eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #3/2024
Д. О. Чухланцев, В. П. Умнов, Д. А. Силантьева, Е. С. Шишкин
Лазерное термоупрочнение и восстановление штампов (в том числе крупногабаритных) с использованием мобильного лазер-робота
Лазерное термоупрочнение и восстановление штампов (в том числе крупногабаритных) с использованием мобильного лазер-робота
Просмотры: 680
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.3.196.204
В статье представлен мобильный лазер-робота МЭЛ‑3.0 для лазерного термоупрочнения и наплавки широкого перечня изделий, снабженный диодным лазером. Робот создан компанией ООО «ТермоЛазер». Приведены примеры термоупрочнения матриц штампов и их восстановления на некоторых предприятиях. Обсуждаются возможности мобильного роботизированного лазерного инструмента и некоторые вопросы его использования применительно к крупногабаритным объектам, в том числе непосредственно на месте их эксплуатации.
В статье представлен мобильный лазер-робота МЭЛ‑3.0 для лазерного термоупрочнения и наплавки широкого перечня изделий, снабженный диодным лазером. Робот создан компанией ООО «ТермоЛазер». Приведены примеры термоупрочнения матриц штампов и их восстановления на некоторых предприятиях. Обсуждаются возможности мобильного роботизированного лазерного инструмента и некоторые вопросы его использования применительно к крупногабаритным объектам, в том числе непосредственно на месте их эксплуатации.
Теги: laser building-up laser thermohardening manipulation robot stamping dies лазерная наплавка лазерное термоупрочнение матрицы штампов робот-манипулятор
Лазерное термоупрочнение и восстановление штампов (в том числе крупногабаритных) с использованием мобильного лазер-робота
Д. О. Чухланцев, В. П. Умнов, Д. А. Силантьева, Е. С. Шишкин
ООО «ТермоЛазер», г. Владимир, Россия
В статье представлен мобильный лазер-робота МЭЛ‑3.0 для лазерного термоупрочнения и наплавки широкого перечня изделий, снабженный диодным лазером. Робот создан компанией ООО «ТермоЛазер». Приведены примеры термоупрочнения матриц штампов и их восстановления на некоторых предприятиях. Обсуждаются возможности мобильного роботизированного лазерного инструмента и некоторые вопросы его использования применительно к крупногабаритным объектам, в том числе непосредственно на месте их эксплуатации.
Ключевые слова: лазерное термоупрочнение, лазерная наплавка, робот-манипулятор, матрицы штампов
Статья получена: 26.03.2024
Статья принята: 09.04.2024
Важнейшая задача, стоящая перед современными хозяйствующими субъектами, – повышение производительности труда на производстве путем его цифровизации и автоматизации производственных процессов, в том числе с помощью широкого внедрения робототехнических систем. Лазер в операциях термоупрочнения и наплавки зарекомендовал себя отличным инструментом. Однако подавляющее большинство операций при изготовлении, демонтаже или ремонтно-восстановительных работах крупногабаритных объектов осуществляется вручную с применением средств малой механизации.
Автоматизация лазерных технологических операций и создание мобильных лазер-роботов, в которых осуществляется объединение мобильных роботов с роботизированными многостепенными манипуляторами, доставляющими энергию лазерного излучения к объекту обработки и реализующими программно заданные траектории перемещения лазерного пятна по его поверхности, стали новым этапом развития лазерных инструментов.
Благодаря разнообразным способностям манипулирования положением лазерного пятна, мобильные лазер-роботы открывают чрезвычайно широкие технологические возможности:
Компания «ТермоЛазер», являющаяся одним из передовых разработчиков и производителей лазерных технологических систем в России, создала и успешно эксплуатирует мобильный лазер-робот МЭЛ‑3.0, обладающий указанными выше технологическими возможностями. Лазер – робот МЭЛ‑3.0 предназначен, главным образом, для лазерного термоупрочнения и наплавки различных изделий. Он оснащен специальной подвижной управляемой тележкой с возможностью автоматического горизонтирования, на которой размещается технологический манипулятор, имеющий 6 степеней подвижности с исполнительной кинематической цепью длиной 2,6 метра. Основным рабочим инструментом лазер-робота является малогабаритный высокоэффективный диодный лазер с номинальной выходной мощностью излучения 3,0 кВт. Основные технические характеристики лазер – робота МЭЛ‑3.0 и используемого диодного лазера робота приведены в работе [1]. Последовательность действий при обработке крупногабаритного объекта созданным мобильным лазер-роботом приведена в виде алгоритма на рис. 1 [2].
