ritm042020

НАДЁЖНОСТЬ И МАЛАЯ СТОИМОСТЬ НОВЕЙШЕЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ Серия лазеров YLS-CUT имеет наиболее компактные корпуса из представленных на рынке Легкая интеграция в системы лазерного раскроя

ВЫСОКАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ Преимущества КПД от розетки более 50% Высокая мощность лазерного излучения (до 100 кВт и выше) Высокая надёжность, огромный ресурс работы Отсутствие регламентных работ и простота эксплуатации Режим быстрого управления мощностью излучения лазера по цифровому или аналоговому каналу управления 3 года гарантии с возможностью расширения гарантийного периода

+7 (496) 255 74 46; sales@ntoire-polus.ru www.ipgphotonics.com

Помимо очевидных преимуществ легкой интеграции лазеры серии YLS-CUT обладают высокой герметичностью и включают в свой состав встроенный осушитель. Всё это позволяет использовать лазеры серии YLS-CUT в самых суровых производственных условиях.

СОДЕРЖАНИЕ 10 Metal Master на треть снижает цены на новые модели ленточнопильных станков / Metal Master cuts prices for new band saw machines by one third

12

12 Экспертный инжиниринг / Expert engineering Ace Micromatic: итоги года / Ace Micromatic: results of the year

13 Роботизированный комплекс для двигателестроения / Robotic complex for engine building Энергоэффективное фрезерование / Energy efficient milling

14

14 Высокоэффективное шлифование — новые технологии и оборудование / Highly efficient grinding — new technologies and equipment

23 О перспективных направлениях применения лазерного резания / About promising areas of laser cutting

26

23

Выбор силового телецентрического объектива лазерной технологической установки / The choice of power telecentric lens of the laser technological installation

32 Применение технологий 3D-сканирования в заготовительной и машиностроительной практике / Application of 3D-scanning technologies in blank production and machine building practice

32

* Фото на обложке из открытых источников

Издатель ООО «ПРОМЕДИА» директор О. Фалина главный редактор М. Копытина выпускающий редактор Т. Карпова дизайн-верстка С. Куликова руководитель проектов З. Сацкая Отдел рекламы: П. Алексеев, Е. Пуртова Е. Ерошкина, Э. Матвеев, О. Стелинговская консультант В.М. Макаров consult-ritm@mail.ru

АДРЕС: 101000, Москва, Милютинский пер., 18А, оф. 36c, пом. 1 т/ф (499) 55-9999-8 (многоканальный) e-mail: ritm@gardesmash.com https://www.ritm-magazine.ru Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-63556. (До 09.2015 журнал "РИТМ") Тираж 10 000 экз. Распространяется бесплатно на выставках и конференциях. Перепечатка опубликованных материалов разрешается только при согласовании с редакцией. Все права защищены ® Редакция не несет ответственности за достоверность информации в рекламных материалах и оставляет за собой право на редакторскую правку текстов. Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов.

НОВОСТИ

ЮБИЛЕЙ ЛАЗЕРНОЙ АССОЦИАЦИИ Лазерная ассоциация (ЛАС), организованная в нашей стране в апреле 1990 года по инициативе Бюро Совета министров СССР по машиностроению и объединившая значительную часть лазерного сообщества страны, отмечает свое 30-летие. Около 500 организаций: академических и отраслевых НИИ, вузов, КБ, больших и малых предприятий, клиник — в разные годы были членами этой авторитетной организации, целью которой было и остается содействие развитию отечественной лазерно-оптической отрасли и широкому практическому освоению лазерных технологий, помощь своим членам в их профессиональной деятельности, защита общеотраслевых интересов во властных структурах. Начав с реализации общесоюзной программы создания лазерной техники для машиностроения («Гиперболоид–95»), Ассоциация в тяжелый период после распада СССР не только сохранила рабочие контакты лазерщиков на всем постсоветском пространстве, но и организовала первый выход отечественной лазерной техники на мировой рынок (коллективная экспозиция на мюнхенской выставке LASER в 1993 г.) и широкое сотрудничество с зарубежными коллегами. Организованные Ассоциацией российско-германские курсы менеджмента со стажировкой в Германии в 1992–2000 г г. закончили более 200 специалистов отрасли, выпускники этих курсов создали десятки успешных малых предприятий лазерно-оптической специализации. По инициативе ЛАС в России организуются тематические конференции и выставки, позволяющие демонстрировать возможности и преимущества отечественной продукции (яркими выставочными брендами стали «LIC-Russia» и «Фотоника. Мир лазеров и оптики»). Выставки отличаются особо теплой атмосферой, являются эффективными площадками для общения единомышленников, установления партнерских отношений, развития рынка фотоники. Кроме того, Лазерная ассоциация участвует в подготовке коллективных российских экспозиций на специализированных форумах других стран, проводит работу по расширению контактов с зарубежными компаниями и организациями. Так, ЛАС является

отделением Европейского оптического общества и ассоциированным членом Лазерного института Америки, в рамках договоров о сотрудничестве работает с секретариатом европейской техплатформы Photonics21 и администрацией «Оптической долины Китая» в провинции Хубэй, КНР. Информационное направление деятельности ЛАС включает в себя издание и распространение информационного бюллетеня «Лазер-Информ» (673 выпуска на май 2020 г.), каталогов-справочников по отечественной лазерной технике (12 наименований, ежегодное обновление), сборников статей с воспоминаниями создателей отечественной лазерной техники, организаторов первых лабораторий и предприятий лазерной отрасли «Как это было» (на текущий момент издано 6 книг), поддержание активно посещаемого сайта ЛАС и др. Ассоциация оказывает консультационно-методическую и организационную помощь членам ЛАС, организовала российскую технологическую платформу «Фотоника» и координирует ее деятельность. На текущий момент в Ассоциацию входит 135 действующих коллективных членов, а это в общей сложности 20–22 тысячи специалистов, работающих в России и других странах СНГ. В структуре Лазерной ассоциации действуют пять республиканских центров ЛАС — в Бишкеке, Ереване, Минске, Нур-Султане, Ташкенте — и шесть региональных российских центров ЛАС — во Владивостоке, в Екатеринбурге, Новосибирске, Саратове, СанктПетербурге, Томске. Бессменным за все 30 лет президентом Лазерной ассоциации является заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Иван Борисович Ковш, снискавший большое уважение среди коллег за свои профессиональные и организаторские качества. Вызовы сегодняшнего дня не дают почивать на лаврах, ставят новые задачи, испытывая на крепость, сплоченность, приверженность своим целям и идеалам. Поэтому, поздравляя с юбилейной датой каждого из членов большой семьи, которой является Лазерная ассоциация, хочется пожелать им больших успехов, ярких достижений, реализации планов и, конечно, здоровья и благополучия!

СТАЛЬ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ Череповецкий металлургический комбинат (ЧерМК, входит в дивизион «Северсталь Российская сталь»), освоил производство стали для лазерной резки. Это металлопрокат с равномерно распределенными внутренними напряжениями и улучшенной плоскостностью, которые достигаются за счет специальных режимов при правке на агрегате резки. Возможности для освоения нового, востребованного на рынке продукта дала реализация проекта реконструкции и замены оборудования, что, по словам директора «Северстали» по работе с машиностроительными компаниями Георгия Аргунова, позволяет получать качество металлопроката под лазерную резку на уровне лучших

4

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

мировых практик. В ходе опытных переработок роспуск листов на детали не выявил значимых внутренних напряжений. Отклонение по плоскостности после лазерной резки составляет не более 5 мм/м. Данный продукт позволяет потребителям оптимизировать затраты на переработку металлопроката и уйти от дополнительной операции правки металла, а значит — сократить сроки производства и повысить точность изготовления деталей. Преимущества продукции уже оценили клиенты предприятия — в течение первого квартала 2020 года компания поставила на российский рынок свыше 4 тыс. т стали для лазерной резки. www.metalinfo.ru

www.ritm-magazine.ru

НОВОСТИ

ЭФФЕКТИВНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ На Тверском вагоностроительном заводе (ОАО «ТВЗ», входит в состав ТМХ) введена в опытно-промышленную эксплуатацию система лазерной разметки (СЛР). Данная система является инициативой центра компетенций по развитию бесконтактных технологий, созданного компанией «2050-Интегратор» в рамках проекта «Цифровой завод ТВЗ».

В ходе опытно-промышленной эксплуатации системы команда проекта провела тестирование при помощи данного инструмента технологии приварки элементов на балки рам вагонов метро. Проектор поочередно высвечивает контуры, по которым сварщики размещают детали

www.ritm-magazine.ru

и осуществляют приварку. При этом для более точного позиционирования балка с помощью лазера выравнивается по специально изготовленной для данного участка оснастке СЛР. Ее конструкционные особенности позволяют выполнять работы в разных положениях, тем самым автоматизируя процесс разметки. Сварщик управляет проектором — либо с рабочей станции, либо с помощью пульта дистанционного управления. За счет точного позиционирования лазера значительно увеличивается скорость работы, повышается качество приварки элементов, а также исключается возможность пропуска сборочной единицы детали. Помимо этого в рамно-кузовном цехе № 2 производится отладка опытно-промышленной версии программного обеспечения программно-аппаратного комплекса автоматического контроля качества сборки рам вагонов метро — измерительного портала. Он оборудован 6 камерами, которые движутся вдоль рамы и производят серию снимков в трехмерном пространстве. Далее нейронная сеть анализирует полученные изображения и уточняет ключевые точки, сравнивая их с эталонной 3D-моделью рамы. Применение данной технологии позволяет повысить точность контроля геометрии изделий и ускоряет процесс проверки качества выпускаемой продукции. Результаты измерений используются при формировании электронного паспорта рамы. ОАО «ТВЗ» является первой производственной площадкой ТМХ, где внедряется подобный измерительный комплекс. http://metallicheckiy-portal.ru

№ 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

5

НОВОСТИ

УНИКАЛЬНЫЙ 3D-ПРИНТЕР Российские ученые, объединив усилия в рамках Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики МФТИ и группы компаний «Лазеры и аппаратура», соединили в одном 3D-принтере три технологических процесса: получение, доставку и лазерное спекание наночастиц материала в процессе 3D-печати. Аналогов этой технологии в мире нет, а сама она пока не имеет названия, хотя ряд патентных документов на входящие в ее состав разработки уже получен. Сам процесс можно описать следующим образом: поток наночастиц генерируется в искровом разряде в процессе электрической эрозии электродов, далее он направляется в аэродинамическую систему для фокусировки и осаждения на подвижную подложку, а затем для обеспечения механической прочности и электропроводности напечатанные структуры из наночастиц спекаются лазером. Технология является прорывной как минимум по нескольким направлениям. Во-первых, это универсальность используемых материалов для печати, которая достигается за счет того, что нанопорошки генерируются непосредственно в машине из проволоки нужного состава. Во-вторых, минимальный латеральный размер формируемых элементов в представленном принтере

Экспериментальный образец аэрозольного 3D-принтера с лазерным ассистированием. Фото: лаборатории МФТИ

составляет 25 мкм — это хороший показатель в плане точности изготовления структур. И, в‑третьих, эта технология позволяет печатать электронные структуры на пластике (а также на бумаге, коже и других термочувствительных подложках), что также важно для производства новых изделий гибкой электроники. https://expert.ru/

ПОЗДРАВЛЯЕМ ПОБЕДИТЕЛЕЙ! По результатам конкурса Лазерной ассоциации за лучшие разработки лазерной техники, вышедшие на рынок в 2018–2019 гг., почетными дипломами победителей были отмечены: • в номинации «Лазерные технологии в промышленности и энергетике» диплом I степени Толщиномер лазерный (ТЛ-3) — разработка, выполнена Уральским федеральным университетом; • в номинации «Оптическая связь и фотонная информатика» дипломами I и II степени Блоки агрегатора

MS-400E и MS-1200E — разработки, выполнены ООО «Т8»; • в номинации «Источники лазерного излучения и их компоненты, устройства управления лазерным лучом и его транспортировки» (конкурс имени М. Ф. Стельмаха) диплом I степени Лазерный диодный модуль высокой энергетической яркости с волоконно-оптическим выводом ЛМД-50 — разработка, выполнена ООО «НПП «Инжект». http://www.cislaser.com

ПОСТОБРАБОТКА 3D-МОДЕЛЕЙ Популярные технологии аддитивной печати не могут обеспечить точности изготовления металлических моделей до сотых и тысячных долей миллиметра, в связи с чем для ряда задач требуется сложная постобработка изделий. Немецкие ученые из Саарского университета нашли возможность решить задачу просто и быстро. Ими был разработан инструмент, подобный зонду с головкой-распылителем в нижней части. Головка распыляет электролит из растворенных в воде солей на поверхность модели, требующей обработки. Одновременно через зонд и головку пропускаются импульсы высокого напряжения. В результате на поверхности начинают происходить электрохимические процессы, снимающие металл слой за слоем. Настраивая частоту вибрации головки и регулируя длительность и амплитуду импульсов, можно точно регулировать объем снимаемого металла. Технология испытана на 3D-моделях из стали, титана и алюминия. Точность обработки поверхности составила одну тысячную долю миллиметра. Фото: Oliver Dietze

6

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

https://3dnews.ru/

www.ritm-magazine.ru

НОВОСТИ

МЕТАЛАЗЕР, ВЫРАБАТЫВАЮЩИЙ «ЗАКРУЧЕННЫЙ» СВЕТ Группа исследователей из Гарвардского университета (США), организации CSIR (Южная Африка) при участии коллег из Сингапура, Бельгии и Италии разработала и продемонстрировала работу первого в своем роде металазера, который вырабатывает так называемый сверххиральный свет — свет с наибольшим на сегодняшний день значением углового момента. Свет такого лазера обеспечивает максимально высокий уровень взаимодействия с материей, и его можно использовать в качестве оптического «гаечного ключа» или для кодирования больших объемов информации, передаваемой по оптическим коммуникационным каналам.

Ключевым компонентом лазера является метаповерхность, которая представляет собой материал, покрытый множеством маленьких (нанометрового размера) столбиков, высота, ширина и расстояние между которыми тщательным образом рассчитаны для получения необходимого эффекта. И когда свет проходит через такую поверхность, он каждый раз поворачивается на определенный угол. Помимо того, что метаповерхность обладает высоким значением фазового градиента, она способна без каких-либо нарушений работы пропускать сквозь себя достаточно мощный поток света, что существенно раздвигает границы использования таких лазеров. Таким образом, новый лазер способен обеспечить производство света со в 100 раз большим значением углового момента и в 10 раз большей мощностью, чем любые другие подобные лазеры, созданные до последнего времени. «Крошечные размеры нашего лазера позволят интегрировать его в структуру небольших чипов, которые могут стать миниатюрной заменой гораздо более крупных устройств, называемых лабораториями-на-чипе. Искривленный лазерный свет может использоваться для перемещений и манипуляции крошечными объектами, такими, как живые клетки, при его помощи можно заставить двигаться потоки жидкости и устроить нечто вроде крошечной центрифуги», — сообщают исследователи. www.dailytechinfo.org www.ritm-magazine.ru

№ 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

7

НОВОСТИ

РЕШЕНИЕ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ Новая система мониторинга LDD-700 позволяет контролировать качество сварного шва, обеспечивать слежение за швом, измерять глубину проплава, высоту и ширину сварного валика, выявлять дефекты сварных швов (выбросы, недостаточное заполнение) и др. Для измерений LDD-700 использует инфракрасный лазерный луч малой мощности, который проходит через выходную оптику сварочной головы соосно с рабочим излучением лазера. www.ipgphotonics.com

НОВИНКИ ОБОРУДОВАНИЯ Станкостроительный завод «Саста» сообщил о выпуске нового оборудования. Во-первых, это новый многофункциональный токарный обрабатывающий центр с осью Y с двумя проходными суппортами СА1350Ф4 для обработки длинномерных деталей. Его параметры: РМЦ = 10 000 мм (для данного типа оборудования максимальная длина составляет 20 000 мм); мощность глав-

Обрабатывающий центр СА1350Ф4

ного привода — 30 кВт (с возможностью установки до 80 кВт). Проходные суппорты перемещаются по отдельным направляющим, предотвращая резонанс и вибрацию заготовки. Преимуществом является то, что их перемещение не ограничивает люнет или задняя бабка. Обработка ведется по всей длине детали за один установ, без переустановки заготовки или люнетов. Другая новинка — многофункциональный токарный обрабатывающий центр НТ 500. Данная модель отличается современным дизайном, высокой динамикой и точностью и ориентирована прежде всего на токарно-фрезерную обработку деталей сложного профиля. Диаметр устанавливаемой заготовки над станиной составляет 700 мм. Диаметр обработки над суппортом — 600 мм. Расстояние между центрами — до трех метров. Динамические возможности модели определяются частотой вращения шпинделя — до 5000 об/мин и скоростью быстрых перемещений по осям — до 24 м/мин. Мощность привода вращения инструмента и частота вращения инструмента в зависимости от исполнения достигает 5,5 киловатт и 4000 оборотов в минуту соответственно. https://sdelanounas.ru/

ВПЕРВЫЕ ЗА СОРОК ЛЕТ В Волгодонском филиале АО «АЭМ-технологии» «Атоммаш» (входит в машиностроительный дивизион «Росатома» — «Атомэнергомаш») запущен в эксплуатацию уникальный горизонтальный фрезерно-расточной станок с ЧПУ компании «ŠKODA». Оборудование такого типа запускается на «Атоммаше» впервые за 40 лет. Длина станка составляет 40 метров. Общая масса высокотехнологичного оборудования — порядка 590 тонн. Горизонтальный фрезерно-расточной станок предназначен для механической обработки заготовок и корпусов парогенератора и реактора. Технические параметры позволяют перемещать обрабатывающую стойку по горизонтальной оси — до 36 м, по вертикальной — до 7,5 м, со скоростью до 20 м/мин. Станок имеет внутреннюю подачу СОЖ в зону резания через шпиндель с высоким (до 40 бар) давлением, оснащен современной кабиной оператора и может использовать различное навесное оборудование в автоматическом режиме. Оборудование способно выполнять финишную механическую обработку и нарезание резьбы главного разъема корпуса реактора. Так, срок данной операции сократился в 1,5 раза. Максимальный вес обрабатываемых изделий достигает 600 тонн. На станке установлена современная система ЧПУ, что позволяет растачивать, 8

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

сверлить, фрезеровать плоские и криволинейные поверхности по программе в двух и трех плоскостях, а также нарезать резьбу по интерполяции. Для установки уникального станка на производстве создали фундамент длиной 50 метров, шириной около 22 метров и глубиной 5 метров. На заливку фундамента ушло 3000 кубометров бетона. Основной сложностью при монтаже станка стала установка станины, состоящей из 10-тонных секций, точность установки секций составляет до 0,01 мм. https://sdelanounas.ru www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ

METAL MASTER НА ТРЕТЬ СНИЖАЕТ ЦЕНЫ НА НОВЫЕ МОДЕЛИ ЛЕНТОЧНОПИЛЬНЫХ СТАНКОВ Компания Metal Master работает на российском рынке уже более 19 лет. Специализация компании — разработка, производство и поставка высококачественного металлообрабатывающего оборудования на рынок России, Казахстана и Белоруссии. Клиентская база Metal Master насчитывает более 50 тысяч заказчиков. Машиностроительная промышленность является одной из важнейших отраслей народного хозяйства. В структуре промышленного производства России удельный вес машиностроения в настоящее время составляет около 20%, в ВВП — около 8 %. Исходной точкой большинства технологических процессов в машиностроении и других отраслях является подготовка и формирование заготовок для последующей обработки — гибки, обточки, фрезерования и др. Зачастую в решении таких задач полагаются на ленточнопильные станки — мощное и надежное оборудование для обработки металла и прочих материалов методом резания (пиления). Главным рабочим элементом ленточнопильного станка является ленточное полотно, замкнутое в кольцо, надетое на шкивы, непрерывно вращающееся с большой скоростью. Полотна для ленточнопильных станков — биметаллические или с твердосплавными напайками — применимы к любому типу станков и выбираются исходя из размера и типа обрабатываемой заготовки. Ленточнопильные станки по металлу — наиболее динамично развивающаяся группа российского рынка станочного оборудования. Это обусловлено двумя основными, тесно взаимосвязанными причинами. Во-первых, ленточные пилы по металлу — универсальный инструмент для решения широчайшего спектра задач. Они найдут применение и в крупном цеху, и в мастерской, и даже в поле. Во-вторых, сейчас существует множество типоразмеров и конструктивных решений, благодаря которым практически любой потребитель может подобрать необходимый ему инструмент для пиления. Оба этих фактора обеспечивают в нашей стране постоянно растущий спрос на ленточнопильные станки.

