Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Технологии и технологическое оснащение производства крупногабаритных поковок 11
1.1. Факторы, обеспечивающие ресурсосбережение при изготовлении крупных поковок с учетом серийности производства 11
1.2. Анализ процессов и механизмов формообразования типовых элементов крупных поковок 13
1.3. Пути совершенствования технологии изготовления поковок с учетом эксплуатационных и экономических требований к продукции 22
1.4. Обоснование выбора или создания прессового оборудования с учетом тенденций развития заготовительного производства и требований заказчиков 37
1.5. Опыт внедрения новых технологий производства крупных поковок в отечественном и зарубежном машиностроении 45
Выводы 49
Глава 2. Пути и методы решения поставленных задач 51
2.1. Рабочие гипотезы 51
2.2. Научная база для исследований 52
2.3. Исследовательская база для реализации новых научных положений 56
2.4. Структура и построение работы 68
Выводы 69
Глава 3. Пути создания ресурсосберегающих технологий при производстве серийных поковок больших габаритов 70
3.1. Обоснование требуемой точности крупных поковок 70
3.2. Разработка и выбор оборудования для изготовления крупных поковок 80
3.3. Применение новых технологических процессов при изготовлении крупных поковок 94
Выводы 100
Глава 4. Обоснование технических и экономических показателей при изготовлении крупных поковок 101
4.1. Критериальная оценка достижимой точности крупногабаритных поковок 101
4.2. Обоснование требуемой точности крупных поковок, получаемых на КГШП 106
4.3. Оптимизация технологических решений по совершенствованию ресурсосберегающих технологий 117
4.4. Подтверждение проектных решений и выбор оборудования для изготовления крупных поковок 120
Выводы 131
Глава 5. Реализация результатов работы при создании ресурсо сберегающих производств для выпуска крупных поковок 132
5.1. Выбор технологических параметров при изготовлении поковок на КГШП 132
5.2. Технология комбинированной обработки рабочего профиля крупных штампов 140
5.3. Развитие ресурсосберегающих технологий при изготовлении продукции машиностроения 145
5.4. Область рационального использования ресурсосберегающих технологий 155
Выводы 157
Основные результаты и выводы по работе 158
Список литературы
- Пути совершенствования технологии изготовления поковок с учетом эксплуатационных и экономических требований к продукции
- Научная база для исследований
- Применение новых технологических процессов при изготовлении крупных поковок
- Оптимизация технологических решений по совершенствованию ресурсосберегающих технологий
Введение к работе
Актуальность темы. Характер производства большегрузных автомобилей, авиационных двигателей, турбин электростанций требует серийного и массового изготовления однотипных узлов, в которых используются высоконагруженные крупные заготовки типа коленчатых валов, балок, фланцев, больших лопаток первых ступеней компрессоров и турбин. При этом часть поверхностей поковок не требует последующей механической обработки, что при эксплуатации изделий накладывает повышенные требования к точности заготовок и качеству поверхностного слоя материала.
Технико-экономические показатели производства таких деталей во многом зависят от совершенства технологии изготовления заготовок, которая, наряду с объемной деформацией материала, включает другие технологические операции.
В промышленности сформировалась тенденция к использованию в серийном производстве однотипных поковок высокой точности с гарантированным качеством поверхностного слоя, что может значительно упростить и удешевить их последующую обработку на автоматизированном оборудовании, а также облегчит взаимозаменяемость при сборке и ремонте двигателей большегрузных автомобилей, энергетических и др. силовых установок.
Современные технологические процессы получения сложных поковок ответственных деталей тесно связаны с конструкцией прессового оборудования, технологической оснасткой, создаваемой для реализации новых технологий, технологий механосборки.
Накопленный опыт производства крупногабаритных поковок дает возможность выпускать конкурентоспособные востребованные авиационные двигатели, энергетические машины и грузовые автомобили, другие промышленные изделия. Однако в процессе расширения номенклатуры и типоразмеров тяжелонагруженных деталей одновременно ужесточаются требования к качеству и эксплуатационным показателям (прежде всего к лопаткам, балкам и коленчатым валам), что в свою очередь требует разработки новых способов, технологий изготовления таких изделий, учитывающих достижения и исследования ведущих мировых авиационных, автомобилестроительных фирм и энергетики.