Более половины стальных заготовок и заготовок из цветных металлов и сплавов современного машиностроительного производства изготавливается с использованием обработки давлением: прокатки, прессования, волочения, штамповки и ковки. Ковкой, горячей и объемной штамповкой изготавливают заготовки и детали массой от десяти граммов (например детали швейных машин) до сотен тонн (например поковки роторов турбин), размерами от единиц миллиметров до десятков метров из многих имеющихся в промышленности металлов и сплавов.
Анализ проблемы повышения надежности и долговечности рабочих частей штампов показывает, что в настоящее время не представляется возможным решить вопрос увеличения срока службы изделий только путем применения для их изготовления дорогостоящих высоколегированных материалов, поскольку в большинстве случаев это экономически не оправдывается. Поэтому чрезвычайно актуальным и важным является повышение долговечности штампового инструмента из углеродистых и экономно легированных сталей за счет термоупрочнения и легирования рабочих частей штамповой оснастки. При этом резко уменьшается расход дефицитных и дорогих материалов, а эффект повышения работоспособности оказывается значительным, так как в тонких поверхностных слоях штамповых сталей можно получать более высокие физические и механические свойства, чем в монолитных изделиях.
Наряду с широко применяемыми способами поверхностного упрочнения деталей штампов (наплавка, напыление, различные виды химико-термической обработки, закалка токами высокой частоты и другими) весьма перспективной является лазерное термоупрочнение. Объясняется это следующими причинами. Во-первых, лазерный способ упрочнения является локальным, что дает возможность обрабатывать только повреждаемые в процессе эксплуатации участки рабочих поверхностей, уменьшая деформацию и коробление деталей штампа и обеспечивая экономию электроэнергии по сравнению с часто использующимися азотированием и нитроцементацией. Во-вторых, в отличие от альтернативных видов поверхностного упрочнения (ионно-плазменное напыление, электронно-лучевая обработка и др.) лазерная закалка не требует трудоемкого вакуумирования. Огромный плюс лазерной закалки – простота технологии упрочения и высокие эксплуатационные свойства закаленного поверхностного слоя.
Основными параметрами, влияющими на эксплуатационные характеристики лазерно-упрочненных штамповых сталей, таких как 5ХНМ, 4ХМФС, 5Х2СФ, 4ХСНМФЦР, 5Х2НМФС являются мощность лазерного излучения в пятне, диаметр лазерного пятна, скорость перемещения лазерного луча по обрабатываемой поверхности, взаимное расположение и схема нанесения лазерных дорожек.
В работе [3] отмечаются основные особенности лазерного термоупрочнения штамповых и инструментальных сталей для горячей обработки металлов давлением:
для увеличения стойкости штампового инструмента путем повышения его разгаростойкости термическую обработку следует выполнять в 3 этапа: объемная закалка – отпуск – лазерная закалка;
лазерную закалку следует выполнять с оплавлением, при котором доля остаточного аустенита в поверхностном слое составляет не более 10–11%;
наиболее эффективным путем увеличения срока службы инструмента для горячей штамповки является создание как можно более однородной мелкозернистой структуры поверхностного слоя путем непрерывного воздействия лазерным лучом мощностью до 2,5 кВт при плотности мощности до q = 3–5 кВт / см2;
на гладкой поверхности лазерным пятном следует наносить кольцевые дорожки упрочнения по концентрическим окружностям с шагом, не превышающим диаметр лазерного пятна на обрабатываемой поверхности.
Для инструментов штампов холодного деформирования предлагается [3] технология лазерного упрочнения, которая состоит их предварительной (традиционной) термической обработки, включающей объемную закалку и последующий низкотемпературный отпуск, лазерной закалки и окончательного отпуска или отжига для снятия остаточных напряжений и уменьшения остаточного аустенита. Для окончательного отпуска можно применить повторный лазерный нагрев до более низкой температуры.
Компания «ТермоЛазер» имеет значительный опыт лазерной закалки рабочей поверхности матриц штампов холодной штамповки деталей с использованием лазер-робота МЭЛ‑3.0 с диодным лазером.
На производственной площадке АО «АВТОВАЗ» успешно выполнены работы по лазерной закалке матрицы штампа холодной штамповки из чугуна с шаровидным графитом FGS600-3 детали автомобильного кузова. На рис. 2 а, b представлен вид матрицы штампа и процесс наладки лазер-робота МЭЛ‑3.0 на выполнение операции ее закалки.
