Термообработка

Термообработка - это комплекс процессов, производимых над металлами и их сплавами для определенного изменения их свойств. Цель термообработки заключается в нагреве материала до определенной температуры с последующим охлаждением. Охлаждение иногда проводят медленно, давая нагретой заготовке самой остыть до комнатной температуры; в других случаях термообработка может предполагать резкое охлаждение детали в какой-либо жидкости. Целью всегда является получение свойств, необходимых для конкретного применения. Принцип состоит в том, что в управляемых процессах нагрева и охлаждения изменяется атомная структура вещества. Термообработка обычно оказывает влияние на такие свойства, как твердость, прочность, ковкость, а также на электрические параметры.

Основными элементами технологического оборудования для осуществления процесса термообработки являются печь для нагрева детали и среда, в которой деталь охлаждается. Существенным параметром является время, а от скорости нагрева и охлаждения зависят полученные результаты. Методика проведения термообработки опирается в основном на опыт, так как переменные характеристики процесса трудно поддаются контролю. Чаще всего подвергается термообработке сталь. Химический состав стали имеет широкий диапазон, влияющий на ее свойства. Сталь может быть подвергнута трем видам термообработки, которые применимы и для других металлов: отжигу, закалке и отпуску.

Отжиг предназначен для смягчения стали, чтобы она легче обрабатывалась, а также для снятия напряжений и получения более однородной структуры.

Отжиг производится путем нагрева детали в печи до критической точки, выше которой образуется аустенит, представляющий немагнитный твердый раствор карбида железа (или углерода в железе). Если детали затем дать остыть в печи, она приобретает структуру, которая легко поддается обработке благодаря тому, что достигается нужное соотношение содержания ферритов и карбидов в кристаллической решетке. Такой процесс называют аустенированием.

При другом виде отжига материал выдерживается в течение длительного времени при температуре ниже критической точки. В этом случае образуется не аустенит, а сферическая форма зерен карбида феррита, которая легче обрабатывается, чем при полном отжиге.

Процесс отжига имеет множество вариантов, но все они заключаются в нагревании материала до заданной температуры с последующим охлаждением, часто очень медленным.

Если сталь нагревать до температуры, при которой образуется аустенит, а затем охлаждать, погружая в емкость с соответствующей жидкостью, образуется структура, известная под названием мартенсит, которая отличается твердостью и хрупкостью. На твердость стали заметное влияние также оказывает наличие в кристаллической решетке атомов таких металлов, как хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий. Такую сталь можно закаливать с охлаждением на обычном воздухе.

Хрупкость подвергшейся закалке детали снижают с помощью процесса, называемого отпуском, который сохраняет прочность детали, хотя несколько снижает ее твердость.

При закалке материал нагревается до температуры от 700 до 900°С в зависимости от содержания углерода в металле. Если после закалки материал выдерживается некоторое время при более низкой температуре, например от 400 до 700°С, структура материала изменится таким образом, что он станет менее хрупким, но не менее прочным и твердым. Такие материалы не поддаются обработке на станке, но могут проходить поверхностную притирку. Закаленная и отпущенная сталь требуется для изготовления, например, пружин подвесок автомобилей, ружейных стволов и гаечных ключей.

Какую же работу в этом процессе, очень важном в современном машиностроении, могут выполнять промышленные роботы?

Рассматривая использование роботов в процессе литья, а также в кузнечно-прессовом производстве, мы отмечали, что их схваты могут с высокой точностью входить в пресс-формы, печи, помещать туда детали или извлекать их оттуда, передавая затем на другие операции. Это необходимо делать и при термической обработке, причем здесь робот сможет брать разогретую деталь и относить ее в зону охлаждения или погружать в закалочную емкость.

Для выполнения таких операций роботу не требуется никаких особых навыков: это работа типа "взять - положить", которая выполняется по синхронизирующему сигналу, поступающему из временного контрольного устройства, определяющего длительность циклов нагрева и охлаждения. Ориентация детали, по крайней мере при разгрузке термической печи, не нужна, хотя, возможно, будут необходимы какие-либо добавочные приспособления для подачи детали к роботу, если загрузка печи также роботизирована. В этом случае возникает и дополнительное преимущество: так как циклы нагрева обычно длительны, у робота остается свободное время, которое можно использовать для выполнения других операций, если производственное оборудование скомпоновано так, что он может легко до него дотянуться.