Metal Master BSM-115

10

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

Совершенно не удивительно, что высокий спрос на ленточные пилы толкает цены вверх. Поэтому даже в текущей непростой ситуации довольно трудно найти станок хорошего качества по приемлемой, справедливой цене. Выбор складывается либо из очень дорогих станков иностранных европейских брендов, тем не менее произведенных в странах с дешевой рабочей силой. Такие пилы благодаря элементарной узловой сборке (установка ручек, нанесение обозначений и логотипов) и последующему реэкспорту становятся продуктом, произведенным в Северной Америке или Европейском Союзе. Другая крайность — малоизвестные бренды и станки с известных всем внешних торговых площадок. Эти поставщики добавляют головной боли неопытному покупателю. За красивой картинкой зачастую скрываются «сырые» станки кустарного производства. И цена здесь имеет второстепенное значение, поскольку клиент все равно теряет все те деньги, которые он потратил на станок ненадлежащего качества. Таким образом, рынок давно уже ждал адекватного предложения ленточнопильных станков высокого качества по доступным рыночным ценам. И вот, весной 2020 года компания Metal Master сделала рынку уникальное предложение на наиболее популярные в России модели маятниковых ленточнопильных станков по металлу. Все Топ-10 моделей линейки Metal Master BSM являются новинками компании и отвечают самым строгим европейским стандартам качества, долговечности, эргономики и безопасности. Базой для этого уникального предложения послужил многолетний опыт и кропотливое изучение рынка ленточнопильных станков различными подразделениями компании, включая скрупулезный анализ типовых задач и основных сценариев эксплуатации пил. Это позволило создать точные образы того станка, который необходим клиенту из реального сектора, с учетом его ожиданий от покупки. «Проектирование новой линейки ленточнопильных станков Metal Master BSM было выполнено полностью в цифровой форме, что позволило нам добиться полного соответствия отраслевым стандартам качества. Похоже,

Metal Master BSM-128HDR

Metal Master BSM-712N www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ

Metal Master BSM-170

что где-то нам удалось их даже превысить», — рассказывает Евгений Ильин, коммерческий директор компании Metal Master. «Благодаря нашему огромному опыту и использованию новейших цифровых технологий в закупках, производстве и логистике нам удалось серьезно оптимизировать издержки и создать продукт высокого качества без экономии на материалах и комплектующих», — добавляет Евгений. Вследствие проделанной работы сегодня компания Metal Master предлагает широкий спектр наиболее популярных моделей маятниковых пил по цене на 25–30 % ниже сложившегося рыночного уровня. «Конечно, при планировании старта продаж мы рассчитывали на значительно более благоприятный рыночный фон. Однако, с другой стороны, сейчас у нас есть отличная возможность поддержать не только наших клиентов, но и весь отечественный производственный сектор. Ленточнопильные станки — отправная точка во многих производственных процессах, и возможность снизить на треть затраты по их приобретению — это здорово!» — резюмирует Евгений.

Фокусируя внимание на самом оборудовании, стоит сказать, что модернизированная серия станков Metal Master BSM удовлетворит любого, самого требовательного покупателя.

BSM-115 / BSM-115R. Используются для резки заготовок диаметром до 115 мм. Модель BSM-115R дополнительно позволяет осуществлять резы под углом до 45 град. с помощью поворота пильной рамы, что выгодно выделяет ее на фоне моделей конкурентов. Дополнительно станки BSM-115 / BSM-115R можно использовать в качестве вертикальных пил за счет идущего в комплекте столика.

BSM-128HDR / BSM-128HDRС. Станки работают с заготовками диаметром до 128 мм, снабжены гидроразгрузкой и имеют прочную и жесткую тумбу-основание. Станок BSM-128HDRC способен работать с материалами высокой прочности благодаря наличию системы подачи охлаждающей жидкости.

BSM-712N и BSM-812. Наиболее популярные в России типоразмеры ленточнопильных станков. Мощные и мобильные модели, которые позволяют справиться с широким спектром разнообразных задач. Снабжены усиленным двигателем 1,1 кВт, системой подачи СОЖ, тумбой на колесах, а также модернизированным креплением гидроцилиндра. Все перечисленные факторы обеспечивают повышенную надежность и долговечность.

BSM-170, BSM-220, BSM-240, BSM-270. Выполнены в европейском исполнении на массивном жестком основании. Имеют надежную систему охлаждения и доработанный мощный основной двигатель. Эти модели идеально подойдут для стационарной работы на всех видах производств и в ремонтных цехах. Новая линейка ленточнопильных станков Metal Master производится на сертифицированных в соответствии с ISO9001 современных производственных площадках компании, все станки сопровождаются гарантийной поддержкой производителя. При выборе ленточнопильного станка как никогда актуальна истина: «Семь раз отмерь, один раз отрежь». А решения, реализованные на базе станков Metal Master BSM, выглядят обоснованными с точки зрения многих объективных и субъективных факторов. www.metalmaster.ru

Metal Master BSM-220 www.ritm-magazine.ru

Metal Master BSM-240

Metal Master BSM-270 № 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

11

ЭКСПЕРТНЫЙ ИНЖИНИРИНГ Машиностроение — главная отрасль экономики любой страны. Она тесно связана с научными изысканиями и инженерными разработками, выпуском уникальных продуктов с высокой добавочной стоимостью и экспортным потенциалом. Почти ежедневно в ходе встреч с российскими машиностроителями мы слышим о их производственных проблемах, о качественно новых задачах, возникающих на предприятиях. Часто действительно непростых, но интересных и вполне решаемых. С момента своего образования ООО «Пумори-инжиниринг инвест» поставляло своим клиентам высокотехнологичное оборудование лучших мировых производителей, прогрессивный инструмент, оснастку, в т.ч. собственного производства. Дополнительным блоком предлагало сопутствующие инженерные услуги: разработку технологий, управляю-

щих программ, сервисное сопровождение. Несколько лет назад появилась идея создания инженерного центра, который станет драйвером в развитии компании и будет призван помогать нашим заказчикам достигать экстраординарного результата с помощью разработки и внедрения комплекса решений, в т.ч. инжиниринговых, организационных, финансовых, управленческих и др. Сегодня компания продолжает курс на развитие инженерного центра, расширяя компетенции, наращивая опыт в сфере проектирования машиностроительных производств, формирования автоматизированных и цифровых производственных решений. Как говорят специалисты отдела инжиниринговых проектов «Пумориинжиниринг инвест»: «Нужно смотреть немного шире, видеть не проблему, а возможность». В дополнение к этому профессионалы берут на себя

ответственность и гарантируют результаты проекта. В этом и ценность инжиниринговых услуг, которые выполняются профессионалами. Они стараются слушать и понимать своих клиентов, предлагать эффективные решения из соображений необходимости и достаточности. Именно так и возникает синергетический эффект, который позволяет достичь больших результатов. ООО «Пумори-инжиниринг инвест» 620085, г. Екатеринбург, ул. Монтерская, стр. 3, офис 105 Тел.: +7 (343) 287-47-87, www.pumori-invest.ru

ACE MICROMATIC: ИТОГИ ГОДА

Каждое из предприятий станкостроительной группы Ace Micromatic (Индия) имеет сильные позиции на внутреннем и мировом рынке.

Ace Designers — крупнейший в Индии производитель токарных центров с ЧПУ. Для Ace Designers год был наполнен событиями. Так, компания отгрузила рекордные 5 200 станков. «Были увеличены мощности в ответ на требования рынка, и это стало возможным благодаря постоянной поддержке клиентов несмотря на снижение спроса в III и IV кварталах», — рассказывает Т. П. Шридхар, руководитель Ace De-signers. Наряду с главным направлением — массовым выпус-

ком стандартных станков — компания проявила гибкость в обеспечении дополнительных опций, и это позволило ей в точности удовлетворять требования заказчиков. Компания получила «Платиновый уровень признания» по оценке CII Exim Bank. Кроме того, предприятие показало много новых продуктов на выставке IMTEX 2019. «Наши клиенты могут ждать от нас большего, чем раньше, например, расширенной номенклатуры продукции, доработки многих внутренних систем в соответствии с их изменяющимися требованиями, — говорит Т. П. Шридхар и добавляет: — Приобретение компании Taurus India Pvt Ltd в нашу полную собственность стало еще одной вехой на пути расширения ассортимента специальных станков».

Ace Manufacturing Systems — один из крупнейших производителей обрабатывающих центров в Индии. Л. С. Умеш, директор Ace Manufacturing Systems, благодарит клиен-

тов, работников и поставщиков AMS за их неустанную поддержку роста компании. «Наши показатели в юбилейном 25­-м году были исключительными, и все внесли в это свой вклад. В предыдущем финансовом году AMS столкнулась со всплеском спроса на обрабатывающие центры и решения из разных частей страны и мира», — отметил он. Предприятие успешно выполнило план по росту выручки (свыше 6500 млн рупий) и лишь немного не дотянуло до планового количества станков (2000). В прошлом году AMS сертифицировалась в пяти интегрированных системах менеджмента (QMS, EMS, OHSMS, ISMS, SA 8000). «Это момент гордости для нас, ведь мы стали первой станкостроительной компанией мира, получившей сертификаты по всем пяти стандартам сразу».

Ace Micromatic в России представляет ООО «Урал-инструмент-Пумори» 614014, г. Пермь, ул. 1905 года, 35, кор. 1 +7 (342) 215-45-18 info@uipumori.ru, www.uipumori.ru

РОБОТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ Компания «Пумори-Северо-Запад» разрабатывает комплексные инжиниринговые решения для создания и модернизации промышленных предприятий, в том числе проекты по автоматизации производства, позволяющие иметь единую систему управления и планирования всех производственных процессов от момента запуска в производство до момента отгрузки готового изделия с использованием различного оборудования. Один из таких проектов — роботизированный комплекс для предприятия двигателестроения. Заказчиком были поставлены задачи: наладить выпуск особо ответственных деталей, организовать автоматизированный участок с двумя фрезерными обрабатывающими центрами, обеспечить работу участка в три смены по 8 часов в автономном режиме. Специалистами компании «Пумори-Северо-Запад» был разработан роботизированный комплекс RoboFMS, включающий в себя два пятиосевых фрезерных станка OKUMA MU-6300VA со сменщиками паллет, обслуживающего робота Fanuс R-2000iB/165F с перемещением по направляющей на полу, пал-

летный склад на 40 мест и станцию КИМ. Комплекс оснащен системой контроля периметра рабочей зоны. Принцип работы RoboFMS: • В системе управления производством (ПО ГПС) планируются задания с указанием производимых деталей и их количества в партии.

• Система управления расставляет приоритеты заданий исходя из дат и времени начала производства данной партии деталей.

• На основе заданий ПО ГПС устанавливает план-график производства и загрузки станков.

• Проверяет наличие: необходимых заготовок на складе, инструмента на станке, программы управления для станка под заданные детали.

• Согласно графику производства робот, оснащенный специальным захватом, забирает быстросменную паллету с закрепленной заготовкой и устанавливает ее на стол станка.

• С сервера загружается управляющая программа для станка.

• Станок производит механическую обработку.

• Робот забирает паллету с деталью со станка и производит установку на станцию КИМ, где выполняется измерение детали и при необходимо-

сти формируется файл погрешности для программы обработки станка.

• Если по результатам измерений деталь необходимо доработать, робот забирает паллету с КИМ и устанавливает ее в станок, запускается программа обработки с учетом сформированного файла погрешности.

• Цикл повторяется до полного выполнения программы производства.

Результат: автоматизированный участок работает уже более 3 лет; систему обслуживает 1 оператор в смену; третья смена работает в режиме безлюдного производства. ООО «Пумори-Северо-Запад» 192019, г. Санкт-Петербург, ул. Седова, д. 11, корп. 2, лит. А Тел.: +7 (812) 670-70-26, marketing@pumorinw.ru, www.pumorinw.ru

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ ФРЕЗЕРОВАНИЕ Стремление к сокращению потребления энергии в металлообработке — сегодня одно из важнейших технических требований. Современные обрабатывающие центры потребляют меньше энергии по сравнению с предшественниками и показывают большую производительность. Изначально типовой производственный процесс был разделен на предварительную и окончательную обработку, которые выполнялись на двух станках. Сегодня это делается за один этап и в два раза быстрее. При фрезеровании потребляемая мощность зависит от нескольких параметров: материал заготовки, глубина и ширина резания, скорость и подача. Совокупность этих параметров определяет сопротивление материала механической обработке и общую силу резания, возникающую во время процесса. Существует еще один важный фактор, тесно связанный с этими силами, — геометрия используемого инструмента, а точнее — это передние углы, как в нормальном, так и в осевом направлении. Передний угол влияет на тангенциальную составляющую силы реза-

ния и является основным определяющим фактором требуемой мощности, если все остальные параметры равны. Осевой передний угол влияет на разделение общей силы резания на составляющие и на величину тангенциальной силы резания в том числе. Что касается фрез с СМП, передние углы определяются формой передней поверхности и позиционированием пластины в корпусе. Считается, что механическая обработка с максимальной мощностью является эффективным средством повышения производительности. Черновое фрезерование глубоких полостей фрезами с наборной режущей кромкой или плоскостей фрезами большого диаметра и большой осевой глубиной резания, когда за проход снимается значительный припуск, — типичные примеры такого подхода. В этом случае эффективность достигается за счет удаления материала максимально возможного сечения на низких и средних подачах. В то же время другая техника чернового фрезерования предлагает противоположный принцип: быстрое движение инструмента и малая глу-

бина резания. В этом случае потребляемая мощность резко падает без потери производительности — инструмент работает с очень большой подачей, гарантируя эффективный съем металла. Эта энергосберегающая, «быстрая» технология является отличной заменой энергоемкой, «медленной» технологии с большой глубиной резания.

Передовые стратегии обработки и правильный выбор инструмента создают новые возможности для энергосбережения, когда инструмент не только режет металл, но и сокращает потребление энергии. ООО «Техтрейд» Тел.: (343) 287-00-41, 287-30-65 tools@pumori.ru, www.techtrade.su

ОБОРУДОВАНИЕ

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ШЛИФОВАНИЕ — НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ШЛИФОВАНИЕ — ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ С БОЛЬШОЙ ГЛУБИНОЙ И СВЕРХВЫСОКОЙ СКОРОСТЬЮ РЕЗАНИЯ, А ТАКЖЕ С ПОВЫШЕННОЙ ПО ОТНОШЕНИЮ К ГЛУБИННОМУ ШЛИФОВАНИЮ ПОДАЧЕЙ ИЗДЕЛИЯ, ПРИ КОТОРОЙ ЗА ЕДИНИЦУ ВРЕМЕНИ СНИМАЮТСЯ БОЛЬШИЕ КОЛИЧЕСТВА МАТЕРИАЛА БЛАГОДАРЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ.

Последние 30–50 лет активно развивается новый вид шлифования — высокопроизводительное шлифование (High performance grinding — HPG) и так называемое высокоэффективное глубинное шлифование (High Efficiency Deep Grinding — HEDG) [1]. По сути, названия процессов HPG и HEDG являются синонимами и характеризуются высокой скоростью шлифовального круга (80…250 м/с), высокой скоростью подачи (0,5…10 м/мин) и большой глубиной резания (0,1…30 мм). Этот вид шлифования достаточно точных деталей с качественным поверхностным слоем требует применения суперабразивных инструментов, что обычно приводит к очень низким значениям удельной энергии (6–15 Дж/мм3 для черных металлов) по сравнению с другими процессами шлифования. Концепция HPG была впервые предложена Гюрингом (K. Guhring) в 1967 г. [2]. Принципы и теоретические аспекты процесса HEDG были в значительной степени разработаны Вернером (P. G. Werner и др.) в 80-х годах [3, 4] и далее практически описаны и доказаны Таваколи (T. Tawakoli) в 1993 г. [5]. Позже, в 2001 г., У. Брайан Роу (W. Brian Rowe) [6] смоделировал и измерил температуру поверхности при HEDG, получив более подробные результаты. Таким образом, основоположниками разработки и изучения видов шлифования HPG и HEDG можно считать ученых Германии, Великобритании и США. В настоящее время наблюдается повышенный стойкий интерес к исследованиям процессов HPG и HEDG. Результаты обработки поисковых данных по статистике публикаций по высокопроизводительному шлифованию и по наличию в названии ключевых слов из развернутого или краткого определения HPG и HEDG на информационной платформе ScienceDirect, издательства Elsevier, показаны на рис. 1. Известно, что ресурс ScienceDirect предоставляет доступ к более чем 14 мил-

лионам публикаций, размещаемых в 2500 научных журналов, и 37 тысячам книг издательства Elsevier, а также к большому количеству журналов, которые публикуются престижными научными сообществами. Как видно из данных рис. 1, только указанный интернет-ресурс, содержащий более 25% всех мировых публикаций, позволяет определить ежедневный выход в 2019 году не менее 30 научных статей, посвященных исследованиям процессов высокопроизводительного шлифования, что говорит о высоком интересе пользователей к технологии HPG и HEDG. Целесообразно оба процесса: HPG и HEDG — называть видами глубинного высокоскоростного шлифования, т. к. это передает техническую сущность, а не маркетинговую направленность названий. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ГЛУБИННОГО ШЛИФОВАНИЯ HPG И HEDG