В результате закалки получена твердость поверхности матрицы 55–60 HRC при исходной твердости 30–40 HRC, а глубина упрочненного слоя составила 0,4 мм.
Аналогичная операция выполнялась на заводе штампов и прессформ для ООО «ЗШП» группы компаний «ГАЗ» в Нижнем Новгороде. На рис. 3 а, b представлен вид матрицы штампа и процесса выполнения операции ее закалки лазер-роботом МЭЛ‑3.0.
В результате закалки получена твердость поверхности матрицы 55–57 HRC при исходной твердости 30–40 HRC, а глубина упрочненного слоя составила 2,2 мм.
Возможности использования мобильного лазер-робота, оснащенного диодным лазером, достаточно широки и далеко не ограничиваются приведенными примерами. В частности, указанным лазер-роботом выполнена закалка чугунных направляющих станины крупногабаритного станка в ремонтно-механическом цехе ОАО «БЕЛАЗ» (рис. 4).
В процессе эксплуатации, вследствие износа рабочих поверхностей, большая часть штампов выходит из строя и требует восстановления изношенных поверхностей. Широко применяемый метод восстановления штамповой оснастки срезкой рабочей части штампа и перефрезеровкой с занижением глубины штампа имеет существенный недостаток, обусловленный уменьшением высоты штампа. При наплавке высота штампа всегда остается постоянной. Порошковая или проволочная лазерная наплавка сегодня является одним из самых привлекательных методов восстановления изношенных поверхностей штампов.
Технология восстановления штамповой оснастки методом лазерной наплавки состоит из нескольких основных операций:
удаление изношенного металла;
оцифровка полученной поверхности 3D-сканером;
написание управляющей программы;
предварительный нагрев штампа;
профильная наплавка поверхности штампа с припуском на механическую обработку;
окончательная термообработка штампа.
Внедрение роботизированной наплавки с применением 3D-сканеров позволяет исключить человеческий фактор, в несколько раз сократить сроки восстановления штампов, уменьшить затраты на материалы, сделать важные шаги на пути цифровизации производства и повысить культуру производства.
Большинство операций по лазерному восстановлению штамповой оснастки могут быть выполнены созданным лазер-роботом, оснащенным сменным инструментом на одном рабочем месте. В этом случае, наряду с диодным лазером, сменными инструментами являются фрезерная головка для механической обработки изношенной поверхности (например головка с концевой фрезой и высокоскоростным методом фрезерования), а также шлифовальная головка для обработки наплавленной поверхности.
Управление механической обработкой в этом случае строиться в пространстве базовых координат с регулированием контурной скорости в функции силового взаимодействия между инструментом и обрабатываемой поверхностью. Большая величина скорости резания при высокоскоростной обработке практически сглаживает пульсации сил резания от отдельной режущей кромки фрезы и изменения сил резания могут быть лишь при изменении припуска на обработку как медленно меняющееся воздействие. Более того, при синтезе программной траектории выбираются гладкие траектории, а также стремятся к постоянству глубины резания и подаче на зуб. Учитывая сказанное выше, а также исходя из возможности формирования двухканального управляющего воздействия, управление траекторным движением предлагается осуществлять позиционно-силовым способом [4], при котором создается дозированное силовое взаимодействие между инструментом и обрабатываемым изделием. Процесс перемещения инструмента по обрабатываемому изделию с точки зрения их взаимодействия состоит из нескольких этапов: этап «свободного» движения, заключающийся в относительном перемещении инструмента до момента касания изделия; этап врезания, при котором необходимо обеспечить плавное нарастание сил резания во избежание поломки инструмента, и этап резания с управляемым положением инструмента относительно изделия, при котором (например при трохоидальном фрезеровании) происходит циклическое чередование этапов свободного движения и резания. Исходя из сказанного, управление движением должно быть гибридным позиционно-силовым с переключением структуры.
На рис. 5 приведены системы координат при реализации позиционно-силового управления.
Выбранные системы координат можно связать матричным соотношением:
ToA(gd) = ToB(gv) TBB′ TB′A′(H) TA′A . (1)
Здесь ToA(gd) – матрица координатных преобразований точек траектории обработки детали в базовую систему координат; ToB(gv) – матрица координатных преобразований характеристической точки манипулятора в базовую систему; TBB′ – матрица упругих перемещений инструмента; TB′A′(H) – матрица координатных преобразований режущей кромки инструмента относительно точки В; TA′A – матрица составляющих погрешности обработки.