На заводе по производству тракторов фирмы "Катерпиллер" (США) робот берет из магазинного питателя ось и вставляет ее в канавку вращающегося нагревателя печи индукционного нагрева. Использование канавки обеспечивает точное позиционирование оси, необходимое впоследствии при автоматическом съеме. После этого робот вынимает нагретую ось из печи, дает сигнал дверце печи закрыться и опускает ось в закалочную емкость. Весь этот цикл занимает менее одной минуты. Электрические блокировки не дают роботу установить ось в печь до получения сигнала о том, что нагреватель повернулся и дверца печи открыта. Извлечение оси из закалочной емкости производится автоматически, но робот не станет опускать туда очередную ось, не убедившись, что предыдущая уже извлечена.

На другом заводе робот производит термическую обработку и закалку лопастей типа вентиляторных массой 18-23 кг, которые затем устанавливаются на прицепные бетономешалки. До применения роботов лопасти вырезались вручную из стального листа с помощью дисковых ножниц, а затем профилировались холодной формовкой. Затем они доставлялись в зону печи, где установленные особым образом газовые горелки нагревали те участки, которые необходимо было закалить, после чего заготовки погружались в емкость охлаждения.

Печь имеет четыре уровня нагрева. После того как робот взял лопасть и установил ее в заданную емкость в печи, происходит выгрузка той лопасти, которая находилась в печи наиболее длительное время, после чего робот дает команду печной дверце закрыться. Нагретая заготовка переносится затем роботом к 20-тонному прессу, где лопасти придается необходимая форма. Когда манипулятор выходит из рабочей зоны пресса, дается команда на его срабатывание. После завершения работы пресса и открытия его формы на робот поступает сигнал забрать заготовку и перенести ее в зону выхода. Затем робот направляется к печи за очередной заготовкой.

При выполнении такого цикла у робота появляется немного свободного времени, поэтому рядом с ним устанавливается дыропробивной пресс для изготовления какой-нибудь другой детали, с загрузкой и разгрузкой которого робот также успешно справляется. Внедрение робота в процесс термообработки на этом заводе позволило увеличить производительность труда, упростить контроль за качеством изделий и сократить как прямые, так и косвенные расходы.

На одном из канадских заводов, принадлежащем фирме "Интернэшнл Хавестер", с помощью роботов производится термическая обработка дисков борон, что повышает их прочность и сопротивляемость удару о камни при работе.

До внедрения роботов операция эта не пользовалась популярностью у рабочих: приходилось иметь дело с горячими и тяжелыми заготовками. Было принято решение высвободить трех рабочих в смену за счет установки трех роботов в звездообразной компоновке. Первый робот был поставлен на входе конвейерной системы, обслуживающей печь. Его схват снабжен вакуумной присоской, которая опускается вертикально вниз. Из стопки, состоящей примерно из 50 дисков, рука робота поднимает верхний диск и укладывает на конвейер, транспортирующий его в печь, температура в которой достигает 1650 градусов по Фаренгейту (897°С). Как интересную подробность можно отметить тот факт, что если рука не находит диска в стопке, то вакуумная присоска остается на дне магазина, а специальный пневматический датчик давления дает сигнал об окончании программы и подаче новой партии дисков. Когда она подана, программа возобновляется.

Каждый из двух остальных роботов, стоящих вдоль линии, снабжен двупалым схватом, который захватывает диск по внешнему диаметру. Так как на заводе изготовляются диски пяти различных размеров, пальцы в схвате сменные.

Способность роботов быстро переключаться с одной программы на другую является здесь дополнительным преимуществом. Обычно партия дисков одного типоразмера обрабатывается 8 смен, но есть и такие, которые изготовляются в течение недели. Замена программы роботов занимает несколько минут. Для выполнения такой простой последовательности движений достаточно роботов с тремя степенями подвижности.