14

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

2019

2018

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

2005

2004

2003

2002

2001

2000

1999

1998

1997

Процессы HPG и HEDG можно рассматривать как комбинацию высокоскоростного и глубинного шлифования. Оно отличается от обычного шлифования, которое применяется после операций точения, фрезерования и др., тем, что осуществляется, как правило, за один проход и обеспечивает более высокую, чем при обычном шлифовании, скорость удаления металла и заданное качество поверхности. В таблице 1 на основании данных анализа источников [1–7] приведены сравнительные сведения по видам шлифования с высоким съемом и традиционному маятниковому. При высокой интенсивности процесса шлифования особенное внимание следует уделить тепловым аспектам процесса и их влиянию на качество обрабатываемой поверхности. На рис. 2 представлены области использования маятникового, глубин12000 ного и высокоскоростного шлифования при экономически достижимой максимальной 10000 удельной производительности [2]. По данным [2], в условиях HPG отодви8000 гается тепловой барьер и снижается опасность возникновения прижогов. Это объяс6000 няется тем, что почти все образующееся 4000 в процессе обработки тепло отводится из зоны резания со стружкой за счет превы2000 шения скорости заготовки vw над скоростью распространения тепла в обрабатываемом 0 материале. Повышение скорости инструмента при его правильном выборе снижает риск засаливаемости круга, повышает его Публикации стойкость и приводит к снижению составляющих силы резания. Известно, что рост Рис. 1. Рост публикаций по высокоэффективным видам шлифования, в частности HPG и HEDG, по данным сайта ScienceDirect скорости круга увеличивает температуру в www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ Таблица1 Технологические параметры

Традиционное маятниковое

Виды шлифования с высоким съёмом Сверхвысокоскоростное

Глубинное

Высокопроизводительное (HPG)

Высокоэффективное глубинное (HEDG)

Глубина резания, мм

0,001…0,05

0,003…0,05

0,1…30

0,1…30

0,1…30

Подача детали, м/мин

1…30

1…10

0,05…0,5

0,5…10

0,5…10

Скорость круга, м/с

20…60

100…200

20…60

80…200

Скорость съёма металла, мм3/мм•с

0,1…10

< 60

2…20

3

,

д

м м

Qу

0 00 10

00 10

0 10

.с м /м

10

Vw, м/мин 60 24 12

Высокопроизводительное шлифование HPG 60 ≤ Vкр ≤ 250 м/с

0

1,

6,0 3,6 2,4

Маятниковое шлифование 1,2 30 ≤ Vкр ≤ 45м/с

0,6

Те п

ло

во

й

ба

рь

ер

1

0, 0,24 0,12 Глубинное шлифование 30 ≤ Vкр ≤ 45 м/с

01

0,

0,06 0,024 0,012

0,006 0,01 0,02 0,04 0,1 0,2 0,4 0,6 1,0 2,0 4,0 6,0 10

20 tф, мм

Рис. 2. Границы интенсивной бесприжоговой обработки для различных способов шлифования [2] (vw — продольная подача детали, tф — фактическая глубина резания, Qуд — удельный съём)

зоне шлифования, а увеличение подачи заготовки повышает составляющие силы резания. При обычном шлифовании по мере увеличения съема температура поверхности в зоне шлифования повышается, и это часто приводит к прижогу. Однако если скорость шлифования и скорость подачи еще больше увеличиваются, температура поверхности контакта круга с заготовкой достигает пикового значения, а затем снижается, что обусловлено большим количеством энергии шлифова-

150…200 50…2000

ния, поступающей в стружку и охлаждающую жидкость вместо заготовки, как показано на рис. 3. Нагретая поверхность обрабатываемой заготовки облегчает удаление следующего элемента стружки и, таким образом, уменьшает силы шлифования. Однако прежде чем тепло может распространиться на поверхности, следующий элемент стружки удаляется, забирая тепло с собой. Критическая скорость круга, во время которой эти эффекты начинают проявляться, составляет около 100 м/с. Когда скорость круга превышает критическое значение, быстрое удаление стружки снижает температуру поверхности детали. Результаты исследования высокоскоростного глубинного шлифования, продемонстрированные на рис. 3, показывают влияние скорости круга на максимальные температуры поверхности детали при постоянном удельном съеме (100 мм3/мм•с) и большой глубине резания (6 мм). Таваколи [5] интерпретировал ситуацию с точки зрения времени контакта между абразивным зерном и обрабатываемой деталью, которое является чрезвычайно коротким в HPG и HEDG. Поскольку поверхность не находится в тепловом равновесии, тепловой импульс вначале проходит по поверхности, прежде чем проникнуть в заготовку. Рост температуры происходит при повышении скорости шлифования до 100 м/с, а дальнейшее увеличение скорости круга приводит к снижению температуры. Установленная зависимость идентична для разных характеристик шлифовальных кругов. В работе [8] на основе теоретического анализа и экспериментальных данных по высокоскоростному глубинному шлифованию были рассчитаны коэффициенты теплоотвода по различным направлениям: в заготовку, стружку, СОЖ и в абразивный круг. На рис. 4 показаны

1,00 Традиционный шлифовальный круг 300

200 Шлифовальный круг из CBN

Материал детали: 16MnCr 5 Глубина резания: t = 6 мм Удельный съём: Qуд = 100 мм3/(мм•с) СОЖ: масло Давление/расход СОЖ: 7,5 бар / 150 л/мин Диаметр круга: D = 400 мм Шлифовальный круг: 90A80Q4BH50 / 100GYB252N200G

100

0 0

60 80 100 120 140 160 180 Окружная скорость шлифования круга vкр, м/с

0,80

В стружку

В СОЖ

0,60

В деталь

0,40

В круг

0,20 0,00 0

200

Рис. 3. Влияние скорости круга vкр, на максимальные температуры θ°C при постоянной высокой скорости удаления металла и большой глубине резания [5] www.ritm-magazine.ru

Коэффициент разделения тепла

Температура поверхности детали θ,°C

400

200

400 600 800 Удельный съём, мм3/мм•с

1000

1200

Рис. 4. Зависимости коэффициентов теплоотвода от роста удельного съёма материала [8]. (Технологические параметры: Tст = 1350 °C, скорость круга — 150 м/с, диаметр круга — 200 мм, глубина резания — 5 мм, СОЖ — минеральное масло.) № 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

15

ОБОРУДОВАНИЕ

Отношение Tобр. пов /Tкон. макс

1 зависимости коэффициентов разделения тепла от роста 0° удельного съема материала [8]. Коэффициент разделения тепла в стружку увеличивается со скоростью удале0,8 ния материала и т. о. в условиях HEDG, при котором при10° меняются очень высокие скорости удаления материала, 0,6 стружка отводит большую часть тепла из зоны шлифо20° вания. Показано [8], что температура стружки Tcт име0,4 ет тенденцию стремиться к температуре плавления, т. е.

30° Tcт → 1500°C, снижая тепловой поток, поступающий в заготовку до более низкого уровня.

0,2 40° Охлаждающая жидкость особенно важна для условий глубинного шлифования при использовании низких ско0 ростей подачи, при которых более 90% тепла отводится 0,1 1 10 100 СОЖ. В условиях HEDG только 5–10% тепла, образуюЗначение числа Пекле Р'е щегося при шлифовании, отводится СОЖ. Тем не менее Рис. 6. Максимальная температура на обработанной поверхности охлаждающая жидкость в HEDG по-прежнему очень важTобр. пов. как доля максимальной температуры в зоне контакта Tкон. макс на для обеспечения адекватной смазки в зоне контакта в зависимости от различных значений угла наклона ф и критерия Пекле P'e [6] круга и заготовки, чтобы удельная энергия шлифования могла сохраняться на низком и стабильном уровне. Вклад Силовое шлифование в СССР и за рубежом нашло охлаждения также может быть полезным и даже критичеприменение при черновой обработке в металлургической ским в зависимости от выбранных условий шлифования. промышленности, инструментальном производстве при При использовании оптимального выбора параметров шлифовании канавок, пазов и т. д. процесса могут быть достигнуты очень высокие скороПринимая во внимание схему плоскопрофильного сти удаления материала при хорошем качестве поверхшлифования HEDG, изображенную на рис. 5, несколько ностного слоя, поскольку большая часть тепла отводится подробнее остановимся на тепловом аспекте этого прос помощью стружки. цесса, т. к. он является наиболее важным. Некоторые предпосылки применения процессов Большие глубины резания при HEDG обеспечивают HPG и HEDG были ранее частично изучены и у нас в большой угол наклона контакта ф между кругом и загостране [9]. Они нашли отражение при разработке метотовкой. В статье [6] W. B. Rowe обсуждается влияние угла дов силового шлифования, отличающегося высокими наклона ф источника тепла к обрабатываемой поверхноскоростями съема металла, при которых критерий Пести на температуру. На рис. 6 показано изменение доли кле, характеризующий относительную скорость съетемпературы на поверхности готовой детали до максима металла, Ре>10. Критерий Пекле определяется как мальной температуры, возникающей в зоне контакта при Ре = vд • t / a, где vд — продольная скорость перемещения увеличении угла контакта. Из представленных на рис. 6 детали в м/с; t — глубина шлифования в м; а — коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала, харакТаблица 2 теризующий скорость выравнивания Технологические и Виды шлифования температуры в м2/с. теплофизические параметры Из теории тепловых процессов в Обычное Глубинное HEDG [12] шлифование [10] шлифование [11] технологических системах известно, что если Ре>10, то источник тепла Глубина резания, мм 0,012 1 0,96 можно отнести к быстродвижущимДиаметр круга, мм 200 305 170 ся. Быстродвижущиеся источники — Рабочая скорость детали, м/с 0,3 0,0006 0,3 это источники, скорость перемеще(м/мин) (18) (0,036) (18) ния которых превышает скорость Длина контакта, мм 3,10 17,5 12,8 распространения теплоты в данном теле. При больших числах Пекле Время контакта, с 0,01 29,1 0,043 преобладающим будет конвективКритерий (число) Пекле 27 0,15 103 ный перенос теплоты.

Vw

t (ae)

ф

Шлифовальный круг

Удельная скорость съема, мм2/с

3,6

0,6

288

Удельная энергия, Дж/мм3

60

190

11,0

Удельная мощность, Вт/мм

216

114

3168

q = мощность/площадь, Вт/мм2

69,7

6,53

248

Тип абразива

СBN

Al2O3

Al2O3

Rws, подсистемы деталь — круг

0,46

0,85

0,89

эмульсия

масло

эмульсия

Tмакс с СОЖ, расчет, °C

264

236

172

Tмакс — измерение, °C

320

260

180

1

0,98

0,82

275

232

141

СОЖ Деталь

Рис. 5. Схема плоскопрофильного шлифования HEDG

16

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

Tобр. пов. макс / Tконт. макс Tобр. пов. макс, °C

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ данных видно, что по мере увеличения глубины резания и, следовательно, угла контакта энергия, поступающая в обработанную поверхность, существенно уменьшается даже при умеренно низких значениях числа Пекле. Число Пекле в этой работе определяется как P'e = (vw • lc)/4α, где vw — скорость заготовки в м/с, lc — длина контакта в м, α — коэффициент температуропроводности м2/с. В таблице 2 приведены значения технологических и теплофизических параметров различных способов шлифования [12]. Расчеты и эксперименты [6, 12] показывают, что можно добиться высоких скоростей съема и одновременно отсутствия термических повреждений. При HEDG можно достигнуть низкой удельной энергии шлифования по сравнению с обычным и глубинным шлифованием. Стружка отводит большую часть тепла, вырабатываемого в процессе шлифования. Как следует из таблицы 2, при правильно подобранных условиях HEDG можно снизить удельную энергию и добиться высоких скоростей удаления материала при низких температурах, используя высокие скорости вращения кругов и высокие рабочие скорости детали. Т.е. попытаться решить главное противоречие процесса шлифования. Преимущество большой глубины резания и высокой рабочей скорости заключается в более низкой температуре на чистовой поверхности по сравнению с максимальной температурой на контактной поверхности. Однако крайне важно, чтобы удельная энергия была снижена до очень низкого уровня и были достигнуты условия для холодного шлифования. Проведенное [12] исследование осуществлено с относительно низкой скоростью вращения круга — 55 м/с. Для HEDG применялась скорость круга до 200 м/с с использованием специальных высокоскоростных кругов из Al2O3 и CBN. На рис. 7 показано предложенное Вернером (G. Werner) [13] наглядное разграничение различных методов шлифования по глубине и скорости резания. Разделение методов носит несколько условный характер и проходит по глубине резания 0,3 мм и скорости шлифования 80 м/с. Из рис. 7 видно, что при применении супервысоких скоростей резания от >80 м/с до 250 м/с, которые используются в промышленности, глубинное шлифование превращается в высокоэффективное HEDG. Кроме того, из рисунка следует, что между обычным шлифованием

Глубина резания t, (ae), мм

100 10 1,0

Глубинное шлифование

Высокоэффективноеное шлифование (HEDG)

Обычное шлифование

Высокоскоростное шлифование

0,3 0,1 0,01

0,001

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

Скорость резания vкр, м/с Рис. 7. Сравнительное разграничение различных методов шлифования по глубине резания и скорости шлифования [13]

www.ritm-magazine.ru

300

и высокоскоростным шлифованием, с одной стороны, и глубинным — и HEDG, с другой стороны, существует открытая зона, которая характеризуется экстремальными температурами в краевой зоне заготовки и, следовательно, не имеет практического использования. Эта зона распространяется с увеличением скорости резания при шлифовании, а также увеличивается в целом при более высокой скорости детали или при более высокой производительности резания [13]. СТАНКИ ДЛЯ ГЛУБИННОГО ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ШЛИФОВАНИЯ

В настоящее время станкостроительные предприятия Великобритании, Германии, США, Китая и Швейцарии занимают лидирующие позиции в мире в области HEDG. Наиболее ярких успехов в реализации HEDG добилась фирма Holroyd (Великобритания) [15], которая выпускает станки серии Edgtek, предназначенные для обработки деталей сложной формы из труднообрабатываемых материалов. Именно эта фирма изготовила один из первых станков для HEDG. Компания Holroyd изготавливает многие виды зубчатых, червячных и винтовых передач, компрессорных и насосных винтовых роторов, детали для авиакосмической и автомобильной промышленности, а также и современное технологическое оборудование для изготовления этих передач. Фирма, по существу, является заказчиком необходимых ей станков для производства передач. Станки серии Edgtek поставляются в 3-х, 4-х или 5-осевом исполнении с соответствующей системой ЧПУ, а также оригинальной трехкоординатной системой активного контроля. Эта система может производить контроль обработанной поверхности в нескольких точках (до 500 точек) и при обнаружении отклонений от заданного положения давать команду на их коррекцию. Если отклонения превышают значения, допустимые на данном этапе обработки, то система подает сигнал оператору о необходимости правки шлифовального круга. К станкам для HEDG предъявляются особенно высокие требования по виброустойчивости, поэтому колонна и станина станков Edgtek изготовляются из полимерного гранита, обладающего исключительно высокими демпфирующими способностями. Масса станины — 3 т. Мощность электродвигателя главного привода — 27 кВт. Повышенная виброустойчивость станков серии Edgtek способствует увеличению стойкости шлифовального круга и улучшению качества обработанной поверхности детали. Частота вращения шлифовального шпинделя — до 14000 об/мин. Станки серии Edgtek различной модификации нашли применение в аэрокосмической, автомобильной, энергомашиностроительной и других отраслях промышленности. Их используют при изготовлении деталей соплового аппарата турбин, зубчатых колес, винтовых роторов, режущего инструмента и других деталей сложной формы, в том числе из порошковых сталей, керамики, инструментальной стали, стеллита и специальных сталей. По производительности станки серии Edgtek на 80% превосходят станки для обычного глубинного шлифования, а по удельной скорости съема материала — в сотни раз (50–2000 мм3/мм•с против 0,1–10 мм3/мм•с). В одном из недавних применений в Великобритании один 5-осе-

№ 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

17

ОБОРУДОВАНИЕ Рис. 8. Станок Zenith 400 компании Holroyd

Рис. 9. Рабочая зона станка Zenith 400

вой станок Edgetek заменил семь обычных фрезерных и шлифовальных станков, что позволило сократить время обработки сложной готовой детали с 8 часов до 12 минут [14]. Компания Holroyd стремиться концентрировать черновые и чистовые операции по обработке заданного профиля детали на одном станке, примером может служить Zenith 400 (рис. 8). Станок предназначен для шлифования больших роторов диаметром до 420 мм. Он дает возможность обработки спиральных изделий поочередно двумя кругами, расположенными на одном шпинделе (рис. 9). Это возможно осуществить тремя технологиями с применением обычных абразивных кругов из Al2O3 и инструментов из CBN на гальванической и керамической связках в различных сочетаниях. Станок имеет правящее устройство с возможностью использования двух правящих алмазных роликов, также смонтированных на одной оси, а также высокоскоростной шлифовальный шпиндель, обеспечивающий возможность вращения с 6200 об/мин. Станок оснащен полностью автоматизированной системой балансировки шлифовальных кругов.

Поворотная каретка станка позволяет шлифовать цилиндрические зубчатые колеса. В таблице 3 собраны конкретные технологические данные по станкам для HEDG. Представленная информация показывает разнообразие операций, материалов обрабатываемых деталей и параметров производительности. ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ ДЛЯ ГЛУБИННОГО ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ШЛИФОВАНИЯ

Как уже отмечалось, скорость круга при HPG и HEDG составляет 80…200 м/с. В работе [20] (см. таблицу 4) сформулированы преимущества и недостатки разных видов опор в высокоскоростных узлах шлифовальных станков. Одним из направлений совершенствования опор является применение подшипников на основе новых материалов, в частности нитрида кремния. Этот материал имеет невысокую плотность, высокую твердость, стойкость против износа и заклинивания, усталости и высоТаблица 3

Технологическая операция

Станок

Материал, прошедший т. о.

Скорость детали, мм/ мин

Шлифовальный круг

СОЖ расход, давление

Скорость круга, м/с

Глубина резания, мм

Съём, мм3/мм•с

Источник

Шлифование канавок сверла

Gühring NS 335

M2 (S6-5-2) 64 HRC (Р6М5-МП)

1000; 2000

B252GSS (CBN B) на гальванической связке

Масло, 120 л/мин

120

4,1

68; 136

Круглое шлифование быстрорежущей стали

Schaud B 107 N

S6-5-2; 20MoCr4 16MnCr5N

до 12000 и 50…1500 об/ мин

B151 КSS RYA V240

Масло, 200 л/мин 20 бар

90

Врезная подача

15

Шлифование инструментальной стали

Разработан Университетом Хунань

9SiCr (9ХС)

В151 80…100V

На водной основе — SY-1.

40 л/мин 80 бар

180 (макс 314)

5

5000

[17]

до 1,8

до 180

[18]

до 1,0

до 100

100; 146

1; 3; 5

до 200

150

0,5; 1

Плоское шлифование образцов титанового сплава

TC4 (Ti6Al4V) 15×15×60

6000

D120…140R100 B80…100V200

Плоское шлифование конструкционной стали

Edgetek 5-осевой с ЧПУ

51CrV4 (50ХФ) HV270-300

120…7500

В252, CBN, на гальванической связке

Круглое шлифование конструкционной стали

Edgetek 5-осевой с ЧПУ

51CrV4 (50ХФ) HV270-300 Ø 70…79

21600…24600 и продольная подача 300 мм/мин

В213, CBN, на гальванической связке

18

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

Минер. масло, 15 бар

150

[16]

[19]

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ Таблица 4 +/–

Тип подшипника Качения

Магнитный

Плюсы

Высокая статическая и динамическая жесткость. Простая структура. Низкая стоимость.