Для решения обратной задачи относительно линейных скоростей необходимо продифференцировать соотношения (1) по времени и записать выражение:
[VA]T = J(q) [Q·g]T, (2)
где VA – вектор линейной скорости перемещения конечной точки выходного манипулятора изделия, J(q) – матрица Якоби для преобразования скоростей, Q·g – вектор обобщенных скоростей. Полагая величину VA заданной, Q·g определяется с помощью обратного преобразования:
[Q·g]T = J(q)−1 [VA]T. (3)
При «свободном» движении задачей управления формально является сведение к единичной матрицы ῀TA′A в выражении (3) при отсутствии силового взаимодействия (нулевого сигнала с силомоментного датчика). Тогда согласованное движение манипуляторов можно описать матричными соотношениями:
Tv(t) = Tov ToA′(gv t); Td(t) = Tod ToA (gd t); TBB′ = E.
Задача управления:
῀TA′A = ToA′(gv, t) − ToA (gd, t), при t = tk; ῀TA′A → ||. (4)
Управляющие моменты определяются следующим образом:
Mv = Wv(gv); Md = Wd(gd);
Wv = D1v p2 gv + D2v(pgv,gvξv) + D3v(gv);
Wd = D1d p2 gd + D2d(pgd,gdξd) + D3d(gd).
При позиционно-силовом управление целесообразно организовать компенсацию позиционного возмущения. Управляющие моменты при этом имеют следующий вид:
μd = Wd + JdT(qd) FH;
μv = wv + JdT′(qv) · (Fd) + μk; μk = [TA′A − TA′A (FH)] G(p); (6)
TBB′(Y) ⇒ Y = Ф × Fd TAA′ = ToA(qd) ToB−1(qV) · TB′A′(H) · TBB′−1(Y).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Созданный компанией «ТермоЛазер» лазер-робот МЭЛ‑3.0 и потенциальные его модификации имеют широкие возможности для эффективного внедрения в технологические процессы лазерной обработки как кузнечно-штампового оборудования, так и широкого перечня изделий. В этот перечень включены разные варианты изделий как по номенклатуре, так и массогабаритным показателям. Например, очистка поверхности и наплавка изношенных ковшов и разнообразных деталей карьерного оборудования горнодобывающей промышленности; очистка, наплавка и сварка при ремонтно-восстановительных работах крупногабаритных деталей и узлов подъемно-транспортного оборудования на месте его эксплуатации.
REFERENCES
Chukhlantsev D. O., Shipikhin D. A., Shishkin E. S., Umnov V. P. Diode Lasers and Its Use in the Robotic Systems. Photonics Russia. 2023;17(3):176–183. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2023.17.3.176.183.
Чухланцев Д. О., Шипихин Д. А., Шишкин Е. С., Умнов В. П. Диодные лазеры и их использование в робототехнических системах. Фотоника. 2023;17(3):176–183. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2023.17.3.176.183.
Patent RU 222568, B23K 26/70 (2014.01), B23K 26/142 (2014.01) Мобильное устройство для обработки крупногабаритных объектов: / Чухланцев Д. О.; Умнов В.; Ручай И. Е., Кайкина А. О.; патентообладатель ООО «ТермоЛазер.
Patent № 222568 RU, B23K 26/70 (2014.01), B23K 26/142 (2014.01) Mobil’noe ustrojstvo dlya obrabotki krupnogabaritnyh ob”ektov: / Chuhlancev D. O.; Umnov V.; Ruchaj I. E., Kajkina A. O.; patentoobladatel’ OOO «TermoLazer.
Чиченев Н. А., Иванов С. А., Горбатюк С. М., Веремеевич А. Н. Лазерное упрочнение технологического инструмента обработки металлов давлением. – М.: Изд. Дом МИСиС. 2013. – 166 с.
Chichenev N. A., Ivanov S. A., Gorbatyuk S. M., Veremeevich A. N. Lazernoe uprochnenie tekhnologicheskogo instrumenta obrabotki metallov davleniem: monografiya. – M.: Izd. Dom MISiS. 2013. – 166 p.
Умнов В. П. Чухланцев Д. О., Егоров И. Н., Силантьева Д. А. Лазерные технологические комплексы и робототехнические системы. – Владимир: Изд-во ВлГУ. 2023. 426 с.
Umnov V. P. Chuhlancev D. O., Egorov I. N., Silant’eva D. A. Lazernye tekhnologicheskie kompleksy i robototekhnicheskie sistemy. – Vladimir: Izd-vo VlGU. 2023. 426 p.
АВТОРЫ
Чухланцев Дмитрий Олегович – к. э. н., научный руководитель ООО «ТермоЛазер», г. Владимир, Россия.
