Mirosław SOSNOWSKI *, Wiktor TARANENKO ** PROJEKT ELASTYCZNEGO MODUŁU OBRÓBKI TOKARSKIEJ WAŁKÓW O MAŁEJ SZTYWNOŚCI Streszczenie W referacie przedstawiono technologię obróbki wałka (wirnika mikromaszyny elektrycznej selsyn) o małej sztywności. Podano opracowany elastyczny moduł obróbki tokarskiej wałków o małej sztywności z opracowanymi konstrukcjami podajnika zasuwowego i konika z drgającym napędem krokowym, wykorzystywanego podczas obróbki w stanie spręŝysto odkształcalnym. 1. Wstęp Postęp we współczesnym przemyśle, dotyczący dynamicznego rozwoju produktów, sprostania coraz to wyŝszym wymaganiom jakościowym oraz minimalizacji kosztów wytwarzania, jest moŝliwy m.in. dzięki kompleksowej automatyzacji wszystkich obszarów związanych z wytwarzaniem od zarządzania przedsiębiorstwem, poprzez projektowanie i zarządzanie produkcją, aŝ do automatyzacji procesów produkcyjnych. Automatyzacja procesów produkcyjnych stanowi bowiem podstawę nowoczesnych systemów wytwarzania. Głównie dzięki niej uzyskuje się wysoką jakość produkowanych wyrobów oraz minimalizację kosztów produkcji [1]. 2. Technologia kształtowania części obrotowych o małej sztywności Wałki o małej sztywności wykorzystywane są w przemyśle maszynowym i elektromaszynowym, przemyśle precyzyjnym. Wymagania jakościowe stawia- * Mirosław Sosnowski, Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, 20-618 Lublin, ul. Nadbystrzycka 36, e-mail: miroslaw.sosnowski@gmail.com ** Wiktor Taranenko, prof. dr hab. inŝ. Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Instytut Technologicznych Systemów Informacyjnych, 20-618 Lublin, ul. Nadbystrzycka 36, e-mail: w.taranenko@pollub.pl
240 Mirosław Sosnowski, Wiktor Taranenko ne tego typu produktom są bardzo wysokie, odnoszą się do parametrów dokładności formy geometrycznej i wzajemnego połoŝenia powierzchni, wymiarów liniowych i jakości powierzchni. Podstawowymi metodami ich obróbki są toczenie zewnętrzne wzdłuŝne i szlifowanie zewnętrzne. Dokładność wykonania dla operacji toczenia powinna odpowiadać od 8 do 11 klasy dokładności przy chropowatości Ra = 0,63 2,5 µm, a dla operacji szlifowania 5 do 6 klasie dokładności przy chropowatości Ra 0,63 µm. Jako materiał półfabrykatu stosuje się najczęściej stale węglowe konstrukcyjne wyŝszej jakości tj.: stal 40, stal 45. Na części o małej sztywności naraŝone na bardzo duŝe obciąŝenia stosuje się stale stopowe konstrukcyjne do ulepszania cieplnego tj.: 40H, 45H, 40HM [1]. Elementem wyjściowym do procesu projektowania elastycznego modułu obróbkowego jest rysunek wykonawczy obrabianej części, na podstawie którego opracowuje się proces technologiczny. W projekcie technologicznym pomija się obróbkę zgrubną. Jako półfabrykat przyjęto wyjściowy pręt stalowy okrągły - walcowany kalibrowany. Podstawowym kryterium wyboru rodzaju półfabrykatu była dość duŝa dokładność jego wykonania (13 14 klasa). Proces technologiczny składa się z operacji: przygotowawczej, tokarskiej, frezarsko nakiełczarskiej, cieplnej, szlifierskiej i kontroli jakości. Tylko poprawne opracowanie dokumentacji technologicznej moŝe stanowić podstawę do dalszych działań projektowych elastycznego modułu. Na rys.1 pokazano wałek o małej sztywności. l 1. Hartować 170 185 HV 2. Nieoznaczone graniczne odchyłki wymiarów ±0,5 IT14 Rys. 1. Wałek wirnik o małej sztywności Do produkcji przedstawionego wałka wirnika wykorzystano metodę obróbki w stanie spręŝyście - odkształcalnym. Metoda umoŝliwia zwiększenie dokładności wytwarzania tej części. Wprowadzanie stanu spręŝyście - odkształcalnego odbywa się poprzez przyłoŝenie do wałka - wirnika osiowej siły rozciągającej. ObciąŜenie obrabianej części siłą rozciągającą zwiększa jej statyczną
