	LRS-100
Тип лазера	Импульсно-периодический АИГ: Nd3+,  л= 1,06 мкм
Максимальная энергия импульса излучения	40 Дж
Нестабильность энергии излучения	±2%
Длительность импульса излучения	0,2 … 20мс
Максимальная импульсная мощность излучения	5 кВт
Частота повторения импульсов излучения	1 … 200 Гц
Максимальная мощность излучения	100 Вт
Диаметр сфокусированного луча	0,3 … 2,0 мм
Микроскоп:
Увеличение	16х
Диаметр поля зрения	10 мм
Диапазон перемещения по осям Х,Y,Z
Стола (X,Y)	100 х 150 мм
Излучателя (Z)	200 мм
Детали (Z)	300 мм
Точность позиционирования	± 20 мкм
Охлаждение	Двухконтурное водно-водяное
Расход водопроводной воды	0,3 м3/час
Электропитание	380/220В, 3 ф., 50Гц
Потребляемая мощность	5 кВт
Габариты	450 х 850 х 1100 мм
Масса	150 кг

Базовый состав установки (комплектация):

Несущая конструкция установки;

Лазер;

Источник питания с системой охлаждения лазера;

Пульт управления;

Механизм перемещения лазерного излучателя в вертикальной плоскости;

Ручной двухкоординатный стол;

Контрольно-фокусирующая оптическая система с объективом F = 100 мм;

Механизм регулирования положения фокуса объектива /Z-координата/;

Двухступенчатая система защиты глаз оператора;

Внешняя подсветка рабочей зоны;

Встроенная система подсветки рабочей зоны;

Оптическая система регулировки размера пятна излучения;

Сдвоенная педаль пуска лазера;

Управляющий компьютер;

Стол для управляющего компьютера;

Специализированное программное обеспечение Laser Studio (собственная разработка “ОКБ Булат”);

Телевизионная система видеонаблюдения с выводом видеосигнала на монитор управляющего компьютера;

Комплект ЗИП.

Техническая документация при поставке:

Техническая документация и инструкция по эксплуатации;

Паспорт;

Дополнительная оснастка:

Сменные объективы;

Система видеонаблюдения;

Наплавочные материалы;

Поворотная призма оптического канала;

Волоконная система доставки излучения;

Перископическая насадка;

Обучение по программе «Ремонт и восстановление пресс-форм и штампов».

Области применения:

1. Инструментальное производство, радиоэлектронная промышленность, приборостроение.

2. Импульсная лазерная сварка:

Импульсная лазерная шовная сварка сильфонов;

Изготовление вытяжных пуансонов методом импульсной лазерной шовной сварки;

Изготовление датчиков давления методом импульсной лазерной сварки;

Заварка горячих и холодных трещин методом «холодной» лазерной сварки;

3. Импульсная лазерная наплавка:

Восстановление изношенных пресс-форм, технологической оснастки методом импульсной лазерной наплавки;

Восстановление лопаток турбин методом импульсной лазерной наплавки;

Восстановление изношенных протяжек методом импульсной лазерной наплавки;

Восстановление ленточных пил методом импульсной лазерной наплавки;

4. Импульсная лазерная пайка:

Устранение не герметичности радиаторов методом лазерной пайки;

5. Импульсная лазерная термообработка:

Лазерное упрочнение дисковых отрезных, прорезных фрез;

Импульсная лазерная термообработка режущего инструмента;

Импульсная лазерная резка;

Изготовление трафаретов методом импульсной лазерной резки;

Изготовление прокладок методом импульсной лазерной резки;



2.3 Выбор устройства вращения и самозажимного патрона

Выбор устройства вращения произведен на основе массы заготовки и расчетных технологических параметров, а именно скорости вращения. В данной работе выбран вращатель BY-300.

Рис. 2.3. Вращатель BY-300

Данный вращатель имеет небольшие габаритные размеры, а также обеспечивает необходимую скорость вращения.

Таблица 2.3.

Технические характеристики вращателя BY-300

Модель	BY-300
Грузоподъемность	5 кг
Скорости оборота шпинделя	10-300 об/мин.
Габаритные размеры	200*170*160 мм

Для закрепления и базирования детали используем трех кулачковый самоцентирующий патрон D-100 с диаметром заготовки 5-100 мм (зажим).

Рис. 2.3.1.Трех кулачковый самоцентрирующий патрон D-100

2.4 Выбор робота

Для повышения производительности труда в данном процессе используется промышленный робот IRB 120.