Силантьева Дарья Александровна – директор Владимирской площадки ООО «ТермоЛазер», г. Владимир, Россия.
Умнов Владимир Павлович – кандидат технических наук, доцент, заместитель генерального директора ООО «ТермоЛазер» по науке, г. Владимир, Россия.
Шишкин Евгений Сергеевич – заместитель начальника ЛТО ООО «ТермоЛазер», г. Владимир, Россия.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы подтверждают отсутствие конфликта интересов. Все авторы ознакомлены и согласны с рукописью.
Д. О. Чухланцев, В. П. Умнов, Д. А. Силантьева, Е. С. Шишкин
ООО «ТермоЛазер», г. Владимир, Россия
В статье представлен мобильный лазер-робота МЭЛ‑3.0 для лазерного термоупрочнения и наплавки широкого перечня изделий, снабженный диодным лазером. Робот создан компанией ООО «ТермоЛазер». Приведены примеры термоупрочнения матриц штампов и их восстановления на некоторых предприятиях. Обсуждаются возможности мобильного роботизированного лазерного инструмента и некоторые вопросы его использования применительно к крупногабаритным объектам, в том числе непосредственно на месте их эксплуатации.
Ключевые слова: лазерное термоупрочнение, лазерная наплавка, робот-манипулятор, матрицы штампов
Статья получена: 26.03.2024
Статья принята: 09.04.2024
Важнейшая задача, стоящая перед современными хозяйствующими субъектами, – повышение производительности труда на производстве путем его цифровизации и автоматизации производственных процессов, в том числе с помощью широкого внедрения робототехнических систем. Лазер в операциях термоупрочнения и наплавки зарекомендовал себя отличным инструментом. Однако подавляющее большинство операций при изготовлении, демонтаже или ремонтно-восстановительных работах крупногабаритных объектов осуществляется вручную с применением средств малой механизации.
Автоматизация лазерных технологических операций и создание мобильных лазер-роботов, в которых осуществляется объединение мобильных роботов с роботизированными многостепенными манипуляторами, доставляющими энергию лазерного излучения к объекту обработки и реализующими программно заданные траектории перемещения лазерного пятна по его поверхности, стали новым этапом развития лазерных инструментов.
Благодаря разнообразным способностям манипулирования положением лазерного пятна, мобильные лазер-роботы открывают чрезвычайно широкие технологические возможности:
- возможность лазерной обработки объектов со сложной криволинейной формой поверхности и малыми радиусами ее кривизны;
- гибридная обработка объектов сменными рабочими инструментами;
- возможность лазерной обработки крупногабаритных объектов с размерами, превышающими размеры рабочей зоны манипулятора в его стационарном положении;
- возможность лазерной обработки объектов в многоместных приспособлениях или размещенных на нескольких позициях в пределах одного производственного помещения;
- возможность выполнения лазерных операций в различных структурных подразделениях предприятия с перемещением между подразделениями за счет мобильности лазер-робота;
Компания «ТермоЛазер», являющаяся одним из передовых разработчиков и производителей лазерных технологических систем в России, создала и успешно эксплуатирует мобильный лазер-робот МЭЛ‑3.0, обладающий указанными выше технологическими возможностями. Лазер – робот МЭЛ‑3.0 предназначен, главным образом, для лазерного термоупрочнения и наплавки различных изделий. Он оснащен специальной подвижной управляемой тележкой с возможностью автоматического горизонтирования, на которой размещается технологический манипулятор, имеющий 6 степеней подвижности с исполнительной кинематической цепью длиной 2,6 метра. Основным рабочим инструментом лазер-робота является малогабаритный высокоэффективный диодный лазер с номинальной выходной мощностью излучения 3,0 кВт. Основные технические характеристики лазер – робота МЭЛ‑3.0 и используемого диодного лазера робота приведены в работе [1]. Последовательность действий при обработке крупногабаритного объекта созданным мобильным лазер-роботом приведена в виде алгоритма на рис. 1 [2].
Более половины стальных заготовок и заготовок из цветных металлов и сплавов современного машиностроительного производства изготавливается с использованием обработки давлением: прокатки, прессования, волочения, штамповки и ковки. Ковкой, горячей и объемной штамповкой изготавливают заготовки и детали массой от десяти граммов (например детали швейных машин) до сотен тонн (например поковки роторов турбин), размерами от единиц миллиметров до десятков метров из многих имеющихся в промышленности металлов и сплавов.