Projekt elastycznego modułu obróbki tokarskiej wałków 241 sztywność, w tym celu bazowanie i zamocowanie półfabrykatu w koniku jest realizowane w uchwytach krzywkowych lub mocujących tulejach spręŝynujących. Dla umoŝliwienia wprowadzenia siły rozciągającej podczas powyŝszej metody obróbki wprowadza się sztuczne bazy technologiczne. Sztuczne bazy technologiczne umoŝliwiają mocowanie zaciskowe wałków o małej sztywności. 2. Elastyczny moduł obróbki tokarskiej wałków o małej sztywności Dla potrzeb automatyzacji opracowano projekt elastycznego modułu obróbki tokarskiej wałków o małej sztywności, który pokazano na rys. 2. W skład EMO wchodzą: 1 - obrabiarka sterowana numerycznie C16VI 1 wraz z układem sterowania numerycznego Fanuc 3T, 3 - robot przemysłowy Universal 5.02 [3] (8 - chwytak robota), 3 - mikroprocesorowy układ sterowania robota, 6 - zautomatyzowany konik tokarski z moŝliwością regulowania stanu spręŝysto odkształcalnego obrabianej części, 5 - podajnik zasuwowy, 7 - rynna odprowadzająca obrobione części, 2 - urządzenie zasilające, pojemnik na części i pojemnik na wióry. Rys. 2. Elastyczny moduł obróbkowy
242 Mirosław Sosnowski, Wiktor Taranenko Po zaprojektowaniu elastycznego modułu obróbkowego został opracowany algorytm jego pracy. Najczęściej algorytm ma charakter uniwersalny. Oznacza to, Ŝe zawiera sekwencję zdarzeń występujących podczas pracy modułu, w wyniku których ulegają zmianie parametry wyjściowe. Na podstawie algorytmu został obliczony całkowity czas obróbki tokarskiej wałka o małej sztywności i sporządzony cyklogram pracy EMO. Dla zachowania ciągłości pracy modułu w oparciu o całkowity czas obróbki opracowano konstrukcję podajnika zasuwowego, którego schemat pokazano na rys. 3. W zasobniku moŝna wyodrębnić jego kasetę 13 i część napędową wraz z zasuwą 12. Kasetę podajnika tworzą wertykalnie zamocowane zukosowane płaskowniki 17. Ich mocowanie i regulację umoŝliwiają gwintowane krzyŝaki 15 i sworznie 22. Część napędową stanowi siłownik pneumatyczny (cylinder 8, tłok 7), który zamocowany jest do korpusu 1. Sworzeń tłoka połączony jest łącznikiem 2 z zasuwą 12. Zasuwa podczas pracy zasobnika zajmuje dwa połoŝenia blokowania i odblokowywania półfabrykatów umieszczonych w kasecie. Na zasuwie ustawiona jest pryzma 16 ustalająca półfabrykat 21. Pryzma umoŝliwia poprawne mocowanie półfabrykatu przez chwytak robota przemysłowego. Rys. 3. Podajnik zasuwowy W celu rozszerzenia moŝliwości funkcjonalnych zautomatyzowanych systemów obrabiarkowych dla obróbki części o małej sztywności w stanie spręŝysto odkształcalnym opracowana została konstrukcja konika obrabiarki z drgającym napędem krokowym o działaniu liniowym [2], którego schemat konstrukcyjny przedstawiony jest na rys. 4. Mechaniczna przekładnia zastosowana w napędzie konika jest bardzo podobna do przekładni falowej. Elementami współpracującymi przekładni konika są gwintowany trzpień 2 i tuleja 6 z wykonanymi na jej wewnętrznej części koncentrycznymi kołowymi przetoczeniami zgodnymi z kształtem profilu gwintu trzpienia. Oba elementy we