В работе рассматривается проблема ресурсосбережения (на стадии получения поковок) путем перераспределения трудоемкости между технологическими стадиями, совершенствования технологии производства, технологической оснастки, оптимизации заготовок, сокращения трудоемкости механообработки при сохранении или возрастании эксплуатационных показателей двигателей транспортной техники и энергетических установок. Такая тематика отвечает задачам,, поставленным перед машиностроителями Правительством страны, i\_ является актуальной на перспективу.
Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», мероприятие 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук».
Целью работы является создание ресурсосберегающей технологии производства крупногабаритных поковок, структуризация требований к созданию и реализации ресурсосберегающих технологий на стадиях изготовления изделий и обоснование оснащения автоматизированных заготовительных производств, обеспечивающих требуемый выпуск качественных изделий, конкурентоспособных на мировом рынке.
Для достижения поставленной цели были определены и решены следующие задачи:
-
Анализ факторов, определяющих технологические показатели крупных поковок для изделий серийного производства.
-
Физическое и математическое описание процессов, протекающих при формообразовании конструктивных элементов крупногабаритных поковок.
-
Совершенствование технологического процесса изготовления крупногабаритных поковок с учетом эксплуатационных требований, реализуемых в процессе изготовления изделий и технологической оснастки.
-
Разработка требований к приобретаемому и создаваемому прессовому оборудованию и средствам технологического оснащения для изготовления крупных поковок в серийном производстве.
-
Внедрение ресурсосберегающей технологии в современных производствах для серийного выпуска заготовок энергетических установок и двигателей перспективных изделий машиностроения.
Методы исследований и достоверность результатов
В работе использовались классические закономерности теории подобия, расчета точности, прочности, надежности, теоретические положения технологии штамповки, системы автоматизированного проектирования оборудования, средств технологического оснащения, теоретические основы управления сложными техническими системами с нечетко сформулированными граничными условиями при моделировании процессов.
Достоверность основных положений работы подтверждена многолетним положительным опытом использования рекомендаций по совершенствованию технологии получения качественных заготовок и обоснованием выбора средств оснащения производства на предприятиях автомобильной, авиационно-космической и энергетической отраслей машиностроения.
Научная новизна работы:
1. Формализация связей между размерами заготовки и оптимизацией назначения погрешностей крупногабаритных поковок, отличающаяся обоснованным выбором взаимосвязанных параметров оборудования, оснастки, технологических параметров и эксплуатационных требований на стадиях производства при минимизации ресурсопотребления.
-
Модель формирования профиля и обеспечение требуемой геометрии участков крупногабаритных поковок без последующей механической обработки, отличающаяся тем, что в качестве начальных условий приняты граничные значения эксплуатационных требований точности, обеспечиваемых ранее механосборкой, и требуемые показатели качества поверхностного слоя поковок при формообразовании.
-
Оптимизационная модель снижения ресурсопотребления в процессе формирования профиля при объемном деформировании с научно обоснованным уровнем автоматизации оборудования и средств технологического оснащения, отличающаяся тем, что в качестве критерия оценки приняты заложенный в технических условиях технологический, экономический и организационный уровень конкретного потребителя, серийность производства, технико-экономические возможности и состояние производства заказчика.
Практическая значимость работы:
1. Совершенствование технологического процесса серийного получения поковок с обоснованным уровнем точности, позволяющего снизить себестоимость продукции и на 8-12%, уменьшить необоснованный избыток материала в виде напуска и припуска на последующую обработку, сократить количество и объем операций механообработки, повысить и стабилизировать качество поверхностного слоя материала заготовок до эксплуатационных требований к крупногабаритным силовым деталям.
-
Разработка технологических рекомендаций по расчету технологических режимов и проектированию технологических процессов штамповки и изготовления оснастки с учетом характеристик, технического состояния оборудования и средств технологического оснащения, позволивших ускорить технологическую подготовку производства, в частности, его ресурсосберегающее переоснащение в условиях серийного выпуска продукции.