Анализ проблемы повышения надежности и долговечности рабочих частей штампов показывает, что в настоящее время не представляется возможным решить вопрос увеличения срока службы изделий только путем применения для их изготовления дорогостоящих высоколегированных материалов, поскольку в большинстве случаев это экономически не оправдывается. Поэтому чрезвычайно актуальным и важным является повышение долговечности штампового инструмента из углеродистых и экономно легированных сталей за счет термоупрочнения и легирования рабочих частей штамповой оснастки. При этом резко уменьшается расход дефицитных и дорогих материалов, а эффект повышения работоспособности оказывается значительным, так как в тонких поверхностных слоях штамповых сталей можно получать более высокие физические и механические свойства, чем в монолитных изделиях.
Наряду с широко применяемыми способами поверхностного упрочнения деталей штампов (наплавка, напыление, различные виды химико-термической обработки, закалка токами высокой частоты и другими) весьма перспективной является лазерное термоупрочнение. Объясняется это следующими причинами. Во-первых, лазерный способ упрочнения является локальным, что дает возможность обрабатывать только повреждаемые в процессе эксплуатации участки рабочих поверхностей, уменьшая деформацию и коробление деталей штампа и обеспечивая экономию электроэнергии по сравнению с часто использующимися азотированием и нитроцементацией. Во-вторых, в отличие от альтернативных видов поверхностного упрочнения (ионно-плазменное напыление, электронно-лучевая обработка и др.) лазерная закалка не требует трудоемкого вакуумирования. Огромный плюс лазерной закалки – простота технологии упрочения и высокие эксплуатационные свойства закаленного поверхностного слоя.
Основными параметрами, влияющими на эксплуатационные характеристики лазерно-упрочненных штамповых сталей, таких как 5ХНМ, 4ХМФС, 5Х2СФ, 4ХСНМФЦР, 5Х2НМФС являются мощность лазерного излучения в пятне, диаметр лазерного пятна, скорость перемещения лазерного луча по обрабатываемой поверхности, взаимное расположение и схема нанесения лазерных дорожек.
В работе [3] отмечаются основные особенности лазерного термоупрочнения штамповых и инструментальных сталей для горячей обработки металлов давлением:
для увеличения стойкости штампового инструмента путем повышения его разгаростойкости термическую обработку следует выполнять в 3 этапа: объемная закалка – отпуск – лазерная закалка;
лазерную закалку следует выполнять с оплавлением, при котором доля остаточного аустенита в поверхностном слое составляет не более 10–11%;
наиболее эффективным путем увеличения срока службы инструмента для горячей штамповки является создание как можно более однородной мелкозернистой структуры поверхностного слоя путем непрерывного воздействия лазерным лучом мощностью до 2,5 кВт при плотности мощности до q = 3–5 кВт / см2;
на гладкой поверхности лазерным пятном следует наносить кольцевые дорожки упрочнения по концентрическим окружностям с шагом, не превышающим диаметр лазерного пятна на обрабатываемой поверхности.
Для инструментов штампов холодного деформирования предлагается [3] технология лазерного упрочнения, которая состоит их предварительной (традиционной) термической обработки, включающей объемную закалку и последующий низкотемпературный отпуск, лазерной закалки и окончательного отпуска или отжига для снятия остаточных напряжений и уменьшения остаточного аустенита. Для окончательного отпуска можно применить повторный лазерный нагрев до более низкой температуры.
Компания «ТермоЛазер» имеет значительный опыт лазерной закалки рабочей поверхности матриц штампов холодной штамповки деталей с использованием лазер-робота МЭЛ‑3.0 с диодным лазером.
На производственной площадке АО «АВТОВАЗ» успешно выполнены работы по лазерной закалке матрицы штампа холодной штамповки из чугуна с шаровидным графитом FGS600-3 детали автомобильного кузова. На рис. 2 а, b представлен вид матрицы штампа и процесс наладки лазер-робота МЭЛ‑3.0 на выполнение операции ее закалки.
В результате закалки получена твердость поверхности матрицы 55–60 HRC при исходной твердости 30–40 HRC, а глубина упрочненного слоя составила 0,4 мм.
Аналогичная операция выполнялась на заводе штампов и прессформ для ООО «ЗШП» группы компаний «ГАЗ» в Нижнем Новгороде. На рис. 3 а, b представлен вид матрицы штампа и процесса выполнения операции ее закалки лазер-роботом МЭЛ‑3.0.
В результате закалки получена твердость поверхности матрицы 55–57 HRC при исходной твердости 30–40 HRC, а глубина упрочненного слоя составила 2,2 мм.