Рис. 2.4. Промышленный робот IRB 120

Промышленный робот IRB 120 - новая модель в семействе промышленных роботов АББ четвёртого поколения. Малый вес и компактный дизайн позволяют осуществить его установку практически в любом месте: как внутри автоматизированной ячейки или на верхней части технологического оборудования, так и рядом с другими роботами или производственными линиями. Промышленный робот IRB 120 применяется в различных областях промышленности, таких как электроника, пищевая промышленность, машиностроение, производство элементов солнечных панелей, фармацевтика, медицинские и научные исследования. Робот, имея шесть степеней подвижности, грузоподъёмность 3 кг (4 кг при вертикальной ориентации 6-ой оси «фланцем вниз») и рабочую зону 580 мм, способен осуществлять несколько операций с большей гибкостью, чем системы жёсткой автоматизации. В дополнение к большой рабочей зоне радиусом 580 мм, робот IRB 120 имеет наибольшую в своём классе зону работы ниже уровня первой оси с глубиной 112 мм от плоскости основания робота. Благодаря симметричной архитектуре и отсутствию смещения 2-ой оси IRB 120 имеет очень компактный радиус поворота. Это позволяет устанавливать робот в непосредственной близости от других систем, а тонкие звенья манипулятора позволяют осуществлять движения в условиях большой плотности близко расположенного технологического оборудования. Имея легкий алюминиевый корпус и мощные компактные двигатели, робот IRB 120 способен обеспечить быстрое ускорение, высокую точность и динамичность при выполнении любой прикладной задачи.

Основные преимущества

Компактность и лёгкость

Универсальность

Простота установки

Оптимальная рабочая зона

Быстрый, точный и юркий

Компактность установки

Таблица 2.4.1.

Основные характеристики промышленного робота IRB 120

Тип робота IRB	120-3/0.6
Радиус действия	1000 мм
Грузоподъёмность	5 кг
Дополнительная нагрузка	0.3 кг
Число степеней подвижности	6
Установка	Под любым углом
Уровень защиты	IP30 Standard
Контроллеры	IRC5 компакт, IRC5 стандарт, панель для внутренней интеграции

Таблица 2.4.2.

Технические характеристики.

Типовое время цикла (1 кг, 25х300х25 мм)	0.58 сек
Максимальная скорость TCP	6.2 м/c
Максимальное ускорение TCP	28 м/с2
Время ускорения 0 - 1 м/c	0.07 сек

Номер оси	Угол поворота осей	Скорость поворота осей
1	от + 165° до - 165°	250°/сек
2	от + 110° до - 110°	250°/сек
3	от + 70° до - 90°	250°/сек
4	от + 160° до - 160°	320°/сек
5	от + 120° до - 120°	320°/сек
6	от + 400° до - 400°	420°/сек

Таблица 2.4.3.

Электрические параметры.

Напряжение питания	200 - 600 В, 50/60 Гц
Номинальная мощность номинал трансформатора	3.0 кВА
Потребляемая мощность	0.25 кВт



Таблица 2.4.4.

Массогабаритные параметры.

Основание робота	180 х 180 мм
Высота манипулятора	700 мм
Масса	25 кг



3. Проектирование бункерно-ориентирующего устройства, приспособления захватывающего устройства робота и контейнера.

3.1 Проектирование бункерно-ориентирующего устройства

Для ориентирования и подачи заготовок используем бункерно-ориентирующее устройство барабанного типа. Преимуществом БОУ такого типа является ориентирование деталей в один прием. На лапку прикрепляется устройство ориентирования с ограничителем и штырем, лапка, вращаясь, захватывает заготовку и переносит ее в отсекатель, через который заготовка соскакивает вниз к месту захвата роботом.

Рис.3.1.1. Бункерно-ориентирующее устройство.

Рис.3.1.2. Ориентирующее устройство.

3.2 Проектирование приспособления для захватывающего устройства робота

Проектирование захвата руки робота основывается на том, что деталь представляет собой тело вращения. Рука робота шарнирного типа.

Рис.3.2. Захват руки робота.



3.3 Проектирование контейнера для отработанных деталей

Необходимо рассчитать объем и массу контейнера.