Минусы

Высокие потери на трение. Низкая динамическая жесткость. Требуется периодическое Сложная структура. техническое обслуживание. Высокая стоимость. Загрязнение из-за смазки.

Аэростатический

Высокая скорость благодаря большому зазору в подшипнике. Очень низкие потери на трение. Очень высокая статическая жесткость. Характеристики подшипника с высокой степенью управляемости. Онлайн-мониторинг состояния подшипников от датчиков подшипников.

ких температур, высокую химическую стабильность. По сравнению со сталью керамика имеет более высокую твердость, отсюда большая упругость и лучшая стойкость при повышенных температурах. Из керамики изготавливают главным образом шарики, но иногда и кольца. В Японии существуют разработки шпиндельных узлов с магнитогазовыми гибридными опорами, предназначенными для повышения точности обработки материалов. Основную нагрузочную способность несут в данном шпинделе магнитные опоры, управляемые контроллером. При этом газостатические подшипники в нем выполняют в большей степени роль страховочных опор. В качестве примера высокоскоростного шлифовального шпинделя в таблице 5 приведены технические данные по моторизованному шпинделю на аэростатических/ магнитных гибридных подшипниках [20]. На рис. 10 показана осевая жесткость шпинделя на гибридных магнитогазовых подшипниках. Как видно из представленных в таблицах 4, 5 и на рис. 10 данных, повышение скоростных возможностей подшипников производится за счет применения гибридных и специальных видов опор. ШЛИФОВАЛЬНЫЕ КРУГИ ДЛЯ ГЛУБИННОГО ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ШЛИФОВАНИЯ

Все вышеизложенное говорит о том, что успешное протекание возможно, если будет применен адекватно работающий абразивный инструмент. В первую очередь, необходимо выбрать абразивный материал по отсутствию химического сродства в паре абразив – материал

Низкая статическая жесткость. Низкая грузоподъемность.

детали, затем необходимо осуществить выбор по остроте, размерам и твердости зерен, размерам пор и выбрать важнейший показатель характеристики инструмента — связку. Для процесса HPG при рабочей скорости круга vкр < 120 м/с могут быть использованы обычные абразивные круги (корунд или карбид кремния на керамической связке), а для скоростей vкр > 120 м/с необходимо использоваться круги из CBN (КНБ). Чаще всего для HEDG в качестве инструментов выбирают суперабразивы: алмаз и CBN. CBN является вторым по твердости материалом и широко используется для шлифования сталей. Хотя CBN намного дороже, чем обычные абразивы, затраты на CBN значительно ниже из-за эффекта масштаба. CBN все чаще заменяет обычные абразивы для прецизионного шлифования закаленных сталей из-за низкой скорости износа и способности удерживать узкий допуск на размеры обрабатываемых деталей. Круги CBN на гальванической связке сыграли важную роль во внедрении HEDG. К кругам из CBN для HPG и HEDG предъявляются особые требования в отношении стойкости к разрушению и износу. Кроме того, эти круги должны обладать хорошими демпфирующими характеристиками, иметь высокую жесткость и хорошую теплопроводность. Такие инструменты обычно состоят из корпуса с высокой механической прочностью и сравнительно тонкого абразивного покрытия, закрепляемого на корпусе с помощью связки. Пригодность CBN в качестве абразивного материала для высокоскоростной обработки черных металлов объясняНа аэростатических + магнитных опорах

Таблица 5 Значение

Максимальная скорость

60 000 об/мин.

Диаметр шпинделя

40 мм.

Материал шпинделя

Пермаллой (никелевый сплав, содержащий 20–60% Fe, имеющий низкий коэффициент теплового расширения, высокую магнитную проницаемость и электрическое удельное сопротивление).

Покрытие шпинделя

Керамика с напылением.

Грузоподъемность

Осевая: 600 Н; радиальная: 400 Н.

Статическая жесткость

Осевая: 500 Н/мкм; радиальная: 100 Н/мкм.

Динамическая жесткость

20 Н/мкм при 1 кГц.

Мощность двигателя

Номинальная: 4,4 кВт; максимальная: 7,8 кВт.

www.ritm-magazine.ru

400

Нагрузка, Н

Параметр

Давление приточного воздуха 0,98 Мпа.

Высокая динамическая жесткость. Низкие потери на трение. Высокая точность вращения.

300

200 Только на аэростатических опорах

100 0 0

1

2 3 4 Осевое смещение, мкм

5

Рис. 10. Осевая жесткость шпинделя на аэростатических/магнитных гибридных подшипниках [20]. № 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

19

ОБОРУДОВАНИЕ 10000

heq = 10 мкм Удельный съём Q', мм2/c

Тип связки

Гальванические связки Qуд макс = 1000...10000 мм3/мм.с Металлические связки Qуд макс = 50...250 мм3/мм.с Керамические связки Qуд макс = 50...150 мм3/мм.с Полимерные связки Qуд макс = 50...150 мм3/мм.с

1000

Гальваническая связка Органическая связка Керамическая связка

100

heq = 1 мкм

heq = 0,1 мкм 10

1 100

150 200 250 Окружная скорость шлифования круга vкр, м/с

300

Рис. 11. Использование связок и съем для кругов из CBN при высокоскоростном шлифовании с Qуд > 50 мм3/мм•с [22]

25

50

75

100 125 150 175 200 225 250 Скорость резания vкр, м/с Рис. 12. Удельный съем Q' в зависимости от скорости круга vкр и эквивалентной толщины стружки heq для суперабразивных кругов CBN на разных связках [23]

Температура °С

ПРИМЕНЕНИЕ СОЖ ПРИ ГЛУБИННОМ ется его чрезвычайной твердостью, а также термической ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ШЛИФОВАНИИ и химической стойкостью. Высокие скорости резания и съема достигаются прежИзвестно, что применение СОЖ в шлифовальных де всего с помощью металлических связок [22] (рис. 11). станках существенно улучшает процесс резания. ОхлаОдним из методов, использующих такие системы связок, ждение способствует снижению нагрева обрабатываемоявляется гальваническое покрытие, при котором шлифого изделия, уменьшению спекания и удалению стружки, вальные круги изготавливают с однослойным покрытием а также уменьшению засаливания рабочей поверхности из абразивного зерна CBN. круга. Поэтому при использовании СОЖ применяются Круги CBN на гальванической связке сыграли важную круги более твердые (примерно на одну степень), чем роль во внедрении HEDG. Электроосажденная никелевая при шлифовании всухую. Предложения по применению связка демонстрирует высокие свойства удерживания систем СОЖ при HEDG могут быть сформулированы с зерна. Это обеспечивает высокий уровень выступания учетом рекомендаций [24]. зерна над связкой и большое пространство для стружки. Алмазные шлифовальные круги на органических Возможны скорости резания до 280 м/с. связках могут работать без охлаждения и с охлаждеОднако при высоких съемах круги из CBN на гальванием. Круги на металлических связках работают тольнической связке создают на обработанной поверхности ко с охлаждением. Для кругов на органических связках детали повышенную шероховатость, которая обусловлеприменять щелочные растворы СОЖ не рекомендуна неупорядоченными остриями из-за разной формы и ется. Следует отдавать предпочтение шлифованию с диаметра зерен. Гальванические круги CBN не считаютохлаждением, так как при шлифовании с охлажденися пригодными для правки в традиционном смысле. Тем ем шлифовальный круг меньше подвергается износу и не менее результирующая шероховатость поверхности имеется возможность применить более жесткие условия заготовки может быть управляема в узких пределах пообработки и тем самым повысить производительность средством так называемой контактной правки. Это предпроцесса. Кроме этого, уменьшается вероятность термиполагает удаление выступающих по периферии наконечческого повреждения обрабатываемой детали, то есть ников зерна из абразивного покрытия с помощью очень появления прижогов. малых шагов подачи на правку в диапазоне глубин от CBN термически устойчив в инертной атмосфере до 2 до 4 мкм, что позволяет снизить эффективную шерохо1500°C. На воздухе CBN образует стабильный слой оксиватость шлифовального круга [22]. да бора, который предотвращает дальнейшее окисление В работе [23] подтверждается определяющее влияние связок на работоспособность кругов из суперабразивов в процессах HPG и HEDG. 1800 Зависимость удельного съема от технологи1600 ческих факторов vкр, heq и материалов связки Без СОЖ Эффект от СОЖ кругов из CBN при HEDG показаны на рис.

1400 с самозатягиванием 12. Материал связки при разной толщине 1200 стружки heq, снимаемой абразивным зерном Эффект от 1000 смазывания СОЖ на различной скорости круга, оказывает су800 щественное влияние на удельный съем. Для 600 съема больших по толщине стружек требует400 Эффект от СОЖ ся соответствующий абразивный инструмент, под давлением 200 способный выдерживать большие нагрузки 0 на зерно, и открытая структура круга, обеспечивающая хорошие поры для стружки из 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Глубина резания, мм зоны контакта круга с деталью. Однослойный круг из CBN на гальванической связке обесРис. 13. Влияние смазывающего и охлаждающего эффекта СОЖ на среднюю печивает эти качества. температуру поверхности заготовки при глубинном шлифовании [25]

20

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

www.ritm-magazine.ru

Степень засорения

до 1300°C. Однако этот слой растворяется в воде, поэтому CBN изнашивается быстрее при использовании жидкостей на водной основе, чем с чистыми масляными жидкостями. Тем не менее это не мешает CBN успешно применять с СОЖ на водной основе. Из-за химико-термической деградации CBN изнашивается в пять раз быстрее, чем алмаз, при шлифовании аэрокосмических титановых сплавов. В работе [25] осуществляется моделирование термомеханических процессов при профильном глубинном шлифовании лопаток турбин ГТД, однако выводы могут быть полезны и для исследования HEDG. На рис. 13 показано влияние смазывающего и охлаждающего эффекта СОЖ на среднюю температуру поверхности заготовки. Для предотвращения засаливания круга используется подача СОЖ под высоким давлением. Разработанная математическая модель позволила автору рассмотреть отдельно влияние различных эффектов на среднюю температуру в поверхностном слое заготовки. Численный эксперимент показал, что наибольшее значение на снижение пиковых средних температур в поверхностном слое заготовки оказывает смазывающее воздействие СОЖ и гидроочистка круга. В статье [26] проведено исследование особого типа износа инструмента — засаливания и забивания пор шлифовального круга обрабатываемым материалом. Разработанная измерительная система распознает засорение рабочей поверхности круга стружкой на основе ее отражения светом и в результате обеспечивает процент засорения на единицу площади инструмента Zs. Более глубокий анализ засорения проводился с помощью портативного светового микроскопа. Как показано на рис. 14, в экспериментах по шлифованию заготовок из Inconel 718 без очистки инструмента при увеличении удельного съема металла Qуд наряду с ожидаемым увеличением сил резания F'n и F't было обнаружено непрерывное увеличение степени засорения инструмента Zs. В испытаниях с непрерывной очисткой круга и использованием плоской струйной форсунки состояние инструмента почти без засорения Zs < 1% может быть гарантировано даже при высоком относительном объеме удаления стружки Qуд до 60 мм3/мм•с. Это привело к снижению сил резания с 20% до 30% во всем диапазоне исследуемых параметров обработки. В исследованиях [26] проходили испытания три типа сопел, показанные на рис. 15.

4,0 % 2,0 1,0 0,0 180 Удельные силы резания

Без очистки

Поверхность шлифовального круга

С очисткой Без очистки

Н/мм F'n

100 60 50 40

С очисткой Без очистки F't С очисткой

30 20

20 30 40 мм3/мм.с Скорость съема металла

60

Рис. 14. Засаливание круга и удельные силы при плоском шлифовании деталей из Inconel 718 зависит от скорости съема, с гидроочисткой круга и без [26]

Плоское сопло

Роторное сопло

Игольчатые сопла

Рис. 15. Типы сопел, которые применялись в исследовании [26]

5,0

170 Удельные силы резания

Степень засорения

% 3,0

–57%

2,0

–81%

–72%

1,0

Fn'

Ft'

1,5

–24%

mm

kW

N

–23%

mm 110

Pc'

–35%

1,3

–10% 80

–11%

1,2

–18% 1,1

50

1,0

20

0,0 Плоское сопло

Роторное сопло

Игольчатое сопло

Без очистки

Плоское сопло

Роторное сопло

Игольчатое сопло

Удельная мощность резания

ОБОРУДОВАНИЕ

Без очистки

а) б) Рис. 16. Степень засорения шлифовального круга (а), удельные силы и мощность резания (б) при использовании различных конструкций насадок для чистки шлифовального круга [26]

Сравнение в процессе шлифования заготовок из Inconel 718 плоского, роторного и игольчатого сопел с точки зрения их эффективности при давлении СОЖ на выходе из сопла pd = 20 бар показало, что плоское струйное сопло имеет самый высокий эффект очистки (рис.

16). Для сравнения: использование роторного и игольчатого сопел привело к повышению степени забивания Zs шлифовального круга на 9–24% и, соответственно, привело к увеличению сил резания примерно на 10%. Отличительной особенностью HPG и HEDG является интенсификация всех технологических параметров процессов. Однако при оптимальном выборе параметров абразивного инструмента, систем подачи СОЖ и конструкции станка могут быть достигнуты очень высокие скорости удаления материала при хорошем качестве поверхностного слоя обрабатываемой детали, поскольку большая часть тепла отводится с помощью стружки. Таким образом решается главное противоречие процесса шлифования. В. К. Ермолаев, к. т.н. технический эксперт ООО «Шлифовальные станки» vad1605@yandex.ru

Литература 1. Ермолаев В. К. Современные шлифовальные станки: новые методы абразивной обработки // РИТМ машиностроения.

2017. № 10. С. 28–33.

2. Guhring K. Hochleistungsschleifen — Eine Met-hode zur Leistungssteigerung der Schleifverfahren durch hohe Schnittgeschwindigkeiten [High performance grinding — a method to increase the performance of the grinding process using high cutting speeds]. Dissertation, RWTH, Aachen (in German).

1967.

3. Werner P. G, Younis M. A, Schlingensiepen R. Creepfeed — an effective method to reduce workpiece surface temperatures in high efficiency grinding processes. In: Proceedings of 8th metalworking re-search conference SME, 1980. Pp. 312–319.

4. Werner P. Guenther. Recent advances in grinding. Advances in Metal Processing. 1981. P. 229–255.

5. Tawakoli T. High efficiency deep grinding: technology, process planning and application. Mechanical Engineering Publication, London. 1993.

6. Rowe W. B. Thermal analysis of high efficiency deep grinding.

International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2001.

41 (1):1–19.

7. CIRP Encyclopedia of Production Engineering. The International Academy for Production Engineer-ing. Chatti S., Laperrière L., Reinhart G., Tolio T. 2019. Edition: 2nd ed. Springer Berlin Heidelberg. P.1892 8. Jin T., Stephenson D. J.. Investigation of the heat partitioning in high efficiency deep grinding. International Journal of Machine Tools & Manufacture 43. 2003. Р. 1129–1134.

9. Глубинное шлифование деталей из труднообрабатывае22

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

мых материалов / С. С. Силин, В. А. Хрульков, А. В. Лобанов, Н. С. Рыкунов. — М.: Машиностроение, 1984. — 64 с., ил.

10. Black, S. C. The Effect of Abrasive Properties on the Surface Integrity of Ground Ferrous Materials, PhD thesis, Liverpool John Moores University. 1996.

11. Ohishi, S., Furukawa, Y. Analysis of Workpiece Temperature and Grinding Burn in Creep-Feed Grinding, Bulletin of JSME, 28,242, 1775–178 1. 1985.

12. W.B. Rowe, M. N. Morgan, A. Batako & T. Jin. Energy and temperature analysis in grinding. Transactions on Engineering Sciences vol 44, © 2003 WIT Press, www.witpress.com, ISSN 1743–3533.

13. Werner, G.: High-Efficiency-Deep-Grinding (HEDG) — eine neue Variante des Hochleistungsschleifens verbindet das Hochgeschwindigkeits und Tiefschleifen, Deutsche Industrieforum für Technologie, 1995 14. Holroyd Introduces New Turnkey Superabrasive Facility. GEAR TECHNOLOGY. MAY/JUNE 2004. www.geartechnology.com 15. Сайт фирмы Holroyd — https://www.holroyd.com/.

16. W. König, B. Stuckenholz. High performance grinding with CBN wheels — pre-conditions for process economy and successful application, Advanced Manufacturing Processes, 1987, 2:1–2, 105–139.

17. Guo Zongfu, Sheng Xiaomin, Xie Guizhi, Yin Dezhen, Li Wenxin.

The Process Experimental Study on High Efficiency Deep Grinding for 9SiCr Alloy Steel with a CBN Wheel. Applied Mechanics and Materials Vols. 457–458. 2014, Р. 172–176 18. Xiaomin Sheng, Li Guo, Kun Tang, Haiqing Mi, Jianwu Yu, Tao Chen. Grinding Characteristic Re-search of High Efficiency Deep Grinding for Viscous Material. Advanced Materials Research Vols 126–128 2010. Р. 88–95 19. Stephenson D. J., Jin T., Corbett J. High Efficiency Deep Grinding of low alloy steel with plated cBN wheels, Annals of CIRP 2002, vol. 51/1/2002 241–244 20. Bi Zhang. Towards High Efficiency Machining. University of Connecticut. Presentation. 2004.

21. K. Martin, K. Yegenoglu, in: HSG Technologie Ð Handbuch zur praktischen anwendung, Geuhring Automation GmbH, Stetten a. k.M. — Ffronstetten, Germany, 1992.

22. B. Stuckenholz, Das Abrichten mit kleinen abrichtzustellungen, Doctoral Thesis, Technische Hoch-schulle Aachen, Germany, 1988.

23. W. Brian Rowe. Principles of Modern Grinding Technology. 2014.

Edition: 2. P. 444.

24. Ермолаев В. К. Развитие техники подачи СОЖ при шлифовании. «РИТМ машиностроения». 2019. № 7. С. 10–16.

25. Никитин С. П. Математическое моделирование термомеханических процессов в зоне резания элементарных поверхностей при профильном глубинном шлифовании, обеспечивающее заданный предел выносливости лопаток турбин ГТД. Диссертация д. т.н. ФГБОУ ВО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева». 2019.

26. G. Antsupov, C. Heinzel. Effiziente Schleifscheibenreinigung.

Kurzfassung zum Abschlussbericht des IGF-Vorhabens Nr.: 16179N Affiliation: IWT, Bremen, Germany. 2012. www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ

О ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО РЕЗАНИЯ В СТАТЬЕ РАССМОТРЕНЫ И ПРОАНАЛИЗИРОВАНЫ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО РЕЗАНИЯ. ТАКОВЫМИ ЯВЛЯЮТСЯ: РАЗРАБАТЫВАЕМОЕ АНГЛИЙСКОЙ ФИРМОЙ TWI ГЛУБОКОВОДНОЕ РЕЗАНИЕ МЕТАЛЛОВ; УТИЛИЗАЦИЯ ОТРАБОТАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ, КОТОРОЙ УСПЕШНО ЗАНИМАЕТСЯ НЕМЕЦКАЯ ФИРМА ONET TECНNОLOGIES. ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛОВ ПОД ВОДОЙ БЫЛ СОЗДАН СОВМЕСТНЫЙ ПРОЕКТ AZULA, ПРОБЛЕМАТИКА КОТОРОГО РЕШАЕТСЯ НЕМЕЦКИМ ЛАЗЕРНЫМ ЦЕНТРОМ LZH И ФРАНЦУЗСКОЙ ФИРМОЙ ORANO.