-
Рекомендации по формированию организационной структуры для поддержания требуемого для реализации ресурсосберегающих технологий уровня автоматизации заготовительного производства при изготовлении точных крупногабаритных поковок, что позволило целенаправленно приобретать (или изготавливать в условиях собственного производства при наличии технических ресурсов) материально-техническое оснащение для обеспечения выпуска заготовок с требуемой точностью, в частности, поковок для большегрузных автомобилей, авиационных двигателей, турбин электроагрегатов и обоснованного перераспределения трудоемкости между заготовительным и металлообрабатывающим этапами производства.
Личный вклад автора в работу:
-
Разработка и внедрение новых технологических процессов ресурсосберегающего получения крупногабаритных заготовок, содержащих научно обоснованное количество участков силовых элементов без последующей обработки.
-
Разработка научно обоснованных рекомендаций по реконструкции под современные запросы потребителя заготовительного производства
предприятий транспортного и энергетического машиностроения с учетом требований по ресурсосбережению за счет совершенствования материальной структуры и системы подготовки производства.
-
Разработка путей повышения качества поковок технологическими методами за счет средств технологического оснащения и предложенных методов совершенствования расчетных методик для оптимизации технологических ограничений и путем реконструкции заготовительных производств.
-
Физические и математические модели, определяющие пути выбора технологических параметров для управления повышением точности и снижением материальных потерь при серийном выпуске крупногабаритных заготовок сложного профиля.
-
Научно обоснованные рекомендации по выбору оборудования и оснастки на стадии переоснащения производства с учетом материальных возможностей предприятия и перспектив эффективного сбыта продукции отечественным и зарубежным потребителям.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на ОАО «КАМАЗ» (г. Набережные Челны), ЗАО ТМП (г. Воронеж), в учебный процесс ГОУВПО «Казанский государственный энергетический университет».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: международной научно-технической конференции «Рабочие процессы и технологии двигателей» (Казань, 2005); международной научно-практической конференции «Организация НИР студентов в университетских комплексах» (Воронеж, 2005); 5-й международной научно-технической конференции «Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла» (Брянск, 2005), международном симпозиуме «Образование через науку» (Москва, 2005); RaDMJ-2005 (Polska, Vmjacka Banja, 2005); Всероссийской научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности России» (Тула, 2006); международной научно-технической конференции «Прогресс-сивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2006); АКТ-2006 (Воронеж, 2006); международной научно-технической конференции «Технологическое обеспечение и автоматизированное управление параметрами качества поверхностного слоя, точности обработки деталей и сборки газотурбинных двигателей» (Рыбинск, 2007); конгрессе ELPUT-2007 (Тольятти, 2007); международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (Ростов-на-Дону, 2008); международной научно-технической конференции «ССП-09» (Воронеж, 2009); международной научно-технической конференции «ТМ-2010» (Воронеж, 2010).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 18 научных работ, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены патенты на 3 изобретения. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю
принадлежат: [1] - структура модели; [2] - методика выбора технологических параметров; [3] - структуризация технологии получения крупных поковок; [4] - обоснование выбора КГШП; [6] -точностной анализ поковок; [11] - обоснование выбора осевого инструмента; [12], [14] - совершенствование получения заготовок из алюминиевых сплавов; [13] - обоснование вариантов измерений расхода.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, результатов и выводов, списка литературы из 102 наименований, приложений. Основная часть работы изложена на 171 странице, содержит 67 рисунков и 28 таблиц.