Projekt elastycznego modułu obróbki tokarskiej wałków 243 współpracy ze sobą tworzą przekładnię klinową o prostej konstrukcji. Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskuje się zwiększenie niezawodności i mocy napędu. Konstrukcja zawiera korpus 1, dla umoŝliwienia obrotu którego w korpusie znajduje się element kierunkowy 16. Na lewej stronie trzpienia 2 na łoŝyskach oporowych umiejscowiono mającą moŝliwość obrotu tuleję 11, w której jest tuleja 14 ze śrubą zaciskową 12. Tuleja 14 osadzona jest na spręŝynie 13. Na prawym końcu korpusu konika 1 znajduje się korpus napędu 3. W przetoczeniu korpusu, z moŝliwością płasko równoległego przesunięcia prostopadle do osi części, usytuowana jest tuleja 6. Na wewnętrznej powierzchni tulei 6 wykonane są kołowe przetoczenia koncentryczne, identyczne jak profil gwintu trzpienia 2 i tworzące z nią przekładnię klinową. Na zewnętrznej powierzchni korpusu znajduje się n napędów działania postępowego z małym zasięgiem przemieszczeń, składające się z trzpieni 7, membran, korpusów 9 na powierzchni ustawione są cewki wraz z uzwojeniami 8, do których wchodzą drugie końce trzpieni 22. Obrót elementu wiodącego 6 uniemoŝliwiają spręŝyste zawieszki. Cewki z uzwojeniami spełniają rolę czujników połoŝenia. Rys. 4. Konik z pneumatycznym drgającym napędem krokowym W procesie pracy powietrze podawane jest poprzez rozdzielacze elektro pneumatyczne do przestrzeni komór pneumatycznych, przy tym trzpienie 22 przyciskają tulejkę 6 z wewnętrznymi pierścieniowymi przetoczeniami do trzpienia gwintowanego 2. Dzięki wykonaniu prawego gwintu na trzpieniu 2 i parzystym włączeniu komór pneumatycznych: i IV; IV II; III II; II i itd. trzpień 2 przemieszcza się z lewego połoŝenia do prawego połoŝenia obciąŝając część zamocowaną w tulei siłą rozciągającą. Na rys. 5. pokazano model bryłowy konika bez napędu pneumatycznego.
244 Mirosław Sosnowski, Wiktor Taranenko 4. Podsumowanie Na podstawie procesu technologicznego opracowano program sterujący obróbki tokarskiej wałka w programie EdgeCAM i elastyczny moduł obróbki wałków o małej sztywności, zamieszczono jego rozplanowanie. Opracowana została konstrukcja podajnika zasuwowego i konika z pneumatycznym napędem krokowym. Wykorzystanie elastycznego modułu obróbki wałków o małej sztywności w produkcji znacznie zmniejsza czas wykonania części, eliminuje opóźnienia, poprawia jakość wyrobów. Dla prawidłowej pracy modułu potrzebny jest niewielki udział człowieka, który sprowadza się jedynie do uzupełnienia kasety w półfabrykaty zasobnika, co ewidentnie wpływa na zmniejszenie kosztów produkcji. Rys. 5. Model bryłowy konika Abstract The technology of processing the low rigidity shaft (the rotor of the electric micro-machine - selsyn) was introduced in the paper. The worked out elastic module of turning the low rigidity shafts was presented with the worked out constructions of feeding device and tailstock with the vibratory stepping motor, used during the processing under the condition of elastic deformable state.
Projekt elastycznego modułu obróbki tokarskiej wałków 245 Bibliografia: [1] Taranenko W., Świć A., Technologia kształtowania części maszyn o małej sztywności. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej. Lublin 2005. [2] Taranenko W., Świć A., Urządzenia sterujące dokładnością obróbki części maszyn o małej sztywności. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej. Lublin 2006. [3] Козырев Ю. Г., Шифрин Я. А., Современные промышленные роботы. Москва 1984. Recenzent: prof. Miron Czerniec