Какие направления применения лазерного резания являются приоритетными в настоящее время и что делается и еще придется сделать для их реализации, становится понятным из статей, опубликованных европейскими фирмами, известными многолетней успешной деятельностью в лазерном резании. В настоящем тексте приведены основные достигнутые в период 2017– 2019 г г. результаты. ЛАЗЕРНОЕ РЕЗАНИЕ МЯГКОЙ СТАЛИ В ВОДЕ НА БОЛЬШОЙ ГЛУБИНЕ В 2017 г. была опубликована статья английской фирмы, названная ее авторами «TWI to Develop remote Underwater Laser Cutting for Decommissioning» (TWI разрабатывает лазерное резание под водой для разгерметизации) [1]. Основной целью этой фирмы являлась разработка технологии разгерметизации металлических конструкций, используемых на большой глубине с опасным давлением воды. Лазерное резание в такой среде должно быть дистанционно управляемым для того, чтобы избежать потребности в водолазах. В связи с этим в проекте было предусмотрено конструирование прототипа обрабатывающей аппаратуры, соответствующей лазерной технологии, которая могла бы быть эффективной для резания под водой мягкой стали толщиной 50 мм на глубине 100 метров. Заявленные толщины и сам метод проведения не могут не производить впечатления. Чтобы сделать максимальной эффективность аппаратуры, необходимо реализовать достаточную гибкость резания стали толщиной от 50 мм и до 100 мм, проводимого конкретным устройством, управляемым без ограничения геометрии резания при использовании бесконтактной лазерной обработки. Это устранит риск механического заклинивания, и тем минимизируются потери времени. За счет этого новый режим будет в четыре раза превышать возможности существующей технологии резания под водой. К тому же он понизит суточную стоимость, требуемую для работы в море. ДЛЯ ЧЕГО МОЖЕТ БЫТЬ ИСПОЛЬЗОВАНО ЛАЗЕРНОЕ РЕЗАНИЕ ПОД СЛОЕМ ВОДЫ В 2018 г. была опубликована статья «The use laser cutting under water», написанная сотрудниками Лазерного центра (LZH), находящегося в немецком городе Ганновер. [2] Приведенные в ней данные важны тем, что показывают, как развиваются применения лазерного резания, для чего они используются и каким областям экономики необходимы. Важным рассмотренным аспектом является также время процесса резания, определяющее физический стресс водолазов. www.ritm-magazine.ru

В связи с этим LZH развивает автоматизированный процесс обработки, базирующийся на лазерном резании под водой с быстрым и эффективным его проведением. По мнению сотрудников LZH, к настоящему моменту основными применениями подводного лазерного резания являются: — демонтаж дефектных листов на неплоской их поверхности; — восстановление береговых структур; — демонтаж мощных агрегатов; — разделение на части вышедших из строя кораблей; — ремонт кораблей; — подводная проходка по контуру реза. Реализация этих применений должна осуществляться использованием лазера мощностью 4 кВт. При этом скорость резания может быть равной 20 мм/с. Ассистирующий газ О2 подается в зону резания под давлением 5,5 бар. Диаметр сопла, через которое проходит излучение и подается ассистирующий газ, равен 1,7 мм. УТИЛИЗАЦИЯ ОТРАБОТАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ ЛАЗЕРНЫМ РЕЗАНИЕМ. В ноябре 2018 г. немецкая фирма Onet technologies опубликовала статью с названием «Laser Cutting Solutions for Nuclear Decommissioning» [3]. В этой статье представлена киносъемка утилизации отработавших свой срок деталей и устройств атомного реактора или процессы лазерного резания в расположенных рядом с ним зонах. Рис. 1 демонстрирует в том числе способ разрезания в среде ассистирующего газа, которым, наиболее ве-

Рис. 1. Ручное резание оператором для вывода из эксплуатации одного из устройств атомного реактора [3]

№ 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

23

ОБОРУДОВАНИЕ

LaserSnake — универсальная технология вывода ядерных объектов из эксплуатации на месте Рис. 2. Роботизированное резание детали атомного реактора [3]

Рис. 3. Роботизированное лазерное резание с программным управлением для вывода из эксплуатации резание мощным лазером труб из нержавеющей стали, использованных в устройствах атомных станций [3]

роятно, является сжатый воздух. При этом устройство подачи излучения и этого газа в зону резания крупного устройства, предназначенного для атомного котла, находится в руках оператора, защищенного от воздействия радиации специальным костюмом. Он управляет направлением перемещения выходящего из сопла излучения и газа по нужному контуру резания и расстоянием между соплом и деталями. На рис. 2 и 3 показано лазерное резание деталей атомного реактора, проводимого с использованием программно управляемого робота. Немецкая фирма использовала не только свои кадры киносъемок резания деталей, но и те, которые были получены английской фирмой TWI. Ниже показан только отдельный кадр этих киносъемок, демонстрирующие различные способы резания. В целом они не нуждаются в каких-либо комментариях. СОВМЕСТНЫЕ ПРОЕКТЫ ЕВРОПЕЙСКИХ ФИРМ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО РЕЗАНИЯ ПОД ВОДОЙ Исследования, проводимые до 2019 г., показали, что одним из основных применений лазерного резания под 24

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

водой является решение проблем атомной энергетики, заключающихся в необходимости разборки ее многочисленных различных устройств, выработавших допустимое время их эксплуатации. Видимо, исходя из этого, в 2019 году появилось сообщение о совместном проекте AZULА немецкого центра LZH и французской фирмы Orano (Париж), спонсируемого Федеральным министерством образования и научных исследований. Гарантом и координатором проекта является Общество безопасности установок и реакторов (GRS, Koln, Germany). Постановка данного проекта определяется, наиболее вероятно, тем, что в мировой практике предполагается увеличение числа использования атомных реакторов до 76 [4]. Для аналитического рассмотрения в настоящем тексте написанной сотрудниками LZH статьи с названием «Feasibility study tackles effective beam setting under water» приведен типичный пример применения лазерного резания элементов атомных реакторов, производимого под водой [5]. Как проводится такое резание, демонстрируют фото на рис. 4. В этой статье сообщается два характерных для данного времени фактора. Первый из них заключался в том, что Лазерный центр в Ганновере (LZH) совместно с www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ

Рис. 4. Лазерное резание под водой расширяет возможности демонтажа ядерного реактора [5]

Институтом металловедения из Ганноверского университета имени Лейбница совместно разрабатывают базирующийся на лазере процесс автоматизированного резания листов штабелированного металла [5]. Вторым важным фактором является то, что такое резание имеет широкий спектр использования. Например, к нему относятся листы, ограждающие зону побережья для ее укрепления, или их используют для высушивания такой зоны, необходимого для ее ремонта. Если эти листы демонтированы, то на их поверхности использованием подводного резания надо вырезать маленькие полоски. Притом водолаз должен в день разрезать 20 метров, что соответствует скорости 0,7 м/мин. В проекте с названием LuWaPro указанные фирмы разработали процесс такого резания с использованием дискового лазера. Притом водолазы должны выполнять только надзорную роль. Такая обработка может быть применена на разделенных металлических листах с обычной толщиной, равной 10 мм, на скорости 0,9 м/мин. Научные сотрудники LZH контролируют ее совместно с партнерами по проекту и также с сотрудниками фирмы Laser on Demand GmbH и организации Unterwassertechnikum Hannover (UWTH). Е.Д. Вакс, М. Н. Миленький НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ»

Литература 1. С татья сотрудников английской фирмы TWI «TWI to Develop remote Underwater Laser Cutting for Decommissioning», 2017 г.

2. Статья сотрудников немецкого лазерного центра LZH «The use laser cutting under water», 2018 г.

3. Статья сотрудников немецкой фирмы Onet technologies «Laser Cutting Solutions for Nuclear Decommissioning», 2018 г.

4. Сообщение немецкого лазерного центра LZH и французской фирмы Orano, 2019 г.

5. David Belforte «Feasibility study tackles effective beam setting under water», Industrial Laser Solutions. MARCH/APRIL 2019. Р.6.

www.ritm-magazine.ru

№ 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

25

ОБОРУДОВАНИЕ

ВЫБОР СИЛОВОГО ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКОГО ОБЪЕКТИВА ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНЫХ УСТАНОВОК СО СКАНИРОВАНИЕМ ПУЧКА МОГУТ БЫТЬ ЗАМЕТНО УЛУЧШЕНЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИХ СИЛОВЫХ ОБЪЕКТИВОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НА ОБРАБАТЫВАЕМОМ ИЗДЕЛИИ ПОТОКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ, ДОСТАТОЧНЫХ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО УДАЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА. В СТАТЬЕ ОСВЕЩАЮТСЯ ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, А АНАЛИЗ ОШИБОК ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПУЧКА ПОЗВОЛЯЕТ СДЕЛАТЬ ОПТИМАЛЬНЫЙ ВЫБОР ЭТОГО СЛОЖНОГО И ДОРОГОСТОЯЩЕГО УСТРОЙСТВА.

Системы преобъективного сканирования широко используются в лазерных технологических комплексах, предоставляя пользователю сочетание высоких скоростей позиционирования и повторяемости траекторий. Несмотря на принципиальное отсутствие возможности воспроизведения абсолютных координат, обусловленное нелинейностью сканера и дисторсией оптической системы [1], такие решения остаются весьма востребованными при создании прецизионных лазерных технологических установок (ЛТУ) для наукоемких отраслей промышленности. Помимо хороших эксплуатационных характеристик это определяется их хорошей ценовой доступностью. Опыт нашей компании показывает, что при надлежащей калибровке поля сканирования ошибка воспроизведения абсолютных координат на плоскости может быть сведена к 0,01% от полного размера поля сканирования, что вполне удовлетворяет текущие требования к большинству технологических процессов. Однако в ряде применений, в частности серийной прецизионной обработке, 3D-обработке, наклонное падение пучка на обрабатываемую деталь приводит к заметным ошибкам, связанным с конечной величиной характерной длины каустики сфокусированного пучка в сочетании с неточной наводкой на фокус. Очевидно, что эти ошибки могут быть в значительной степени уменьшены за счет уменьшения угла падения лазерного пучка на обрабатываемую деталь. Применительно к лазерной обработке оптические системы (ОС), обеспечивающие в идеале нулевые, а на практике малые углы главных лучей всех пучков в пространстве изображений, называются телецентрическими (ТЦ). Специфика оптической конфигурации таких ОС заключается в том, что входной зрачок ОС располагается в ее переднем фокусе [2–5], рис. 1. Н

f

L

Н'

f'

yi

a)

Реализация расположения одного из зрачков в одном из фокусов ОС достаточно легко достигается в случае четкой локализации зрачка. Например, в ТЦ-объективах для машинного зрения в заднем фокусе ОС располагается ее выходной зрачок, что обеспечивает параллельность всех главных лучей в пространстве предметов. Это позволяет избавиться от перспективы при визуализации объекта, правда, сложность таких ОС существенно возрастает. Однако в силовых объективах для систем двухкоординатного сканирования строгое совпадение переднего фокуса с входным зрачком невозможно. Подробнее эта ситуация иллюстрируется на рис. 2. Осцилляция сканирующих зеркал дает неопределенность положения входного зрачка ЕР, примерно равную расстоянию между зеркалами m1 — m2. Это расстояние определяется размерами зеркал сканера и достаточно велико. При одинаковых углах θ на входе в оптическую систему линейные размеры совокупности пучков, распространяющихся от сканера, заметно различаются по ортогональным осям системы координат (xOS, yOS), связанной с линзой и становятся одинаковыми только в ее фокусе. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИЛОВЫХ ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТИВОВ Таким образом, при описании ОС для лазерной технологии их принадлежность к классу телецентрических yi д) в)

б)

yOS

yS

EP L f

f'

Н'

б)

xS

yi

EP

Рис. 1. Схематическое изображение а) обычного и б) телецентрического F-Theta-объективов

26

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

xOS xL = m1θ │yL│ = m2θ f'

m2

Ymax ≈ f'θmax Z

–θmax

θx = θy = θ

xi = f'θ

г)

0OS a)

xi

│yi│ = f'θ

Ymax ≈ f'θmax

–θmax

Z 0i

Ideal Lens, f'

Z

Н

ΨTEx = 0

ΨTEy ≠ 0

EP

m1

Рис. 2. Геометрическая иллюстрация распространения пучков в двухзеркальном сканере с идеальной линзой. Выноски показывают диаграммы пучков в различных сечениях сканера, а) и б) — на зеркалах, в) — на входной поверхности объектива, г) — между объективом и плоскостью фокусировки, д) — в самой плоскости. www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ

Таблица 1. Параметры некоторых силовых ТЦ-объективов Фирма

Тип

λ, мкм

EFL, мм

WD, мм

Ø Вх. пучка, мм

Длина по оси, мм

Ø Оптики, мм

S4LFT7400

SO

T

0,35+1

398

161

20

292

112

7

70

0,4

0,025

S4LFT4175/173

SO

T

0,4

170

192

10

143

98

14

60

0,6

0,029

S4LFT0075/094

SO

T

0,9

77,5

105

10

45

40

10

19

0,9

0,065

S4LFT5165/126

SO

T

1

163

194

10

128

120

19

75

0,9

0,031

JENar 125-355-75 (FS)

JO

T

0,35

125

164

10

123

90

9

53

1

0,040

TSL-1064-126-216A

WO

T

1

216

301

15

213

202

24

126

1

0,035

TSL-1064-140-220-V1

WO

T

1

220

290

15

221

222

25

140

1

0,034

S4LFT5256/075

SO

T

0,35

257

145

6

174

128

14

86

1

0,012

S4LFT0058/121

SO

T

0,53

53

53

6

41

40

12

15

1,1

0,056

JENar 55-355-21 (FS)

JO

T

0,35

56

60

8

69

75

6

12

1,1

0,072

S4LFT0053/094

SO

T

0,9

57

70

10

56

36

10

14

1,2

0,088

S4LFT0062

SO

T

0,6–1

60

53

5

54

27

8

14

1,2

0,041

S4LFT0058/126

SO

T

1

56

58

10

41

40

12

16

1,3

0,088

S4LFT0061/065

SO

T

0,4–0,6

60

76

5

49

38

15

22

1,3

0,041

S4LFT7010/450

SO

T

1

100

115

10

99

72

14

35

1,4

0,050

S4LFT4110/173

SO

T

0,4

111

158

6

86

104

24

63

1,4

0,027

S4LFT0055/121

SO

T

0,53

59

72

10

58

46

14

20

1,5

0,085

S4LFT3050/328

SO

T

1

60

82

6

40

39

14

20

1,5

0,050

S4LFT4127/328

SO

T

1

125

158

15

108

91

17

50

1,5

0,060

S4LFT5365/126

SO

T

1

163

198

20

115

131

19

73

1,5

0,061

JENar 55-355-21 (FS)

JO

T

0,35

56

60

6

69

75

8

16

1,6

0,054

S4LFT4031/328

SO

T

1

33

29

10

40

27

15

6

1,8

0,152

Scan50/25-1

LC

T

1

53

60

10

36

40

10

18

1,8

0,093

S4LFT1095/121

SO

Т

0,53

88

107

16

66

73

15

32

1,9

0,091

TSL-1064-73-163B

WO

Т

1

163

197

10

124

122

19

73

2

0,031

Scan140/120-1

LC

Т

1

144

180

12

125

130

18

85

2

0,042

4401-561-000-26

QiE

Т

1

105

137

14

12

43

2,1

0,066

S4LFT5100/126

SO

Т

1

108

138

12

87

122

27

69

2,1

0,056

S4LFT3301/328

SO

Т

1

318

506

15

248

190

18

137

2,1

0,024

S4LFT6125/126

SO

Т

1

99

115

25

80

103

17

40

2,5

0,126

Scan60/40-1

LC

Т

1

63

82

10

38

50

14

30

2,7

0,075

Scan95/80-1

LC

Т

1

96

115

10

80

95

18

57

2,7

0,05

4401-513-000-26

QiE

Т

1

167

219

20

15

84

3,3

0,060

JENar 115-515-540-71 (FS)

JO

Т

0,53

115

146

14

74

90

9

50

3,7

0,061

Scan100/85-1

LC

Т

1

99

128

10

57

80

18

60

4,7

0,05

JENar 102-515-540-75

JO

Т

0,53

102

133

15

61

110

22

53

4,9

0,074

S4LFT3161/292

SO

Т

0,53

164

219

10

98

110

23

90

4,9

0,031

JENar 125-1030-1080-80

JO

Т

1

125

155

15

58

110

19

57

5,1

0,060

S4LFT0063/126

SO

S

1

63

75

8

36

49

24

36

5,4

0,063

JENar 160-1030-1080-110

JO

Т

1

160

184

14

100

110

10

78

5,4

0,044

JENar 108-515-540-75

JO

Т

0,53

108

130

15

55

90

20

53

5,6

0,069

JENar 255-1030-1080-160

JO

S

1

255

303

20

97

110

18

114

7,4

0,039

JENar 100-515-540-90

JO

S

0,53

100

95

10

70

80

27

64

7,8

0,050

S4LFT0101/126

SO

S

1

100

111

10

40

63

22

55

10

0,050

S4LFT0192/126

SO

S

1

191

221

20

58

120

26

125

12

0,052

S4LFT1163/081

SO

S

0,53+1

163

160

12

83

91

25

102

13

0,037

S4LFT0299/094

SO

S

1

295

340

20

72

122

24

175

14

0,034

S4LFT0116/126

SO

S

1

100

112

7

29

43

26

65

14

0,035

S4LFT0162/126

SO

S

1

160

180

8

25

49

25

100

17

0,025

S4LFT0655/449

SO

S

1

648

560

20

115

121

24

410

23

0,015

Модель

Опт. угол ± град

Кв. Поле, мм

TE

NAi

Фирма: SO — Sill Optics GmbH & Co. KG, Wendelstein, Germany; JO — Jenoptik AG, Jena, Germany; WO — Wavelength Opto-Electronic, Singapore; QiO — Qioptiq — Excelitas International; LC — ООО «Лазерный Центр», Россия. Тип: T — телецентрический, S — стандартный, λ — округленное значение длины волны, EFL и WD — фокусное и рабочее расстояния, TE — отклонение от телецентричности, NAi — выходная апертура. www.ritm-magazine.ru

№ 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

27

ОБОРУДОВАНИЕ трактуется весьма произвольно и включает в себя объективы с углами падения лучей на изделие, не превышающими нескольких градусов. Параметры некоторых ТЦ-объективов, выпускаемых лидирующими производителями оптики, отсортированные в порядке возрастания отклонения от телецентричности, приведены в таблице 1, [6–9]. Для сравнения в нескольких последних строках таблицы даны параметры обычных F-Theta-объективов. Расшифровка наименований столбцов находится в подвале таблицы. Разница в дизайне ТЦ-объективов, обусловленная рабочей длиной волны, не является принципиальной. Увеличение дифракционного размера пучка с увеличением длины волны приводит к тому, что по сравнению с ОС, предназначенными для фокусировки излучения на основной частоте, ОС, работающие с излучением второй и третьей гармоник, имеют в среднем на один и, соответственно, на два-три компонента больше. Последнее связано с тем, что для ОС, работающих в УФ-диапазоне, нельзя использовать стекла с высоким показателем преломления ввиду плохого пропускания. Однако эти различия не оказывают заметного влияния на дизайн ОС. Из таблицы 1 видно, что в градацию «ТЦ» попадают системы с выходными углами вплоть до 5,5°. В то же время сложность и массогабаритные характеристики ТЦ-объективов, определяющие их стоимость, драматически зависят именно от заявляемого максимального отклонения от телецентричности. Если ограничиться величиной ΨTE в 2,5°, то усредненные сравнительные характеристики ТЦ и стандартных объективов могут быть сведены в таблицу 2. В таблице 2 показаны следующие неочевидные моменты: — При постоянном размере входного пучка замена стандартного объектива телецентрическим с тем же полем обработки ведет за собой четырехкратное снижение яркости пучка. Действительно, сохранение поля требует двукратного увеличения фокусного расстояния, соответственно, в два раза увеличивается размер пучка в фокусе и в четыре раза уменьшается яркость.