Пути совершенствования технологии изготовления поковок с учетом эксплуатационных и экономических требований к про Тяжелые КГШП, к которым следует относить машины номинальной силой 63МН и более, имеющие собственную массу свыше 500 тонн, представляют собой оборудование, свойственное тяжелому машиностроению как по весовым и габаритным характеристикам, так и по методам изготовления и по длительности производственного цикла. С этой точки зрения их созданию присущ ряд особенностей, которые в той или иной степени оказывают существенное влияние на выбор общей концепции тяжелых КГШП [23], [26], [34]. Как показывает опыт европейской кузнечной индустрии, полностью автоматизированные установки, выполненные на грани технически возможного, в большинстве случаев работают с использованием 60-65% их полезной мощности, в то время как на установках с простейшей частичной автоматизацией этот показатель, как правило, превышает 80%. Поэтому уровень автоматизации тяжелых КГШП варьируется в широких пределах от простейших устройств для подачи заготовок на первую позицию штамповки и до полностью автоматизированных линий в зависимости от производственных условий и задач, которые решает заказчик. Аналогичного подхода требуют и средства переналадки тяжелых КГШП, особенно их основа - устройства для смены инструмента, что связано с весовыми характеристиками инструмента: наибольшая масса комплекта штампового блока может составлять от 40 тонн (для КГШП 63МН) до 60 тонн (для КГШП 125МН). В свете вышеизложенных особенностей концепция тяжелых КГШП представляется [23], [29] в виде машины, специализированной для производства поковок, номенклатура которых задается заказчиком, но с более универсальными технологическими возможностями, достаточными (но не более того) и для изготовления в будущем поковок иной номенклатуры, определяемой прогнозом на перспективу, ограничиваемую сроком службы машины. Из пятидесяти КГШП силой 40-125 МП, созданных на ЗАО ТМП и введенных в эксплуатацию за последние годы, пять используются для штамповки крупноформатных алюминиевых поковок (дисков колес и рычагов подвески легковых автомобилей) и двенадцать — для горячей штамповки поковок фланцев для трубопроводов размером от 4" до 18" [31], [32], [66]. КГШП, как любая технологическая машина, с целью расширения технологических возможностей, повышения производительности пресса и точности штампуемых поковок, снижения трудоемкости работы на прессе и его обслуживания должен иметь [71], [56], [57] механизмы и устройства, обеспечивающие регулирование параметров пресса: изменение производительности пресса, скорости деформирования и эффективной энергии, изменение хода ползуна, что позволяет корректировать скорость ползуна на ходе деформирования и создает удобства при оснащении средствами механизации и автоматизации и обслуживании пресса и изменение закрытой высоты пресса с целью настройки высоты и регулирования размеров по высоте штампуемых поковок и возможности подрегулирования закрытой высоты в процессе работы пресса в зависимости от параметров технологического процесса. В современных горячештамповочных установках и линиях [40], [74], специализированных для преимущественного изготовления поковок колен чатых валов автомобильных двигателей, в качестве средств автоматизации главного агрегата КГШП используются либо грейферные подачи, либо роботы, т. е. те же средства, которые являются предпочтительными для автоматизации горячештамповочного производства широкого спектра поковок, частью которого следует считать поковки коленчатых валов. Последовательность выполнения операций в технологических процессах горячей штамповки в открытых штампах характерна значительным возрастанием потребных сил деформирования от подготовительных операций (плющение, пережим, гибка, осадка) к основным формообразующим (предварительная и окончательная штамповка) с последующим, столь же значительным их уменьшением для разделительных операций (прошивка, обрезка). Роботы, имея 5-6 осей перемещений (рис. 1.4), управляемые свободно-программируемой системой ЧПУ, способны воспроизводить любые потребные траектории движения захватов с режимами перемещений, оптимизируемыми применительно к характеристикам каждой из изготавливаемых поковок [2], [12]. Они обеспечивают изменение ориентации поковки в процессе ее передачи с одной позиции инструмента к другой (например, разворот поковки после предварительной гибки), чего стараются избегать при использовании грейферных подач из-за усложнения конструкции подачи и снижения ее надежности. дукции
Научная база для исследований
Объем V3 металла, расходуемого на облой, определяют по значениям периметра П поковки в плане, площади F3 сечения заусенца в характерном плоском сечении ручья чистового перехода штамповки и размеров Ьз и h : v3= IT(F3 + /23 3).
Параметр Н / h3 характеризует [74] относительную усредненную глубину полости штампа и отражает степень энергоемкости выдавливанием металла из гравюры в облойную канавку на стадии завершения формоизменения. Чем больше Н / h3 , тем большие значения h / h3 при одном и том же Ьз, что указывает на соответственно большие количества металла, необходимые для выдавливания в облой с целью заполнения гравюры штампа. С увеличением Н момент начала выдавливания металла в облой наступает раньше, что требует увеличения h, b и F3. Количество металла, выдавливаемого в облой, пропорционально ширине L поковки, что отражено в номограмме.
С помощью номограммы (см. рис. 1.17) можно определить минимальные отходы металла и уточнить их значения применительно к конкретным условиям.