Возможности использования мобильного лазер-робота, оснащенного диодным лазером, достаточно широки и далеко не ограничиваются приведенными примерами. В частности, указанным лазер-роботом выполнена закалка чугунных направляющих станины крупногабаритного станка в ремонтно-механическом цехе ОАО «БЕЛАЗ» (рис. 4).
В процессе эксплуатации, вследствие износа рабочих поверхностей, большая часть штампов выходит из строя и требует восстановления изношенных поверхностей. Широко применяемый метод восстановления штамповой оснастки срезкой рабочей части штампа и перефрезеровкой с занижением глубины штампа имеет существенный недостаток, обусловленный уменьшением высоты штампа. При наплавке высота штампа всегда остается постоянной. Порошковая или проволочная лазерная наплавка сегодня является одним из самых привлекательных методов восстановления изношенных поверхностей штампов.
Технология восстановления штамповой оснастки методом лазерной наплавки состоит из нескольких основных операций:
удаление изношенного металла;
оцифровка полученной поверхности 3D-сканером;
написание управляющей программы;
предварительный нагрев штампа;
профильная наплавка поверхности штампа с припуском на механическую обработку;
окончательная термообработка штампа.
Внедрение роботизированной наплавки с применением 3D-сканеров позволяет исключить человеческий фактор, в несколько раз сократить сроки восстановления штампов, уменьшить затраты на материалы, сделать важные шаги на пути цифровизации производства и повысить культуру производства.
Большинство операций по лазерному восстановлению штамповой оснастки могут быть выполнены созданным лазер-роботом, оснащенным сменным инструментом на одном рабочем месте. В этом случае, наряду с диодным лазером, сменными инструментами являются фрезерная головка для механической обработки изношенной поверхности (например головка с концевой фрезой и высокоскоростным методом фрезерования), а также шлифовальная головка для обработки наплавленной поверхности.
Управление механической обработкой в этом случае строиться в пространстве базовых координат с регулированием контурной скорости в функции силового взаимодействия между инструментом и обрабатываемой поверхностью. Большая величина скорости резания при высокоскоростной обработке практически сглаживает пульсации сил резания от отдельной режущей кромки фрезы и изменения сил резания могут быть лишь при изменении припуска на обработку как медленно меняющееся воздействие. Более того, при синтезе программной траектории выбираются гладкие траектории, а также стремятся к постоянству глубины резания и подаче на зуб. Учитывая сказанное выше, а также исходя из возможности формирования двухканального управляющего воздействия, управление траекторным движением предлагается осуществлять позиционно-силовым способом [4], при котором создается дозированное силовое взаимодействие между инструментом и обрабатываемым изделием. Процесс перемещения инструмента по обрабатываемому изделию с точки зрения их взаимодействия состоит из нескольких этапов: этап «свободного» движения, заключающийся в относительном перемещении инструмента до момента касания изделия; этап врезания, при котором необходимо обеспечить плавное нарастание сил резания во избежание поломки инструмента, и этап резания с управляемым положением инструмента относительно изделия, при котором (например при трохоидальном фрезеровании) происходит циклическое чередование этапов свободного движения и резания. Исходя из сказанного, управление движением должно быть гибридным позиционно-силовым с переключением структуры.
На рис. 5 приведены системы координат при реализации позиционно-силового управления.
Выбранные системы координат можно связать матричным соотношением:
ToA(gd) = ToB(gv) TBB′ TB′A′(H) TA′A . (1)
Здесь ToA(gd) – матрица координатных преобразований точек траектории обработки детали в базовую систему координат; ToB(gv) – матрица координатных преобразований характеристической точки манипулятора в базовую систему; TBB′ – матрица упругих перемещений инструмента; TB′A′(H) – матрица координатных преобразований режущей кромки инструмента относительно точки В; TA′A – матрица составляющих погрешности обработки.
Для решения обратной задачи относительно линейных скоростей необходимо продифференцировать соотношения (1) по времени и записать выражение:
[VA]T = J(q) [Q·g]T, (2)
где VA – вектор линейной скорости перемещения конечной точки выходного манипулятора изделия, J(q) – матрица Якоби для преобразования скоростей, Q·g – вектор обобщенных скоростей. Полагая величину VA заданной, Q·g определяется с помощью обратного преобразования:
[Q·g]T = J(q)−1 [VA]T. (3)
При «свободном» движении задачей управления формально является сведение к единичной матрицы ῀TA′A в выражении (3) при отсутствии силового взаимодействия (нулевого сигнала с силомоментного датчика). Тогда согласованное движение манипуляторов можно описать матричными соотношениями:
Tv(t) = Tov ToA′(gv t); Td(t) = Tod ToA (gd t); TBB′ = E.