— Телецентрический объектив, обеспечивающий эквивалентные яркостные характеристики и сохранение размера поля обработки, в сравнении со стандартным объективом, имеет в среднем в 25–30 раз худшие массогабаритные характеристики. Разница в массогабаритных характеристиках оценивается следующим образом: для равенства полей фокусное расстояние ТЦ-объектива должно в 2 раза превышать фокусное расстояние стандартного. При этом длина ТЦ-объектива будет в 6 раз (2×0,87/0,3), а диаметр оптики в 4 раза (2×0,8/0,4) больше, чем у объектива со стандартными характеристиками. Дополнительный вклад в ухудшение массогабаритных характеристик вносится двукратным увеличением размера входного пучка, необходимым для сохранения выходной апертуры фокусировки.

— Увеличение стоимости телецентрических объективов по сравнению со стандартными в основном следует за увеличением массогабаритных характеристик и может достигать тех же 25 раз. Например, объектив TSL1064-126-216A весьма бюджетной компании Wavelength Opto-Electronic с максимальным отклонением от телецентричности 1° стоит 10000$ и имеет габариты [диаметр× длина по оси] = 270×213 мм и массу порядка 11 кг. Стандартный же объектив той же компании с отклонения 28

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

Таблица 2. Сравнительные характеристики ТЦ и обычных (СТ) объективов Параметр

ТЦ (Т)

СТ (S)

0,4 – 0,5

1,0

0,5 – 1

1,1 – 1,4

Отношение длины объектива к диагонали поля

1,86

0,34

Отношение длины объектива к фокусному расстоянию

0,87 – 1

0,3 – 0,4

Отношение диаметра оптики к фокусному расстоянию

0,8

0,4

Отношение выходных и входных углов

0,1

0,6

0,015 – 0,15

0,015 – 0,05

Отношение диагонали поля к фокусному расстоянию Отношение рабочего расстояния к фокусному

Числовая апертура Количество линз на апертуру 0,01

1,5 – 2,5

1 – 1,5

Пропускание на рабочей длине волны

90 – 95

96 – 99

от телецентричности 20°, имеющий равные остальные параметры, предлагается за 200–300$ и имеет массу 0,6 кг. Следует также добавить, что большее количество оптических элементов в ТЦ-объективе приводит к большему поглощению лазерного излучения, поэтому в таких объективах при эквивалентной средней мощности лазерного излучения сильнее проявляются термооптические эффекты смещения фокуса и деградации качества пучка. СХЕМОТЕХНИКА СИЛОВЫХ ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТИВОВ Нормальное падение пучков на обрабатываемую плоскость может быть достигнуто с помощью многочисленных оптических конфигураций [3, 5, 10–12]. Ряд базовых принципов организации ТЦ-объективов рассматривается ниже и иллюстрируется рис. 3. На нем приведены реальные ОС с учетом масштаба. Для удобства сравнения все ОС имеют фокусное расстояние EFL = 100 мм, а зеркала сканера отклоняются на ±9°, обеспечивая квадратное поле маркировки со стороной FRCT = 60×60 мм с примерно одинаковым отклонением от телецентричности. Напомним, что фокусное (EFL) и рабочее (WD) расстояния любой реальной ОС являются связанными, но отнюдь не эквивалентными величинами. WD и передний отрезок отсчитываются от поверхностей оптических компонентов, а фокусные расстояния — от виртуальных главных плоскостей H и H'. В уникальных системах EFL и WD могут различаться в десятки раз, но в ОС лазерных технологических установок эта разница не превышает полутора-двух раз. Очевидно, что для технологических установок предпочтительно использовать объективы с максимально возможной величиной WD. Это отдаляет оптику от зоны взаимодействия излучения с веществом, уменьшая ее загрязнение продуктами эрозионного факела. Тем не менее простейшим методом уменьшения отклонения от телецентричности является введение толстого мениска с небольшой оптической силой, расположенного на сравнительно небольшом расстоянии от плоскости изображения, рис. 3а. Такой мениск попутно является эффективным корректором кривизны поля. До-

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ H'

EFL

FRCT ≈ 0,6 EFL

H

m 1500g TOS ≈ (1,5 – 2) EFL

DOS ≈ (0,85–1)EFL

EFL

a)

WD ≈ 0,5 EFL

FRCT ≈ 0,6 EFL

DOS ≈ (0,9–1)EFL

TOS ≈ 0,8 EFL

FRCT ≈ 0,6 EFL

m 550g

DOS ≈ (0,8–0,9)EFL

б)

WD ≈ (1 – 1,1) EFL

в)

m 270g TOS ≈ 0,6 EFL

WD ≈ 1,25 EFL

Рис. 3. Некоторые базовые принципы организации ТЦ-объективов. а) Объектив с толстым мениском (ΨTE ≤ 6.5°). б) Объектив с разнесенными компонентами (ΨTE ≤ 3.7°). в) Объектив с концентрическими и апланатическими менисками (ΨTE ≤ 5°). Оптические параметры объективов одинаковые.

TOS и DOS — аксиальная толщина и максимальный диаметр линз. Под сканером дана масса линз объектива.

стоинствами этого подхода является простота выбора стартовой точки расчета ОС. Толстые оптические компоненты позволяют уменьшить кривизны поверхностей, что делает ОС мало чувствительной к ошибкам изготовления компонентов и их сборки. Очевидным недостатком таких систем являются уменьшенное рабочее расстояние и большие габариты, а компоненты ОС неразумно материалоемки. Осевая толщина таких ОС достигает двух фокусных расстояний, а рабочее расстояние весьма скромное — всего лишь порядка половины фокусного. Увеличение рабочего расстояния и уменьшение материалоемкости ОС достигается увеличением воздушных промежутков между компонентами, рис. 3б. При этом технологическая сложность системы возрастает, однако требования к точности изготовления компонентов и их юстировки остаются разумными. Дальнейшая компактизация ОС и увеличение отношения WD/EFL может быть реализована с применением нескольких концентрических и апланатических компонентов, рис. 3в. Именно такие ОС показывают наилучшее оптическое качество при компьютерном расчете. Однако в реальности оно может существенно ухудшаться за счет несоблюдения очень строгих допусков на изготовление и позиционирование компонентов. Стоимость ТЦ определяется в основном его оптическими параметрами и практически инвариантна к конкретной конструкции. Для простых ОС она увеличивается за счет материалоемкости, для сложных — за счет технологических сложностей изготовления.

www.ritm-magazine.ru

ОШИБКИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ, ВЫЗВАННЫЕ НАКЛОННЫМ ПАДЕНИЕМ ПУЧКА Таким образом, выбор ТЦ-объектива для ЛТУ не является тривиальной задачей. Помочь в ее решении могут некоторые простые оценки. Они делаются в приближении гауссова распределения интенсивности во входном пучке и дифракционного качества оптической системы. Такое приближение весьма разумно, так как именно такие компоненты используются при создании ЛТУ для прецизионных применений. Некоторым отклонением профиля реальных пучков от гауссова (М2 = 1,2–1,5) мы пренебрегаем. Искажение каустики пучка и учет остаточных аберраций ОС ввергает нас в область сложного компьютерного моделирования и сводит на нет наглядность результатов, не увеличивая драматически их справедливость. Как упоминалось выше, основными причинами снижения точности позиционирования пучка являются конечная длина каустики сфокусированного пучка и/или конечная толщина обрабатываемого объекта в сочетании с неточностью наводки на фокус и его смещением за счет термооптических эффектов. Сила проявления этих эффектов связана с фокусным расстоянием ОС, которое, в свою очередь, определяет все ее остальные параметры, как показано в таблице 2. В дальнейших оценках в качестве аргумента удобнее выбрать выходную апертуру ОС, примерно равную половине отношения диаметра входного пучка к фокусному расстоянию, NAi ≈ DLAS (2f')–1. Для описанных приближений 1/е2-диаметр перетяжки в фокусе ОС с такой апертурой равен 2ω0 = 2λ(NAi)–1. Оценка длины каустики обычно имеет вид рэлеевской длины, показывающей расстояние вдоль оси, на котором размер пучка увеличивается в √2 раз, zR = λ(NAi2)–1. Для прецизионных применений эта оценка, допускающая двукратное уменьшение яркости в зоне взаимодействия, является чрезмерно грубой и ее целесообразно усилить, записав как

2zE = 2λ(NAi2)–1 √(ωE / ω0)2 – 1, (1) где ωE — размер пучка, увеличенный до такой величины, которая практически не влияет на скорость удаления материала. Двойка в оценке учитывает симметрию гауссова пучка относительно перетяжки. Обычный диаметр выходного пучка маломощного импульсного волоконного лазера, излучающего вблизи 1000 нм, равен примерно 8 мм, поэтому диапазону фокусных расстояний объективов из таблицы 1 соответствуют выходные апертуры от 0,1 до 0,01, что дает значения 2zE от 0,02 до 2 мм для отношения ωE / ω0 = 1,05. Для 10% отклонения размера пучка эти длины возрастают примерно в √2 раз. Длина 2zE, которую можно назвать эффективной длиной каустики, является диагональю треугольника, один из катетов которого равен ошибке осевого позиционирования поверхности объекта ∆z, рис. 4. Второй катет представляет собой ошибку воспроизведения координат, при малых углах равную │ξ2 – ξ1│= zE ΨTE , так что окончательное выражение для ошибки имеет вид 2δξ = 2(λ–1) ΨTE √(ωE / ω0)2 – 1 (NAi2)–1 (2) В оценке (2) зависимости ошибки от угла падения и выходной апертуры очевидны. Сложнее дело обстоит с учетом величины под корнем. Из нашего опыта следует, что 5% увеличение размера пучка практически не влияет на скорость удаления материала, что является позитивным фактором с точки зрения самого процесса. Однако эта инвариантность приводит к тому, что, например,

№ 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

29

ОБОРУДОВАНИЕ 2δξ, μm 100

ΨTE

40 20

ΨTE∑

10

2

1,5° 1,0°

0.2

0,5°

30

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

0,03 133 50

0,04 100 35

0,07 57 20

0,05 80 28

0,1 Вых. Аперт 40 EFL, mm 2X, mm 14

Рис. 5. Зависимость ошибки позиционирования от выходной апертуры для объективов с различным отклонением от телецентричности для ωE / ω0 = 1,05. Под осью апертур для справки приведены фокусные расстояния ОС для диаметра входного пучка 8 мм и примерная длина стороны квадратного поля сканирования, соответствующая таким EFL. Длина волны 1064 нм.

I

I

T

LID

T

подачей поверхности изделия вверх-вниз относительно каустики пучка (между положениями «1» и «5»). Удаление материала изделия начинается в положении «1», когда интенсивность излучения (IT) превышает порог разрушения (LIDT). Опытный оператор ЛТУ может определить, что процесс проходит еще не оптимально. Но он теряет возможность этого определения при наводке между положениями «2» и «4», когда на поверхности изделия лежит часть каустики внутри ее эффективной длины 2zE, а размеры пучка превосходят минимальный всего на несколько процентов. Таким образом, после наводки начало формирования выборки глубиной h и поперечным размером ξ0 путем сканирования пучка по плоскости с одновременной подачей изделия вверх (показано стрелкой) начинается из любого положения внутри 2zE. Заканчивается же процесс формирования выборки только тогда, когда интенсивность пучка снова уменьшается до порогового значения (положение «5»). Таким образом, ошибка изготовления выборки может как превышать ошибку начальной установки (наводка на фокус с недофокусировкой), так и быть несколько меньше ее (наводка с перефокусировкой). Более детальный анализ формирования ошибки затруднителен ввиду того, что по-

A

при серийной обработке поверхность каждого объекта по-разному позиционируется относительно перетяжки. Это вызвано тем, что формально одинаковые объекты отличаются друг от друга на величину допусков на изготовление. Сюда надо добавить неточность подачи, попадание пыли в зазор стол–изделие и т. п. На первый взгляд перечисленные погрешности не кажутся существенными, но, как будет показано ниже, речь идет об ошибках микронного масштаба. Для сканирующих систем процесс наводки на фокус представляет собой совмещение поверхности наилучшего фокуса ОС с поверхностью изделия. Эти поверхности являются плоскими только в идеальном случае. Еще с меньшей вероятностью эти плоскости параллельны. Таким образом, процесс точной наводки на фокус превращается в сложнейшую задачу, решение которой требует эквивалентно сложной оптикофизической аппаратуры. На сегодняшний момент автору не известны приборные реализации таких систем, дающих необходимую точность. Можно предположить, что в случае появления их стоимость может конкурировать со стоимостью самой ЛТУ. В связи с этим операторы обычно используют собственные приемы наводки, заключающиеся в основном в реализации одного и того же процесса с расфокусировкой в обе стороны при интенсивности пучка, слегка превышающей порог разрушения материала объекта. Очевидно, что такие методы наводки не в состоянии обеспечить необходимую точность хотя бы за счет существования термоиндуцированного смещения фокуса. Кроме того, описанная методика является разрушающей, поэтому возможность ее применения весьма ограничена. И, наконец, она чрезвычайно времязатратна. Поэтому оценка ωE / ω0 = 1,05 является, скорее, оптимистичной. Совместное действие трех параметров показано на рис. 5. В пределах фиксированного ΨTE увеличение выходной апертуры линейно уменьшает поперечный размер перетяжки, что, в свою очередь, квадратично уменьшает ее длину и абсолютное значение ошибки позиционирования. В свою очередь, при фиксированной апертуре ошибка линейно следует за величиной ΨTE. Для 10% отклонения размера пучка все значения на рис. 5 возрастают в √2 раз. При переходе к процессам 3D-обработки принцип формирования геометрии ошибки сохраняется, но становится более сложным, рис. 6. Предварительная наводка на фокус осуществляется

0,02 200 70

E

0,01 400 140

0

2z

0

δξ –

δξ +

I

Рис. 4. Возникновение ошибки позиционирования при наклонном падении пучка

2,0°

0.4

T

ξ2

1

I

∆z

3,0° 2,5°

I

0

0

A

R

2z

2z E z

2ωE 2ω0 ξ1

5,0° 4,0°

4

2√2ω0

ξ0

h

Рис. 6. Ошибки формирования ступеньки за счет неточной наводки на фокус в сочетании с действием разрушающего «хвоста» каустики. Красной заливкой показана интенсивность пучка. www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ роги разрушения различных материалов лежат в очень широком диапазоне интенсивностей. Однако видно, что тренд этой ошибки качественно совпадает с поведением графиков на рис. 5. КРАТКИЕ ВЫВОДЫ Из сделанных оценок следуют ожидаемые, но не слишком оптимистические выводы. Эффективная длина перетяжки в высокоапертурных объективах мала, и опытный оператор ЛТУ может судить об оптимальности процесса на основе собственных методик. При грубых же ошибках позиционирования процесс не проходит вовсе за счет недостаточной интенсивности. Поэтому при обработке полей с размерами 10–20 мм объективами с фокусными расстояниями 40–60 мм суммарные ошибки едва ли будут превышать единицы микрометров при отклонениях от телецентричности вплоть до 5°. Это позволяет использовать в таких ЛТУ относительно бюджетные объективы умеренной сложности. Наоборот, при обработке полей с размерами порядка 100 мм ошибки в десятки микрометров сохраняются даже при использовании объективов с очень малыми отклонениями от телецентричности. Стоимость таких объективов с трудом поддается оценке, и в любом случае будет составлять ощутимую долю от стоимости ЛТУ в целом. Таким образом, создание ЛТУ на базе ТЦ-объективов с большим полем обработки требует серьезного технико-экономического анализа. Вероятно, что бюджет таких установок может соперничать с бюджетом систем, построенных по принципу Infinite Field Of View (IFOV), в которых позиционирование пучка осуществляется единственным вектором, описывающим комбинацию линейного перемещения объекта обработки и углового перемещения сканирующих зеркал. Владимир Игоревич Юревич, к.ф.-м.н. ООО «Лазерный Центр», e-mail: optic@newlaser.ru

Литература 1. V. I. Yurevich et al., «Optical design and performance of F-Theta lenses for high-power and high-precision applications», Proc.

SPIE 9626, 96261S (2015).

2. M. J. Kidger, Intermediate Optical Design, SPIE Press, Bellingham, Washington (2004).

3. W. J. Smith, Modern Lens Design, McGraw-Hill, New York (2005) 4. R. Kingslake and R. B. Johnson, Lens Design Fundamentals, 2nd ed., SPIE Press, Bellingham, Washington (2010).

5. M. Laikin, [Lens Design], 4th ed., CRC Press Taylor & Francis Group, Boca Raton, London & NY, 480 (2007).

6. Sill Optics GmbH & Co. KG, «F-Theta lenses», https:// www.silloptics.de/en/products/laser-optics/f-theta-lenses-1 (10.05.2020) 7. Jenoptik, «F-Theta Lens for Laser Material Processing Applications», https://www.jenoptik.us/products/opticalsystems/objective-lenses-for-high-precision-laser-materialprocessing/f-theta-objective-lenses (10.05.2020) 8. Wavelength Opto-Electronic, «F-Theta Scan Lens», https:// wavelength-oe.com/products/laser-optics/f-theta-scan-lens (10.05.2020) 9. Excelitas International, «Laser Optics: LINOS Laser Material Processing Optics», https://www.excelitas.com/productcategory/linos-laser-material-processing-optics (10.05.2020) 10. Patent EP 1 081 525 A2, «F-theta lens», Fuse, Keiji, Sumitomo Electric Industries, Ltd., Konohana-ku, Osaka (JP), Priority: 10.08.1999 JP 22643099 11. Patent 5,404,247, «Telecentric and achromatic F-Theta scan lens system and method of use», Joshua M. Cobb et.al., Int. Business Machines Co., Armonk, N.Y., Priority: 04.04.1995 12. T. Jamieson, «Thick meniscus field correctors», Appl. Opt. 21 (15) 2799–2803 (1982). www.ritm-magazine.ru

№ 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

31

ОБОРУДОВАНИЕ

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ 3D-СКАНИРОВАНИЯ В ЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРАКТИКЕ СОВРЕМЕННЫЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДСТВА ТРЕБУЮТ ПОВЫШЕНИЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ. ПРИ ЭТОМ ОСОБУЮ РОЛЬ ОТВОДЯТ ДВУМ СОСТАВЛЯЮЩИМ: СНИЖЕНИЮ ОШИБОК В ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЯ, В ТОМ ЧИСЛЕ ВЫЗВАННЫХ ЧЕЛОВЕЧЕСКИМ ФАКТОРОМ, И ПЕРЕХОДУ ОТ ВЫБОРОЧНОГО К ПОТОЧНОМУ КОНТРОЛЮ ПРОДУКЦИИ. В СВЯЗИ С ЭТИМ ТРЕБУЮТСЯ НОВЫЕ БЕСКОНТАКТНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ КОНТРОЛЯ, А ТАКЖЕ МЕСТО ХРАНЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ПОЛУЧЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ О КАЧЕСТВЕ ИЗДЕЛИЯ.