Если принять, что в пределах мостика облойной канавки удельные усилия изменяются по линейному закону [74], то изменение h3 и Ь3 на Изі и Ьзі приведет к изменению усилия Р в конечный момент на силу Pj. Приближенно: pi =PblJt lO + 0,5д 31/Л31)/(1 + Q,5vbjh3), (12) где \х - коэффициент трения.
Износ истиранием зависит [74] от условий контактного трения, нормального напряжения q в конкретной точке на гравюре штампа, скорости VT и времени t проскальзывания деформируемого металла относительно рассмат риваемой точки. Если положить, что число N отштампованных поковок связано с u., q, VT и t функцией экспоненциального вида, то с учетом коэффициента С, устанавливаемого опытным путем, можно написать: .N = Cexp( vqVTt). Установлено, что коэффициент С при штамповке поковок на КГПШ и средних показателях стойкости штампов составляет (2,5-4) -10 8. Зависимость скорости V0 ползунов прессов различного конструктивного исполнения от расстояния S до крайнего нижнего положения (КНГТ) представлена на рис. 1.19.
Графическая зависимость скорости V0 перемещения ползунов КГШП с различными номинальными усилиями Рн (МП) от расстояния S до крайнего нижнего положения: п - число ходов в мин; R - радиус кривошипа главного вала (мм): 1 - Р„=125, n=32, R=260; 2 - Рн=63, n=40, R=230; 3 -Рн=40, n=50, R-200; 4-Р„=31,5, n=55,R=185; 5 -Р„=25, n=60, R=175; 6-PH=16,n=75,R=150; 7 -P„=10, n=80, R=125; 8-PH=6,3, n=90, R=100 Расчетные оценки [74] показывают, что снижение расхода металла на 8-12 % посредством уменьшения h3 и увеличения Ь3 на 30-60% приводит к снижению стойкости штампов на 20-30 %. При этом сила деформирования увеличивается на 12-15 %.
Оптимизация загрузки прессов по силе и повышение точности расчета силовых параметров - взаимосвязанные и экономически значимые проблемы [74]. Исследованиями на ряде заводов и прямыми замерами усилий Р установлено, что КГШП используются по нагрузке в большинстве случаев неполноценно (Р/Рн 0,6).
Это вызвано в основном стремлением к повышению надежности работы прессов и низкой точностью расчетных, по существу эмпирических, зависимостей для определения усилий деформирования, рекомендуемых в справочной литературе.
Значительное повышение эффективности действующих прессов [74] (в 1,5-5 раз), увеличение производительности, снижение расходов металла (на 15-22 %) и на штампы (до 2-х раз) достигается применением многоштучной штамповки.
Использованием многоштучной штамповки можно выравнивать загрузку имеющихся в производстве прессов по времени, снижать издержки производства по наладкам, расходу энергии, на нагрев и др.
В России парк оборудования в 90-е годы составлял 190 прессов, в числе которых были самые мощные (200 МН) и технологически приоритетные образцы [4]. Освоено производство уникальных пресс-изделий и создан ряд новых технологий, особенно эффективных применительно к производству пресс-изделий из прочных и специальных легких сплавов.
Ранее в СССР проводилась научно-техническая политика приоритета производства пресс-изделий из сплавов повышенной прочности [4], [71], которые в общем выпуске достигали 45-55 % (против 12-20 % за рубежом).
Совершенствование [4] прессового производства должно сопровождаться следующими организационными и технико-экономическими мероприятиями: - овладение системным активным маркетингом на рынках России, СНГ и стран дальнего зарубежья; - переход к системе производства, специализированного по секторам А и Б, различающимися по сплавам и особенностям технологии, инструмента, оборудования и управления процессами; - специализация подготовки производства внутри секторов А и Б в соответствии с потенциально важными технологическими задачами и применительно к обычному массовому производству пресс-изделий широкого назначения; - предварительное обоснование проектов реконструкции и модернизации производства с участием известных ученых-экспертов; - оптимизация структуры цен на пресс-изделия для внутреннего и мирового рынков с однозначным искоренением практики внутренней наценки на стои мость слитка. 1.4.2. Развитие технологии штамповки Перечень научно-технических направлений развития технологий прессового производства включает [4]: 1. Освоение системы оптимизации производства пресс-изделий в соответствии с наиболее важными технологическими задачами. В современном автоматизированном производстве пресс-изделий применяется технологическое оборудование со следующими функциями (см. рис. 1.20): 1) штабелирование загрузка слитков; 2) нагрев слитков; 3) поточная разрезка слитков на заготовки; 4) прессование профилей и/или труб; 5) управление экструзионным прессом (3 - шкафы аппаратуры управления); 6) нагрев пресс-инструмента; 7) натягивание, закаливание и отрезка прессуемого полуфабриката; 8) транспортирование, охлаждение и накопление полуфабрикатов; 9) правка полуфабрикатов; 10) разрезка полуфабрикатов (для получения изделий необходимой длины) с контролем качества и размеров (10 - стол для прессованной продукции); 11) штабелирование пресс-изделий в контейнеры для искусственного старения (позиция 12) или в транспортную тару.