Количество деталей, отработанных за смену - 2700 шт. Их масса равна:

Насыпную плотность примем равную 0,5. Отсюда объем, который займут все детали:

где

С учетом насыпной плотности объем контейнера будет равен:

V = 0,06 м3

Размеры контейнера примем 0,3*0,6*0,8 м. Рассчитаем объем контейнера:

Рис. 3.3. Контейнер



4. Разработка технологии лазерного упрочнения цилиндрической поверхности втулки, маршрутно-операционная карта

4.1 Алгоритм технологии лазерного упрочнения

Входной контроль:

проконтролировать геометрические размеры заготовки;

проконтролировать соответствие материала сертификату;

Подготовительная операция:

установить устройство вращения с трёх кулачковым самоцентрирующим самозажимным патроном;

Загрузочная операция:

провести механизированную загрузку заготовок в бункерно-ориентирующее устройство;

Операция ориентирования:

включить бункерно-ориентирующее устройство;

Загрузочная операция:

включить робота;

установить деталь в трёх кулачковый самоцентрирующий самозажимной патрон;

Вспомогательная операция:

Базирование лазерного луча относительно обрабатываемой поверхности на расстоянии 10 мм справа от детали и на 5 мм сверху;

Термообработка:

включить устройство вращения.

включить лазерное излучение.

обработать поверхность по кольцу №1.

включить устройство перемещения.

обработать поверхность по спирали.

отключить устройство перемещения.

обработать поверхность по кольцу №2.

отключить лазерное излучение:

поднять лазер от детали

выключить устройство вращения.

Контрольная операция:

визуально проконтролировать зону упрочнения;

Выходной контроль:

проконтролировать геометрические размеры и глубину упрочнения с применением соответствующих инструментов;

Выгрузочная операция:

включить робота;

захват детали и подача её в место складирования;

Упрочнить последующие детали. Повтор операций № 3-10.

4.2 Маршрутно-операционная карта лазерного упрочнения цилиндрической поверхности втулки из стали ВТ9.

Таблица 4.2.

№ п/п	№ операции	Наименование и содержание	Инструмент, приспособление, оборудование	P, кВт	?обр, мм/c	G, кг/ч	nз, об/с	tн, c
1	005 006 007	Входной контроль Проконтролировать геометрические размеры заготовки Проконтролировать соответствие материала сертификату	Штангенциркуль Микрометр Сертификат
2	010 011	Подготовительная Установить устройство вращения с трёх кулачковым само центрирующим самозажимным патроном	Манипулятор робота Трех кулачковый патрон
3	015 016	Загрузочная Провести механизированную загрузку заготовок в бункерно-ориентирующее устройство	ЧПУ
4	020 021	Ориентирование Включить БОУ	ЧПУ
5	025 026 027	Загрузочная Включить робота Установить деталь в трёх кулачковый самоцентрирующий самозажимной патрон	ЧПУ
6	030 031 032 033 034 035 036 037 038 039 040	Термообработка Включить устройство вращения Включить лазерное излучение Обработать поверхность по кольцу №1 Включить устройство перемещения Обработать поверхность по спирали Отключить устройство перемещения Обработать поверхность по кольцу №2 Отключить лазерное излучение Поднять лазер от детали Выключить устройство вращения.	Лазерная установка Вращатель ЧПУ>БП и У ЧПУ ЧПУ ЧПУ>БП и У ЧПУ>БП и У Вращатель
7	045 046	Контроль Проконтролировать зону упрочнения	Визуализация
8	050 051	Выходной контроль Контроль зоны упрочнения	Штангенциркуль
11	055 056	Выгрузочная Включить робота	ЧПУ
12	060 061	Термообработка Упрочнить последующие детали	Лазерная установка Вращатель, ЧПУ



Заключение

В данной работе была разработана технология процесса термического упрочнения цилиндрической поверхности фланца из стали ВТ9. Был проведен технологический анализ технического задания, рассчитаны энергетические и технологические режимы обработки, на основе которых была выбрана в качестве основного оборудования установка для лазерного упрочнения LRS-100, устройство загрузки-выгрузки - робот ABB IRB 120, бункерное устройство. Был спроектирован контейнер для складирования готовых изделий, манипулятор робота, устройство ориентирования деталей, также расписана технология обработки. Составлена маршрутно-операционная карта технологического процесса лазерного упрочнения.

На основе проделанной работы можно сделать следующие выводы: При автоматизации технологического процесса повышается качество обрабатываемых деталей, увеличивается производительность труда, снижаются затраты и исключается воздействии человеческого фактора при обработке ответственных деталей.



Список использованной литературы

best.ru

...