Существующие технологии заготовительного и машиностроительного производств неразрывно связаны друг с другом. Проектируя новые машины, необходимо декомпозировать систему на отдельные детали, звенья и механизмы, которые будут работать синхронно друг с другом, реализуя основную функцию всей машины. На пути построения техносферы человек сильно преобразует природу и учится у нее разрабатывать более энергоэффективные технологии, детали и машины на основе понятных и сформулированных им законов. О симбиозном взаимодействии естественной природы (биосферы) и продукта разумной деятельности человека (техносферы) с возникновением новой среды взаимодействия общества (ноосферы) говорил В. И. Вернадский в своей работе «Биосфера и ноосфера» [1]. Становление ноосферы принято оценивать по конкретным результатам, вызванным социально-культурно-политической активностью человека. Их оценка может проводиться инструментами теории научно-технического прогресса, например, через определение технологического уклада (ТУ), либо более частным видом, инструментом ТРИЗ, связанным с развитием отдельно взятой технической системы, ее отдельных параметров [2]. Настоящее время XXI века связано с наступлением шестого технологического уклада, с осознанным созданием и разработкой человеком наноматериалов (графен) и нанотехнологий (самоорганизация наночастиц). Каждый из укладов может быть описан инструментами экономической теории, например, технологическими укладами по циклам развития Кондратьева. Однако полный переход на шестой технологический уклад возможен при достижении определенных результатов на предыдущем уровне, т. е. на пятом технологическом укладе. Совокупность требований к пятому ТУ представлена в разных странах разными концептами, например Industry 4.0 («Производство 4.0»), который является составной частью четвертой промышленной революции, наступившей после 1960-го года с появлением первых компьютеров. Работа над продвижением на пятом и шестом укладах, а также контроль над результатами деятельности человека возможны лишь при высокой степени автоматизации. Одним из элементов автоматизации является машинное зрение. Основными его свойствами являются: распознавание объектов, 2D/3D-реконструкция объекта, оценка точности путем сравнения с чертежом, 3D-моделью или со статистическими данными. Основной целью реализации машинного зрения является создание геометрического цифрового двойника [3]. Дело в том, что человеческий глаз отрегулирован природой на уровень 32

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

безопасности, который синхронизирован с инстинктом самосохранения и который не различает детализацию объектов, размеры которых не представляют опасности для человека. Но при создании деталей и машин существенными являются все уровни, и поэтому требуются инструменты для оценки точности по макро-, мезо-, микро- и наноуровням. Существуют устоявшиеся формы контроля продукции на производстве, которые подразделяются по разным признакам, например, по возможности или невозможности использования изделий после контроля (разрушающий или неразрушающий контроль), по стадии технологического процесса, на котором он проводится (входной, операционный, приемочный) и другие [4, 5]. Современные системы 3D-сканирования, применяемые на действующих машиностроительных производствах, работают на макро- и мезоуровнях. Они позволяют вести контроль как в режиме летучего и подвижного (или инлайн), так и в режиме стационарного (постового) выборочного контроля, проводить поточный контроль, работать в разных условиях освещения, выявлять отклонения прозрачных и горячих объектов, работать с отдельными объемными или листовыми деталями, а также со сборочными единицами, определяют пригодность детали и сборки по заданным отклонениям и полю допуска. В свою очередь, они подразделяются на оптические (структурированный подсвет) и лазерные, работающие как непрерывно, так и импульсно на разных длинах волн (белый, красный или синий видимый свет). Самым распространенным устройством сканирования являются 1D-сканеры, сканирование в которых осуществляется линейным лазером или линейно перемещающимся источником света. К ним, например, можно отнести офисные сканеры и сканеры матричных штрихкодов. Время появления последних относится к 1950-м годам, когда в США возникла необходимость быстрой идентификации товара, на основе азбуки Морзе. Они называются имаджерами (imager). Для быстрого получения изображения, информация в котором изменяется в двух направлениях по плоскости или поверхности, применяют 2D-сканеры. Например, к ним относятся имаджеры для сканирования QR-кодов (QR code — quick response code, разработанный в Японии компанией Denso-wave в 1994 году для автомобильной промышленности), работающие на нескольких линейных лазерах или лазерных узорах (паттернах). Появление 3D-сканеров стало возможным благодаря развитию микроэлектронной базы и разработке оптического датчика — позиционно-чувствительного устройства www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ

а) б) Рис. 1. Времяпролетные датчики изображения

(ПЧУ или PSD — position sensitive device) для измерения положения светового пятна. Датчик может быть изотропным, т. е. непрерывно передающим сигнал с чувствительной поверхности, и дискретным, т. е. передающим независимые сигналы с отдельных участков чувствительной поверхности. На дискретном типе ПЧУ построены современные ПЗС- и КМОП-матрицы, применяемые в современных 3D-сканерах, как лазерных, так и оптических, работающих на основе структурированного подсвета. Для мобильных устройств, а также устройств таких, как датчики Kinect для Xbox или Occipital Mark для iPad, или устройств дополненной реальности (AR – augmented reality), таких как HoloLens или Magic Leap, ведутся разработки небольших датчиков глубины. На рис. 1а представлен один из таких датчиков, разрабатываемый компанией Sony Depthsensing Solution [6], который является самым маленьким датчиком глубины в мире для времяпролетных сканеров (ToF — time-of-flight). Также на рынке существуют и другие решения от известных производителей микроэлектроники, например датчик Holkin от компаний Leica Camera и PDM Technologies (рис.1б). На рис. 2 представлена классификация устройств. Задачей несложной классификации является однозначный выбор типа устройства (сканера). Пусть требуется получить объемную геометрию. Тогда единственным подходящим результатом для этого будет получение облака точек. Дальнейшим определяющим фактором выбора между фотограмметрией (ФГМ), лазерным сканером (ЛС) и сканером на основе структурированного подсвета (ССП) будет являться область применения и размеры

Рис. 2. Классификация бесконтактных сканеров

www.ritm-magazine.ru

сканируемого объекта. Существуют классификации сканирующего оборудования по ряду признаков, например, в зависимости от длины волны света источника [7], от метода организации измерения (физические явления) [8–10], от области применения [11]. Сканирующие 2D- и 3D-системы применяют для получения геометрической информации об объекте. На основании полученного результата можно подготовить: карту отклонений геометрических размеров (КОГР, активная или пассивная форма), сопоставить допуски по форме и расположению, точную 3D-модель для численного анализа или определить скорости, перемещения и деформации отдельных точек исследуемого изделия. Основным алгоритмом оценки расстояния между точками поверхности деталей для оптических систем является метод триангуляции, основу которого составляет алгоритм распознавания схожих точек на двух сканах и расчет расстояния по методу треугольника. Самый распространенный способ, появившийся в геодезии и картографии в середине XX века, — метод фотограмметрии. Автоматизация этого способа и получение сканов в виде облаков точек вместо фотографий сокращает время расчета расстояния между точками. Тем не менее распознавание точек поверхностей по триангуляционному методу является длительной процедурой, поэтому для больших объектов (автомобили, корабли, самолеты, поезда) применяются альтернативные варианты реализации алгоритма, которые распространены в лазерных трекерах или лидарах и делятся на времяпролетные (для импульсных 3D-сканеров) и фазосдвиговые (для интерференционных 3D-сканеров) алгоритмы оценки расстояния [12]. На рис. 3 показан концепт интеграции машинного зрения на основе оптического и лазерного 3D-сканирования, разработанный германской компанией Zeiss, применительно к автомобильному заводу [13]. Типы контроля и разрабатываемые устройства делятся на три большие группы: inline (инлайн, аналог подвижного или летучего контроля, обычно применяется для поточного контроля при времени контроля менее 1 минуты), atline (этлайн, обычно применяется при выборочном контроле и времени контроля от 5 до 15 минут) и offline (оффлайн, обычно применяется при выборочном контроле и времени контроля от нескольких минут до часов). Последние два типа контроля являются аналогами стационарного контроля и различаются по степени удаления от производственного участка и требуемой точности сканирования. На разных этапах производства применяются различные типы устройств, например, контактные и бесконтактные устройства, определяющие положение точек на поверхности объекта, бесконтактные статические или динамические датчики, собирающие информацию о поверхностной или объемной геометрии изделия, роботизированные датчики, собирающие информацию о № 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

33

ОБОРУДОВАНИЕ Рис. 3. Концептуальное решение компании Zeiss по внедрению машинного зрения на производстве автомобильных кузовов (штамповка и сборка) и сборки автомобиля [7]

A — изготовление штампового инструмента и оснастки; B — участок штамповки; C — сборка узлов; D — центр измерений; E — сборка кузова; F — покраска кузова; G — итоговая сборка; H — центр сбора и обработки данных (метрологическая подсеть); 1 — участок штамповки; 2 — участок контроля 3D-геометрии; 3 и 4 — участки контроля штамповой оснастки; 5, 6, 7 и 8 — участки контроля сборочных единиц; 9 — сборочный конвейер; 10 — дата-центр.

точности изготовления как отдельных листовых деталей и сборочных единиц, так и всего автомобиля. Полная размерная идентификация об автомобиле передается в общий центр хранения и обработки данных по одной из предназначенных для этого подсетей (таблица 1).

Сравнение результатов 3D-сканирования с результатами 3D-моделирования в CAD (Computer Aided Design) программах осуществляется в программах класса CAI (Computer Aided Inspection), которые также подразделяют на программы для инлайн, этлайн и оффлайн-контроля.

Таблица 1. Краткий перечень постов контроля качества №

Название системы

Краткое описание/Назначение

1

Абис инлайн (Abis inline) — инлайн-контроль

Датчик предназначен для проверки поверхности листовой детали после штамповки (инлайн контроль) на наличие дефектов (выпуклости/вогнутости, линии перетяжных ребер/ порогов, утонения, разрушения, волнистость).

2

АИБокс с загрузочной системой (AIBox with loading system) — этлайн-контроль

Закрытая кабина с автоматизированной загрузкой изделия и системой Comet Pro AE (3D-сканер на основе структурированного подсвета синего цвета и камера для фотограмметрии, которые необходимы для быстрого 3D-сканирования крупногабаритных деталей), его оцифровки и инспектирования размеров.

3

Т-Скан (T-Scan system) с трекером Т-Трэк (T-Track tracking system) — оффлайн-контроль

Система, состоящая из переносного лазерного 3D-сканера и оптического трекера T-Track (модель CS+ — до 12 м3, модель 20 — до 20 м3, модель ДМ — до 35 м3), для оцифровки и инспектирования размеров штамповой оснастки с труднодоступными местами.

4

Комет (Comet) — оффлайн-контроль

3D-сканер, работающий на методе оптического структурированного подсвета синего света, для оцифровки и инспектирования размеров штамповой оснастки.

5

АИБокс флекс с системой крепления (AIBox flex with fixture system) — этлайн-контроль

Система включает систему Comet Pro AE, поворотный стол для оцифровки и инспектирования размеров боковой панели и крыльев автомобиля.

6

АИСелл с семейством датчиков АИМакс (AICell with AIMax) — инлайн-контроль

Датчики AIMax, разработанные для роботов, с системой точного позиционирования AICell позволяют с высокой точностью проводить бесконтактные измерения геометрии листовой детали, такой как отверстия под болты, зазоры, выступание соседних панелей, проводить инспектирование размеров; датчик AIMax cloud, работающий на принципе структурированного подсвета, позволяет получать облака точек и реконструировать 3D-геометрию, проводить инспектирование размеров.

7

Кармет (Carmet) — оффлайн-контроль

Напольная КИМ с горизонтальным расположением пиноли для проведения точечных тактильных измерений сборочных узлов и деталей

8

ПРО с датчиком «Орлиный глаз» (Pro with EagleEye) — оффлайнконтроль

Напольная КИМ с контактным и бесконтактным способом оценки качества изготовленной сварной конструкции кузова, бесконтактная система EagleEye на 50 % снижает время измерения большого числа отверстий.

9

Стационарные и роботизированные инлайн-датчики (inline sensors) семейства АИМакс с системой позиционирования АИСелл системы Абис — инлайн-контроль

На разных этапах сборки применяется собственная комбинация датчиков для контроля качества на этапах сборки, определения местоположения установки компонента, контроля последовательности выполненных работ и инспектирования размеров.

10

Программное обеспечение PiWeb/PiWeb cloud

Позволяет сохранять, обрабатывать и анализировать статистические данные о качестве исполнения листовой детали или сборочной единицы.

34

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ Таблица 2. Технические данные по размерам сканируемых объектов Название системы

Макс. размеры сканируемых объектов, мм

Zeiss AIBox

2 500

QFP QBox

2 000

Hexagon 360°

2 700

PolyScan XH

6 500

GOM Atos ScanBox 8

2 500 х 6 000

Creaform Cube-R Рис. 4. Обратное проецирование результатов измерений системы Polyrix [14].

По результатам сравнения CAI-программа, например, GOM-Inspect, наносит цветовые поля и позволяет отобразить отклонение размеров либо по текущим значениям, либо по полю допуска. Для большей наглядности, например, программа Polyscan Control Center от компании Polyrix позволяет осуществлять живое инспектирование размеров (Live Inspection) за счет обратного проецирования результатов сравнения в CAI-системе на объект измерения (рис. 4). В рамках представленного компанией Zeiss концепта в цифровое производство, основанного на умных («smart») производствах, могут быть имплементированы решения других компаний, таких как GOM Inspect, Polyrix, Hexagon, RangeVision, Artec, Creaform, Cognex, LMI Technologies и других. Каждое предлагаемое техническое решение может иметь узкую область применения. Например, для идентификации геометрических отклонений деталей, имеющих одинаковое сечение по высоте детали, стоит применять триангуляционные камеры. Для контроля головки болта и резьбы применяется несколько камер, получающих изображения области интереса на высоких скоростях перемещения объектов. Рассмотренные случаи применяются при реализации поточного сканирования и контроле геометрии каждого изделия.

3 000

Для контроля листовых деталей, имеющих криволинейные поверхности, применяются 3D-сканеры, размещаемые либо стационарно на треногах/штативах, либо на линейных направляющих/колоннах, образуя портальные 3D-сканеры, либо на роботах. Системы GOM, Zeiss, Polyrix и Hexagon позволяют реализовывать модульное построение измерительных ячеек, ориентированных на автомобильную промышленность (рис. 5 и таблица 2). Такой подход дает возможность проводить 3D-сканирование среднеразмерных объектов и сборок, а также увеличивать число одновременно сканируемых объектов и сокращать время на сбор и обработку геометрической информации об объекте. Максимальный размер объектов не превышает 6 500 мм. При отсутствии роботизированных кабин для получения 3D-моделей со средними габаритными размерами применяют переносной лазерный сканер с лазерным трекером (ЛСЛТ) или оптический сканер со структурированным подсветом и с опорной сетью, полученной при помощи фотограмметрии (ОСФГМ) или тактильных (контактных) измерительных инструментов, например T-Point (Zeiss), Faro Edge Arm (Faro), Romer Absolut Arm (Hexagon). Рассмотрим несколько случаев практического применения систем сканирования в разных областях заготовительного и машиностроительного производств.

а) Zeiss AIBox

б) QFP QBox Power

г) Hexagon 360°

д) GOM Atos ScanBox 8

в) PolyScan XH

е) Creaform Cube-R

Рис. 5. Автоматизированные кабины/ячейки контроля точности геометрии изделий www.ritm-magazine.ru

№ 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

35

ОБОРУДОВАНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО В штамповочном производстве существует много задач, в которых могли бы быть применены системы машинного зрения. На рис. 6 показан пример инспектирования от компании GOM (Gesellschaft für optische Messtechnik — Общество по оптическим средствам измерения), с 2019 года вошедшей в группу компаний Zeiss, применительно к кузовостроению и сборке автомобиля. Кроме операций листовой штамповки также существуют операции горячей штамповки. Известно, что при повышенных температурах оптические системы сильно искажают геометрию вследствие интенсивного конвективного теплообмена нагретого материала с окружающей средой. Кроме того, с повышением температуры свыше 700 °C металл начинает передавать тепло через излучение и изменяет свой цвет. Даже при отсутствии нагрева заготовки после деформирования в результате пластической деформации температура материала увеличивается в 2–3 раза. Таким образом, применение 3D-сканеров на основе структурированного подсвета является целесообразным тогда, когда температура меняется не более чем на 5–10 % от исходного значения. Ряд исследований показывает, что лазерные сканеры красного или синего цветов дают более точные результаты [15–18] при разных технологических условиях протекания процесса. На рис. 7 показана роторно-конвейерная установка для контроля качества поковки. На позиции 1 происходит загрузка поковки с конвейера в гнездо ротора, на позиции 2 осуществляется контроль геометрии. Линейный лазерный сканер QuellTech позволяет выявить дефект кромки верхней грани поковки, полученной методом холодной объемной штамповки, и при превышении допустимого значения поковка выбраковывается автоматически. Далее на позиции 3 проводится выбраковка, а на позиции 4 годная поковка по склизу выгружается в тару. При разработке штампового инструмента компанией PWO применяется система GOM Atos, что позволяет ей ускорить изготовление штамповой оснастки без потери качества изготовления отдельных компонентов и сборки. Применение традиционной КИМ требовало бы до 5 часов кропотливой работы для создания карты отклонений. Однако 3D-сканер позволяет сократить время инспектирования до 30 минут. Также результаты сканирования могут быть использованы для определения мест интенсивного износа инструмента, определения количества циклов нагружения инструмента до появления неисправимых дефектов. В работе [21] приводится пример реализации методики оценки степени износа инструмента для горячей объемной штамповки и выявления разрушения материала при помощи оптического сканирования. АДДИТИВНОЕ ПРОИЗВОДСТВО Голландская организация прикладных научных исследований (TNO) в консорциуме со швед-

36

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

а)

б)

в) г) Рис. 6. Оценка качества сборки кузова легкового автомобиля на роботизированной станции GOM ATOS ScanBox 8160 [19]: а) общий вид работы роботизированных 3D-сканеров GOM Atos; б) вид кузова сверху–сбоку; в) вид кузова снизу–сбоку; г) пассивный вариант КОГР.