Применение новых технологических процессов при изготовлении крупных поковок
Нагружение пресса в процессе исследования осуществлялось двумя гидронагружателями НД-10 в режиме одиночных или непрерывных ходов ползуна.
Для выявления динамичности нагружения при настройке нагружателя на определенную, заранее заданную, силу производился ряд ударов по нагру-жателю в режиме непрерывных ходов с постоянно включенной муфтой при отключенном главном электродвигателе ("выбег пресса"). В результате пресс через несколько ходов останавливался. Этим достигалась идентичность нагружения по силе при изменении скорости приложения нагрузки. Последний ход перед остановкой пресса осуществлялся с достаточно низкой скоростью, почти в статическом режиме.
При проведении эксперимента осуществлялась регистрация силы, прикладываемой к прессу силы, воспринимаемой станиной пресса моментов, воспринимаемых эксцентриковым и приводным валами. Для возможности расшифровки получаемых значений сил и моментов производилась регистрация угла поворота эксцентрикового вала с помощью фотодиодного отметчика углов поворота через каждые 2 и перемещение ползуна в зоне выполнения им технологической операции с помощью пластинчатого датчика перемещения.
Схема наклейки, распайки и установки датчиков на прессе приведена нарис. 2.3.
Сила, прикладываемая к прессу, регистрировалась с помощью тензодатчиков 2ПКБ20-200-13 ТУ25.06.1372-79, наклеиваемых на проставки, предназначенные для выбора избыточной штамповой высоты между нагру-жателями и ползуном (датчик 2).
Сила, воспринимаемая станиной пресса, регистрировалась с помощью таких же тензодатчиков, наклеиваемых на станину в зоне ниже заделки букс эксцентрикового вала с нижней стороны (датчик 1).
Тарировка датчиков сил осуществлялась при статическом ступенчатом нагружении пресса теми же нагружателями.
Моменты на эксцентриковом (датчик 3) и приводном (датчик 4) валах записывались с помощью тензодатчиков, наклеиваемых и распаиваемых в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.3 и 2.4. Регистрация сигналов осуществлялась через ртутные токосъёмники. На одну сторону балочки наклеивались датчики, совпадающие с одним направлением датчиков на исследуемом валу, на другую сторону - датчики, наклеиваемые на валу под углом 90. Распайка производилась в соответствии со схемой рис. 2. 4 (датчики 3 и 4).
Схемы коммутации тензодатчиков при замере моментов и сил Перемещение ползуна в зоне нагружения регистрировалось пластинчатым датчиком перемещения, устанавливаемым на стойке пресса (датчик 5). Тарировка датчика осуществлялась мерными плитками Иогансона. Запись оборотов маховика производилась с помощью тахогенератора модели REO-444 (2x0,06 , .Лшх=2х0,09 А, гшах= 10000 об/мин), уста об/мин навливаемого в торце промежуточного вала со стороны маховика (датчик 7). Тарировка измерительного тракта осуществлялась на специальном стен-де, оснащенном двигателем постоянного тока с регулируемым числом оборотов модели П-11 (Р=0,7 кВт, V= 220 В, J = 4,35 А, п = 3000 об/мин) и тахометром модели ТМ2-1Л (и=2000 об/мин), оснащенном двигателем постоянного тока с регулируемым числом оборотов модели П-11 (Р=0,7 кВт, V= 220 В, J= 4,35 А, п = 3000 об/мин) и тахометром модели ТМ2-1Л (п=2000 об/мин).