Задача управления:
῀TA′A = ToA′(gv, t) − ToA (gd, t), при t = tk; ῀TA′A → ||. (4)
Управляющие моменты определяются следующим образом:
Mv = Wv(gv); Md = Wd(gd);
Wv = D1v p2 gv + D2v(pgv,gvξv) + D3v(gv);
Wd = D1d p2 gd + D2d(pgd,gdξd) + D3d(gd).
При позиционно-силовом управление целесообразно организовать компенсацию позиционного возмущения. Управляющие моменты при этом имеют следующий вид:
μd = Wd + JdT(qd) FH;
μv = wv + JdT′(qv) · (Fd) + μk; μk = [TA′A − TA′A (FH)] G(p); (6)
TBB′(Y) ⇒ Y = Ф × Fd TAA′ = ToA(qd) ToB−1(qV) · TB′A′(H) · TBB′−1(Y).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Созданный компанией «ТермоЛазер» лазер-робот МЭЛ‑3.0 и потенциальные его модификации имеют широкие возможности для эффективного внедрения в технологические процессы лазерной обработки как кузнечно-штампового оборудования, так и широкого перечня изделий. В этот перечень включены разные варианты изделий как по номенклатуре, так и массогабаритным показателям. Например, очистка поверхности и наплавка изношенных ковшов и разнообразных деталей карьерного оборудования горнодобывающей промышленности; очистка, наплавка и сварка при ремонтно-восстановительных работах крупногабаритных деталей и узлов подъемно-транспортного оборудования на месте его эксплуатации.
REFERENCES
Chukhlantsev D. O., Shipikhin D. A., Shishkin E. S., Umnov V. P. Diode Lasers and Its Use in the Robotic Systems. Photonics Russia. 2023;17(3):176–183. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2023.17.3.176.183.
Чухланцев Д. О., Шипихин Д. А., Шишкин Е. С., Умнов В. П. Диодные лазеры и их использование в робототехнических системах. Фотоника. 2023;17(3):176–183. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2023.17.3.176.183.
Patent RU 222568, B23K 26/70 (2014.01), B23K 26/142 (2014.01) Мобильное устройство для обработки крупногабаритных объектов: / Чухланцев Д. О.; Умнов В.; Ручай И. Е., Кайкина А. О.; патентообладатель ООО «ТермоЛазер.
Patent № 222568 RU, B23K 26/70 (2014.01), B23K 26/142 (2014.01) Mobil’noe ustrojstvo dlya obrabotki krupnogabaritnyh ob”ektov: / Chuhlancev D. O.; Umnov V.; Ruchaj I. E., Kajkina A. O.; patentoobladatel’ OOO «TermoLazer.
Чиченев Н. А., Иванов С. А., Горбатюк С. М., Веремеевич А. Н. Лазерное упрочнение технологического инструмента обработки металлов давлением. – М.: Изд. Дом МИСиС. 2013. – 166 с.
Chichenev N. A., Ivanov S. A., Gorbatyuk S. M., Veremeevich A. N. Lazernoe uprochnenie tekhnologicheskogo instrumenta obrabotki metallov davleniem: monografiya. – M.: Izd. Dom MISiS. 2013. – 166 p.
Умнов В. П. Чухланцев Д. О., Егоров И. Н., Силантьева Д. А. Лазерные технологические комплексы и робототехнические системы. – Владимир: Изд-во ВлГУ. 2023. 426 с.
Umnov V. P. Chuhlancev D. O., Egorov I. N., Silant’eva D. A. Lazernye tekhnologicheskie kompleksy i robototekhnicheskie sistemy. – Vladimir: Izd-vo VlGU. 2023. 426 p.
АВТОРЫ
Чухланцев Дмитрий Олегович – к. э. н., научный руководитель ООО «ТермоЛазер», г. Владимир, Россия.
Силантьева Дарья Александровна – директор Владимирской площадки ООО «ТермоЛазер», г. Владимир, Россия.
Умнов Владимир Павлович – кандидат технических наук, доцент, заместитель генерального директора ООО «ТермоЛазер» по науке, г. Владимир, Россия.
Шишкин Евгений Сергеевич – заместитель начальника ЛТО ООО «ТермоЛазер», г. Владимир, Россия.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы подтверждают отсутствие конфликта интересов. Все авторы ознакомлены и согласны с рукописью.
Отзывы читателей