Рис. 7. Устройство автоматического контроля качества поковки [20].

а)

б)

исходный прототип

3D-модель

реконструкция поверхности

в) г) Рис. 8. Применение лазерного сканирования для оценки точности 3D-печати в концептуальном 3D-принтере TNO Print Valley Hyproline: а) общий вид 3D-принтера; б) карусельная схема организации движения прототипов; в) место установки модуля 3D-сканирования; г) результат реконструкции поверхности прототипа после сканирования.

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ скими, голландскими, английскими компаниями, а также Бирмингемским университетом, в рамках седьмой рамочной программы (Seventh Framework Programme) поддержки исследований комиссией ЕС разработали концепт производственной линии карусельного типа для массовой 3D-печати металлических прототипов Hyproline (рис. 8). Помимо печатающего устройства предусмотрена бесконтактная обработка поверхности на основе лазерной абляции, а также поточное 3D-сканирование с целью сравнения полученной 3D-геометрии с эталонной, исходной 3D-моделью. Модуль для сканирования разработан на основе лазерного датчика Micro-Epsilon красного света, работающий на принципе триангуляции. Также оптическое и лазерное сканирование применяется для создания 3D-моделей, как основа реверсивного инжиниринга, позволяющего исправить или внести изменения в конструкцию существующей детали и разработать для нее технологию 3D-печати. Среди технологий заготовительного производства именно аддитивные технологии имеют высокую степень дигитализации и наиболее органично сочетаются с технологиями сканирования объектов. Сложные формы биологических объектов трудно получить методами прямого моделирования. Зато они могут быть оцифрованы и исправлены в программном обеспечении, а далее изготовлены по одной из технологий 3Dпечати из разных доступных материалов. Не стоит забывать и о возможности проведения топологической оптимизации отсканированных объектов, результаты которой преимущественно реализуются на практике методами 3D-печати. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО Американская компания Брадкен (Bradken), специализирующаяся на производстве стальных отливок для нефтегазовой, энергетической и судостроительной областей производства, применила систему GOM Atos для бесконтактного оптического 3D-скани-

рования. Система работает по методу структурированного подсвета в узком интервале синего цвета, что гарантирует сохранение качества сканирования при дневном освещении. При применении переносных (ручных) 3D-сканеров работа осложняется тем, что подобные системы имеют небольшое поле сканирования и итоговый процесс реконструкции занимает продолжительное время. Для отливки, представленной на рис. 9, общее время от начала сканирования до получения КОГР составило 8 часов. Повышение качества изделия состоит не только в том, чтобы получить результаты измерений на стадии окончательного приемочного контроля, но и в возможности использования результатов измерений для изменения входных параметров при численном моделировании производственного процесса литья в таких программах, как ProCast, Magmasoft или LVM Flow, до начала изготовления. АВИАСТРОЕНИЕ Компания Либхерр-Аэроспейс (Liebherr-Aerospace) при помощи системы GOM Aramis определила направления и величины перемещений точек конструкции шасси самолета во время проведения прочностных испытаний на проверку целостности конструкции при максимальных нагрузках (рис. 10). Перед началом испытаний при помощи фотограмметрической системы GOM Tritop была получена базовая (опорная) система координат, относительно которой вычислялись перемещения и деформации. Это позволило в дальнейшем получить активный вариант КОГР. Компания Faro широко применяет вариант ЛСЛТ для получения данных о конструкциях фюзеляжей самолетов (рис. 11). Ряд компаний, специализирующихся на 3D-сканировании самолетов, применяют интерференционные, фазовосдвиговые лазерные сканеры. Одним из таких устройств является 3D-сканер Surphaser, работающий на длине волны, втрое превышающей ту, на которой работают сканеры ближнего действия, например Creaform Handyscan или Artec Spider (1550 нм и 650 нм соответственно). Максимальное расстояние проведения сканирования (максимальная длина объекта) составляет 250 м. Однако при сканировании труднодоступных мест и необходимости высокой локальной степени детализации (размер объектов сканирования 10–1 000 мкм) применяют совмещенное сканирование, например Surphaser и Creaform HandySCAN. На рис. 12 показаны примеры при-

а)

б)

Рис. 9. Стальная отливка (а) и ее 3D-модель с КОГР (б) [19]

www.ritm-magazine.ru

а) б) Рис. 10. Стенд для проведения испытаний конструкции шасси: а) конструкция шасси самолета, установленная на испытательном стенде; б) векторы перемещения [19] № 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

37

ОБОРУДОВАНИЕ а)

б)

Рис. 11. Примеры крупноразмерных объектов: самолет авиакомпании Lufthansa, получение облака точек (а) и реконструкция 3D-модели (б) [22]

менения лазерных 3D-сканеров для сканирования крупногабаритных объектов. Компания Creaform рассматривает применение портативных сканеров, в том числе и для инспектирования поврежденных деталей. Например, при помощи Creaform HandySCAN и ПО SmartDENT 3D возможно оценивать повреждения, полученные фюзеляжем самолета при попадании в него града. На рис. 13 показана последовательность получения, реконструкции и анализ размеров полученных повреждений. Такая методика позволяет снизить время проверки в 80 раз по сравнению с измерениями, проводимыми ручным измерителем глубины выемки. АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЕ При проведении сканирования автомобилей следует обратить внимание на большое количество мелких деталей, которые влияют на функциональность автомобиля и его аэродинамику. При такой постановке задачи ска-

а)

Рис. 12. Примеры полноразмерных 3D-моделей крупных объектов: а) нижняя часть фюзеляжа Boeing 747, 380 млн точек, 14 часов работы до CAD-модели [23]; б) фюзеляж вертолета Black Hawk, 380 млн точек, 18,5 часов до CADмодели [23]; в) кокпит самолета [24]; г) транспортный самолет [24]; д) пассажирский самолет [24].

нирование при помощи одного устройства исключается. Следует разделить задачу на две: сканирование среднеразмерного объекта (кузов автомобиля) и сканирование мелкоразмерных объектов (компоненты автомобиля). Так как речь идет о среднеразмерном объекте, то необходимо построить опорную сеть при помощи либо ФГМ, либо интерференционного 3D-сканера, либо при помощи лазерного трекера. Примеры полномасштабного сканирования автомобилей показаны на рис. 14. РАДИОАСТРОНОМИЯ В 2008 году началась фаза практической реализации проекта ALMA рядом стран, среди которых страны ЕС, Японии, Северной Америки и Чили, на территории которой, в пустыне Атакама, проект и был выполнен. Целью проекта стало создание мощного радиотелескопа с функциями радиоинтерферометра, состоящего из 60 параболических антенн, диаметр которого может изменяться до 15 км в зависимости от места установки антенн. Каждая

б)

г)

в)

д)

а) б) в) Рис. 13. Инспектирование места повреждения: а) 3D-сканирование; б) выбор точки начала отсчета, образмеривание; в) составление отчета с указанием характера и размеров повреждения [25]

38

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ

а)

б)

в)

г) д) е) Рис. 14. Среднеразмерные объекты: а) сканирование при помощи Surphaser [24]; б) сканирование при помощи лазерного 3D-сканера Creaform Metrascan 3D и лазерного трекера C-Track [24]; в) полигональная 3D-модель а/м Lamborghini Huracan [24]; г) полигональная модель грузового автомобиля; д) и е) интерьер и экстерьер Hyundai Elantra, 160 млн точек, 12 часов до CAD-модели [23].

а) б) Рис.15. Радиотелескоп для изучения космического пространства: а) 60 параболических антенн; б) монтаж параболической антенны [26].

а)

б)

в) г) Рис. 16. Ковшовая турбина: а) общий вид турбины на валу; б) 3D-модель турбины; в) облако точек; г) пассивный вариант КОГР ковшовой части турбины

www.ritm-magazine.ru

антенна имеет диаметр 12 м, высоту 3 м и вес 15 тонн. Зеркало антенны состоит из диэлектрической композиционной основы на основе углепластика из 16 лепестков, которые соединены друг с другом. Каждый лепесток также сегментирован и состоит из 15 отдельных частей, которые склеены между собой. Чтобы при монтаже каждого зеркала соблюдалось допустимое отклонение отражающей поверхность ±1,5 мм, был применен бесконтактный метод контроля сборки с применением лазерного трекера FARO Laser Tracker X. ТУРБОСТРОЕНИЕ Рассмотрим три возможности применения систем GOM Tritop и Atos. При помощи системы фотограмметрии GOM Tritop создается опорная сеть, относительно которой далее позиционируются отдельные сканы, получаемые при помощи системы GOM Atos. Измерения выполнялись хорватской компанией «Топоматика» совместно с хорватским институтом гражданского строительства и производственным энергетическим сектором Хорватии [19]. На рис. 16 показана ковшовая турбина (турбина Пелтона), применяемая на гидроэлектростанциях, работающая при небольшом количестве воды и высоком давлении. Турбина вращается на больших оборотах, поэтому соблюдение геометрии рабочей части ротора, отвечающей за его стабильную работу, требует высокой точности исполнения. Разрешение (плотность точек) по результатам сканирования № 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

39

ОБОРУДОВАНИЕ Рис. 17. Радиальноосевая турбина: а) общий вид турбины; б) 3D-модель турбины

а)

составило 0,3 мм. Наибольшее значение отклонений составило ±2 мм (красный и синий цвета по легенде). Для радиально-осевой турбины (турбины Френсиса) требовалось получить 3D-модель, которая может быть использована для конечно-элементного (КЭ) гидродинамического анализа и расчета основных параметров ее работы (рис. 17). Она работает при среднем количестве воды и среднем давлении. Лопасти турбины доводятся до чертежных размеров и полируются вручную. Входные каналы для воды являются одним из труднодоступных для проведения измерения мест. Поэтому применение стандартных измерительных инструментов и техник требует немалого времени для проверки геометрии. Для двух поворотно-лопастных турбин (турбины Каплана) требовалось определить причину возникновения вибраций в одной из них (рис. 18). Для решения этой задачи были получены 3D-модели лопастей обеих турбин и определены отклонения по сечениям для трех отдельных лопастей (лопасти № 2, 3 и 4) от номинального значения первой лопасти (лопасть № 1). Было установлено, что наибольшее отклонение входного угла лопасти турбины составляет 0,21° для первой турбины и 0,08° для второй турбины. На рис. 18г отчетливо видно отклонение геометрии поверхности лопасти № 4 от геометрии лопасти № 1, вызванное неправильной

б)

формой исполнения лопасти № 4 и неточностью установки ее на валу. Достигнутая реальная линейная и угловая точности 3D-сканирования составила 0,1 мм и 0,01° соответственно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Области применения сканирования весьма разнообразны. Существует два основных результата, которые используются в различных областях заготовительного производства и машиностроения: получение детализированной 2D-поверхности или 3D-модели, а также отображение отклонений геометрических размеров и объектов в пассивном и активном режимах с составлением КОГР. Первый результат зависит от типа 2D/3D-сканера, в то время как второй зависит от возможностей программного обеспечения обрабатывать информацию о местоположении точек тела в пространстве. Уход от традиционной формы контроля качества объектов по шаблонам и с применением измерительных инструментов позволяет делать сам процесс контроля более гибким и всеобъемлющим, т. е. резюме о пригодности изделия делается на основании полной информации о размерах объекта, а не на основе информации с контрольных точек. При построении 2D/3D-моделей (полигональных или твердотельных) отпадает необходимость строить их по полученным в ходе ручных измерений размерам, так как модель создается в автоматическом режиме по полученному облаку точек. Такая модель может быть использована для дальнейшего численного моделирования. Сокращение времени контроля позволяет интегрировать сканирование в разные производственные операции и проводить летучий или подвижный (инлайн) контроль непосредственно после операции. Полученная информация о размерах может быть использована для автоматической

а)

б) отладки технологической операции. Сканирование является элементом машинного зрения, которое позволяет повысить эффективность выполняемой технологической операции. Таким образом, это очередной качественный этап в повышении степени автоматизации, который наступает при переходе на новый технологический уклад и является неотъемлемой его частью, и избавление человека от необходимости выполнения рутинной работы. Тем самым человек получает возмож в) г) Рис. 18. Поворотно-лопастная турбина: а) общий вид турбины; б) 3D-модели лопастей ность освоения нового, более сложного и важтурбины; в) определение размеров по сечениям лопастей; г) КОГР поверхности ного этапа технического развития: получения 40

РИТМ машиностроения • № 4 • 2020

www.ritm-magazine.ru

технологий и машин, основанных на компьютерном интерфейсе, понятном как человеку, так и машине. Михаил Александрович Петров ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет», факультет машиностроения, кафедра «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии» Литература 1. Вернадский В.И., Биосфера и ноосфера. М.: Наука, 1989. С. 261.

2. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. М.: Советское радио, 1979. С. 122–127.

3. Deloitte. Industry 4.0 and the digital twin, Deloitte Consulting LLP, University Press, https://www2.deloitte.com/us/en/insights/focus/ industry-4–0/digital-twin-technology-smart-factory.html (дата обращения 29.03.2020) 4. ГОСТ 16504–81. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения. 2011.

5. Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация, 2-е издание. С.-Петербург: Питер, 2006. С. 432.

6. https://www.sony-depthsensing.com/NewsEvents/Articleview/ ArticleId/520/NEWS-SoftKinetic-Introduces-Smallest-3DDepthSense-Camera-Available-for-Mobile-Platforms (дата обращения: 29.03.2020).

7. T. Luhmann, S. Robson, S. Kyle, J. Boehm, Close-Range Photogrammetry and 3D Imaging, Walter de Gruyter, 3rd edition, 2019. Р. 843.

8. http://mesh.brown.edu/byo3d/index.html (дата обращения: 29.03.2020) 9. M. Schreiner, M. Strlič, R. Salimbeni. Handbook on the use of lasers in conservation and conservation science, chapter 3.2, 3D Scanning Artworks, L. Pezzati, R. Fontana, European Cooperation in the Field of Scientific and Technical Research, COST Office. Brussels, 2008.

10. B. Denkena, P. Huke. Development of a high resolution pattern projection system using linescan cameras, Proceedings of SPIE — The international society for optical engineering. Vol. 7389, 2009, 73890F. 11. Bruce G. Batchelor. Machine Vision Handbook, Springer-Verlag London. 2012. Р. 2291.

12. Петров М.А., Эльдиб И.С.А. Исследование процесса 3D-сканирования изделий и создание виртуальных копий изделий для оценки качества внутри производственных линий / Труды III Международной научно-технической конференции «Пром-Инжиниринг». ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (Национальный исследовательский университет). 2018. С. 202–207.

13. https://www.zeiss.com/ (дата обращения: 29.03.2020).

14. http://www.polyrix.com/ (дата обращения: 29.03.2020).

15. D. Mejia-Parra, J. R. Sánchez, O. Ruiz-Salguero, M. Alonso, A. Izaguirre, E. Gil, J. Palomar, J. Posada. In-Line Dimensional Inspection of Warm-Die Forged Revolution Workpieces Using 3D Mesh Reconstruction, Applied Sciences. Vol. 9. 2019. Р. 1069.

16. W. Liu, Z. Jia, F. Wang, X. Ma, W. Wang, X. Jia, D. Song. An improved online dimensional measurement method of large hot cylindrical forging, Measurement. Vol. 45. 2012. Р. 2041–2051.

17. X. Fua, Y. Zhangb, K. Taob, S. Li. The outer diameter detection and experiment of the circularforging using laser scanner, Optik.

Vol. 128. 2017. Р. 281–291.

18. D. Zhengchun, W. Zhaoyong, Y. Jianguo. 3D measuring and segmentation method for hot heavy forging, Measurement. Vol. 85. 2016. Р. 43–53.

19. https://www.gom-inspect.com/ (дата обращения: 29.03.2020).

20. https://www.quelltech.de/portfolio-item/schmiedeteile-inspektion/ (дата обращения: 29.03.2020).

21. M. Hawryluk, J. Ziemba. Application of the 3D reverse scanning method in the analysis of tool wear and forging defects, Measurement. Vol. 128. 2018. Р. 204–213.

22. https://www.laserscanning-europe.com/en/aircraft-and-shipbuilding-industry (дата обращения: 29.03.2020).

23. http://www.surphaser.com/ (дата обращения: 29.03.2020).

24. https://ems-usa.com/ (дата обращения: 29.03.2020).

25. https://www.creaform3d.com/en/ndt-solutions/ndt-surfaceinspection-aerospace-mro-industry (дата обращения: 29.03.2020).

26. https://www.faro.com (дата обращения: 29.03.2020).

Кафедра «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии» Московского политеха специализируется на компьютерном проектировании технологий и создании её цифрового двойника (digital twin). Задача специализации — получение наилучшего совпадения результатов моделирования с результатами натурных экспериментов. В своей работе сотрудниками кафедры применяется современное программное обеспечение, такое как Т-Флекс, Inventor, QForm, AutoForm, Pam-Stamp, Altair HyperWorks, solidThinking Inspire, MatLab, Abaqus, Comsol и другое. ОСНОВНЫМИ НАПРАВЛЕНИЯМИ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТОК КАФЕДРЫ ЯВЛЯЮТСЯ:



листовая и объёмная штамповка, выполняющаяся в холодном, полугорячем (тёплом) или горячем состоянии материала, процессы метизного производства;

 

прокатка и профилирование;



механизация и автоматизация участков ковки, штамповки и прокатки, специализированные мехатронные системы;



аддитивные технологии и топологическая оптимизация для разработки гибридных изделий и штамповой оснастки;

  

повышение стойкости штамповой оснастки;



реологическое описание течения материалов и разработка математических моделей для сталей, цветных сплавов и композиционных материалов;



трибологические особенности протекания процессов, выбор смазочных материалов и контактных пар трения.

специальные процессы штамповки (с кручением, упругой средой, в условиях сверхпластичности, изотермическая, электромагнитная);

машинное зрение и оптическое сканирование; кузнечно-штамповочное оборудование (молоты, прессы, сервопрессы);

КАФЕДРОЙ ВЕДЁТСЯ ПОДГОТОВКА КАДРОВ ПО СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫМ ПРОГРАММАМ:

     

«Машины и технологии обработки материалов давлением» (очное, бакалавриат, 15.03.01 Машиностроение); «Машины и технологии обработки материалов в метизных производствах» (очно-заочное, бакалавриат, 15.03.01 Машиностроение); «Аддитивные технологии» (очное, бакалавриат, 27.03.05 Инноватика); «Технологический инжиниринг в производстве художественных изделий» (очно-заочное, бакалавриат, 29.03.04 Технология художественной обработки материалов); «Технологический инжиниринг в обработке материалов давлением» (очное, магистратура, 15.04.01 Машиностроение); «Аддитивное производство» (очное, магистратура, 15.04.01 Машиностроение). Контактная информация: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, д. 16 Тел.: +7/495/276-32-31, e-mail: omd.at@mospolytech.ru Сайт: https://old.mospolytech.ru/index.php?id=883

ВЫСТАВКИ

www.ritm-magazine.ru

№ 4 • 2020 • РИТМ машиностроения

43