Запись количества оборотов маховика при выполнении нагружения пресса позволила оценить энергетические возможности пресса. При расшифровке осциллограмм "выбега пресса" при различных уровнях нагружения по силе и скорости нагружения применена следующая методика. Из каждой осциллограммы выписывались в таблицу значения оборотов маховика перед началом технологического нагружения ползуна пресса wh после окончания технологического нагружения и з и минимальное значение оборотов во время нагружения w2. Затем, по формуле А = —— —, определялись затраты ра боты за весь период нагружения пресса по разнице оборотов маховика wj и w3 при суммарном моменте инерции подвижных деталей привода, участвую щих в выполнении работы 7=37470кгм . Таким же образом определялась ра бота, затрачиваемая на участке нагружения по разнице оборотов маховика wj и ина участке упругой отдачи по разнице оборотов маховика м зи м 2 После этого, в связи с близкими условиями нагружения по силе Рд для всех осциллограмм одного выбега пресса, определили средние значения работ на каждом из участков нагружения.
По разнице оборотов маховика от следующих друг за другом ходов выбега пресса по wj, w2 и м?з определяли среднюю работу полного хода пресса. Вычитая из работы полного хода пресса работу технологической операции можно иметь затраты работы на участке холостого хода ползуна.
При исследовании потерь на трение после полного разгона маховика производилось выключение электродвигателя и в течение всего процесса замедления оборотов маховика вместе с клиноременной передачей, ротором электродвигателя и зубчатым колесом фиксировались его обороты.
Для определения работы, затрачиваемой на трение в подшипниках качения за один оборот маховика, по средней для каждого участка скорости, определялось количество оборотов, выполняемое маховиком на каждом из участков, и затем работа, затрачиваемая за один оборот маховика. На рис. 2. 5 представлен график зависимости работы трения подшипников качения на один оборот маховика в функции скорости его вращения. А, кДж 16,0 - 4,0 2,0 Л о,о-1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 п, мин"1
Оптимизация технологических решений по совершенствованию ресурсосберегающих технологий
При изготовлении крупных поковок исходят из возможностей КГШП по получению заготовок с минимальной недоштамоповкой, которую принимают в качестве базовой для расчета припусков на последующую обработку и коэффициента использования материала на заготовительной стадии технологического процесса. В работах [77], [65] основное внимание уделяют недоштамповке, особенно в тех случаях, когда это касается крупных поковок для автомобилей (балки, коленчатые валы и др.).
Приведенные в [19] исследования показывают (рисунок 4.3), что сила штамповки балки (материал — сталь 45, масса поковки 96 кг) и коленчатого вала (материал - сталь 40 ХМФА, масса поковки 130 кг) при недоштамповке 1,5-2,0 мм составляет около 80 МН. А при увеличении величины недохода ползуна до 4 мм, что определяет недоштамповку, сила, требуемая прессу для штамповки, снижается до 56-68 МН.
Припуск на последующую обработку и обеспечение допусков на деталь (зависит от недоштамповки) определяется как результат конструкторских требований, технологических возможностей и экономического обоснования варианта получения поковки.
На стадии конструкторской разработки учитываются эксплуатационные требования (обычно они отражаются в техническом задании), возможность максимального снижения припусков на последующую обработку (в пределе сохранение без обработки отдельных участков заготовки). На этой стадии желательно задавать в документации экономически обоснованные допуски, которые не всегда совпадают с минимально возможной (но более энергоемкой и дорогой) недоштамповкой даже на тех поверхностях заготовок, которые не требуют механообработки. Примером может служить назначение недоштамповки на коленчатые валы, где по [77] она составляет в чертеже заготовки около 3 мм. Л мн
Допуски на углы выкрутки шатунных шеек составляют ±15 угловых минут. Тогда для каждой шейки возможно изменение бокового положения на периферии около 1,8 мм, что вполне обеспечивает получение кондиционных деталей. Однако при тех же допусках на закрутку крупных лопаток энергетических машин возможная погрешность по закрутке достигает на выходной кромке более 4 мм и снижение величины недоштамповки до 2 мм [16] не обосновано, так как припуск на обработку пера со стороны выходной кромки не должен превышать 4 мм.
Аналогично назначаются допуски на участки поковок, не требующие механической обработки и не влияющие на эксплуатационные показатели изделий. Обоснование величины таких допусков с позиций экономии материала не всегда обоснованы, так как затраты на механообработку, как правило, значительно выше стоимости излишнего материала в пределах допуска на размер заготовки.
Недоштамповка заготовок зависит не только от недохода ползуна, но и от жесткости пресса, износа ручьев штампов, тепловых изменений размеров и других факторов. Поэтому необходимо при оценке допусков на последующую обработку поковок (или для нахождения участков, не требующих обработки) установить экономически обоснованные величины недоштамповки и разработать рекомендации по выбору силы прессов, обеспечивающих получение качественных поковок, но не имеющих завышенной мощности; габаритов оборудования, что выливается в дополнительные завышенные расходы, необоснованное увеличение стоимости поковок и последующее снижение конкурентоспособности продукции.
Припуск (z) на последующую обработку или погрешность необрабатываемых участков складывается из недоштамповки (Н) и допуска на размер поковки (5П) z = H + 5n. (4.6) 108 Недоштамповка (Н) зависит от недохода ползуна (ASH), погрешностей, вызванных податливостью (П) силовой системы пресса Н = AS„ + П + 5П. (4.7) Если поверхность поковки не подлежит последующей обработке и не теряет геометрических размеров от внутренних напряжений, то z 8Д , (4.8) где 5Д, - допуск на размер детали. В (4.7) податливость (П) зависит от жесткости (С) системы. n = f(C). (4.9) Для оценки жесткости составляющих и всей системы используют график нагрузки (рис. 4.4), по которому можно рассчитать: - жесткость заготовки C, = (P„-P,)/Sb (4.10) где Рн - сила нагружения пресса; Pi - сила сопротивления нагружению; Si - ход ползуна на участке формообразования заготовки. - жесткость системы «пресс-штамп» - жесткость системы «пресс-штамп-заготовка» Тогда нагрузочный график силы Р на рисунке 4.4 можно записать в виде Р = Рн - Сп.ш.з S . (4.13) P„ = MM/Rn(afl + m) + MM2ASfl/Rn2(afl + m)afl3 (4.14) где Мм — момент трения муфты Мм= Кп(ад + т)Рн(ад + т)/(1,5ад + т). (4.15) Здесь Rn - радиус кривошипа; ад - допустимый угол поворота кривошипа; m - угол торможения повороту кривошипа в муфте. 109 m = kfM/Rn, (4.16) где fM - коэффициент трения скольжения (обычно принимают fM = 0,01); к - коэффициент запаса (к 1). K(S) Рис. 4.4. Типовой график нагрузки КГШП (Sy=PH/C„.uJ На рисунке 4.4 графически изображена допустимая сила Рд (s) до включения муфты при допустимом недоходе ползуна (АЭд), Рд = Р - Ск (S - ДБд), (4.17) где С к - жесткость системы в точке соприкосновения касательной с основной частью нагрузочного графика ПО Ск = Рд2/Мм-ад. (4.18) С учетом зависимости (4.14) выражение (4.17) можно привести к виду Pfl = MM/(Rnafl + kfM). (4.19) Оптимальный вариант силоваого воздействия при штамповке соответствует совпадению (рисунок 4.4) зависимостей Рн (формула 4.14) и Р (формула 4.13). Тогда сила Рн Рн = Мм / Rn (ад + ш) + 0,5 Rn Сп.ш.3 ад2. (4.20) Для удобства решения уравнения (4.20) обозначим В = 0,5 Rn Сп.шл / Рн.. Тогда уравнение (4.20) сводится к квадратичному уравнению ад2 + 2/3 m ад - 1/ЗВ = 0 , (4.21) решение (4.21) которого имеет следующий вид: ад = - 1/3 m + л]\/9-т2 +1/3-1/5 . (4.22) Для известного ад можно найти момент трения муфты (зависимость 4.15) и далее - величину недохода ASH (рисунок 4.4) ASH = 0,5/Rn (Мм/Р„ - k fM)2. (4.23) Отсюда можно установить величину требуемого Рн при обоснованном AS„. . Приняв ASH = z (где z определяется зависимостью (4.6)), можно определить силу пресса, необходимую для изготовления ПОКОВКИ. Расчетное уравнение будет иметь следующий вид:
