Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ общих требований к качеству, процессам производства и поставки шаровых пальцев для зарубежных автомобилей 9
1.1. Требования к системе менеджмента качества процоссов производства шаровых пальцев 9
1.2. Анализ особенностей конструкции и требований к шаровым пальцам, применяемым в современном автомобилестроении 15
1.3. Анализ и сопоставление требований к материалам для изготовления шаровых пальцев , 17
1.4. Анализ и сопоставление требований к точности геометрических размеров и взаимному расположению поверхностей шаровых пальцев 23
1.5. Анализ специальных требований к стабильности и воспроизводимости процессов , , 25
2. Обзор и выбор основных операций сквозной технологии производства шаровых пальцев 29
2.1. Обзор и выбор технологических операций для получения заготовок шаровых пальцев 30
2.2. Обзор и выбор операций механической обработки шаровых пальцев ..36
2.3. Построение общей технологической схемы процесса производства шарового пальца ВМ505 51
3. Выбор и обоснование эффективного варианта технологического процесса производства шаровых пальцев на основе сравнения комплексных оценок 54
3.1. Анализ методик и моделей комплексной оценки эффективности технологических процессов 54
3.1.1 Анализ процесса проектирования и выбор эффективного технологического процесса на основе принципов единой системы технологической подготовки производства 54
3.1.2 Анализ существующих методов и моделей комплексной оценки эффективности технологических процессов
3.1.3 Методика и модель комплексной квалиметрической оценки эффективности технологического процесса производства шаровых пальцев ВМ505 63
3.1.4. Развитие методов и построение модели комплексной оценки эффективности технологии производства шаровых пальцев 64
3.1.5. Методика проведения комплексной оценки эффективности технологических процессов производства 71
3.1.6. Определение комплексной оценки эффективности конкурентных вариантов процессов производства шарового пальца ВМ505
3.1.6.1. Определение коэффициентов весомости показателей оценки эффективности технологий производства 78
3.1.6.2. Численная реализация метода комплексной оценки технологий производства шарового пальца ВМ 505 80
3.1.7. Расчет относительных единичных оценок технологической эффективности процесса производства шарового пальца ВМ505 86
3.1.7.1. Расчет относительных единичных оценок обеспечения геометрических размеров и качества поверхности шарового пальца 86
3.1.7.2. Расчет относительных единичных оценок вероятности обеспечения требуемого химического состава, микроструктуры и физико-механические свойств 103
3.1.8. Расчет единичных и групповых оценок экономико организационных факторов 106
4. Практическая реализация сквозной технологии производства шарового пальца вм505 111
4.1. Анализ операций и совершенствование технологического процесса производства заготовки шарового пальца ВМ505 из стали 27MnSiVS6 Ill
4.2. Анализ операций и совершенствование технологического процесса механической обработки шарового пальца ВМ505 127
Заключение 136
Список литературных источников 139
- Анализ особенностей конструкции и требований к шаровым пальцам, применяемым в современном автомобилестроении
- Обзор и выбор операций механической обработки шаровых пальцев
- Анализ процесса проектирования и выбор эффективного технологического процесса на основе принципов единой системы технологической подготовки производства
- Расчет относительных единичных оценок технологической эффективности процесса производства шарового пальца ВМ505
Введение к работе
Актуальность работы. В целях повышения степени локализации процесса производства автокомпонентов на территории России известным западным автопроизводителем на одном из ведущих отечественных предприятий в области производства деталей передней подвески и рулевого управления - ЗАО НПО «БелМаг» (г.Магнитогорск) - был размещен заказ на серийное производство шаровых пальцев рулевого управления проекта ВМ505 (далее - "шаровой палец ВМ505"). Производителю на выбор были предложены две альтернативные конструкции шаровых пальцев ВМ505, отличающиеся, в том числе, и маркой материала изготовления (в одном случае - сталь 41CrS4V, в другом - сталь 27MnSiVS6).
Технология производства шарового пальца ВМ505, вне зависимости от конструкции, включает в себя значительное число процессов и операций, ключевые из которых относятся к металлургическим (получение исходного подката, обработка металлов давлением, термическая обработка), что подразумевает анализ всей сквозной технологии и требований, предъявляемых к отдельным процессам и операциям.
Обладая значительным опытом в области производства шаровых пальцев, предприятие, тем не менее, было вынуждено провести всесторонний анализ технических и экономико-организационных требований при выборе варианта конструкции шарового пальца, технологической схемы производства и ее практической реализации. Выбор технологической схемы производства требовал сравнения эффективности конкурентных вариантов технологии на основе объективных оценок.
Необходимость учета отличного от принятого в отечественной практике комплекса требований к процессам производства и поставки автокомпонентов со стороны зарубежного заказчика, отсутствие опыта переработки стали 27MnSiVS6, более жесткие (в сравнении со сложившимися в отечественной практике) конструктивные требования, сделали актуальной проблему обоснованного выбора варианта наиболее эффективной схемы технологического процесса производства шарового пальца BMS05.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка и выбор конкурентоспособной технологии производства шаровых пальцев ВМ505 рулевого управления зарубежных автомобилей, обеспечивающей получение продукции заданного уровня качества.
В соответствии с поставленной целью, в работе рассмотрены и решены следующие задачи:
проведен анализ системы требований к процессам производства
и поставок шаровых пальцев для зарубежных потребителей; про
изведено сопоставление системы требований к конструкции, ма
териалам и процессам производства шаровых пальцев, изготавли
ваемых для отечественных и иностранных моделей автомобилей,
выделен комплекс требований технического, организационно-
экономического характера, учет которых обязателен при разра
ботке, квалиметр и ческой оценке и практической реализации тех
нологии производства шаровых пальцев для зарубежных автомо-
. билей;
проведен обзор и осуществлен выбор процессов и операций
производства шаровых пальцев, обеспечивающих получение про
дукции заданного уровня качества; на основе проведенного со
поставления технологических возможностей операций разрабо
таны альтернативные конкурентные варианты сквозных техноло
гических процессов производства шаровых пальцев ВМ505 из
CTfuieft41CrS4VH27MnSiVS6;
с учетом конструктивных особенностей и технических требований разработана структура комплексной оценки эффективности процесса производства шаровых пальцев ВМ505;
проведен анализ существующих методов и функций свертки единичных и групповых показателей в комплексную оценку; на основе положений аксиоматики логики оценок предложены функции свертки единичных и групповых показателей комплексной оценки на различных уровнях;
предложена методика комплексной оценки технологической эффективности процесса производства шаровых пальцев, проведен расчет единичных оценок;
- осуществлен выбор и обоснование эффективного варианта техно
логического процесса производства шаровых пальцев на основе
сравнения комплексных оценок;
- проведен анализ результатов практической реализации технологии
производства шаровых пальцев, предложены мероприятия по со
вершенствованию схемы технологических переходов холодной объ
емной штамповки шарового пальца ВМ505 из дисперсионно-
твердеющей перлитно-ферритной стали марки 27MnSiVS6.
Научная новизна.
1. Разработана номенклатура показателей, характеризующая эффективность процесса производства шаровых пальцев, включающая комплекс требований потребителя к качеству продукции и специальные требования к технологическому процессу.
-
На основе разработанной номенклатуры показателей предложена обоснованная иерархическая структура комплексной оценки эффективно-сти процессов производства и поставки шаровых пальцев.
-
Предложены функции свертки единичных оценок доминирующих показателей, единичных и групповых оценок доминирующих и компенсируемых показателей, удовлетворяющие основным положениям аксиоматики логики оценок.
-
На основе оценки внутренних взаимосвязей единичных и групповых показателей в структуре комплексной оценки сконструированы формулы для расчета комплексного показателя оценки эффективности сравниваемых вариантов технологий производства шаровых пальцев.
-
Предложена методика оценки технологической эффективности процессов производства, основанная на вычислении комплексной оценки вероятности получения соответствующей продукции по заданным параметрам качества изделия.
Практическая ценность работы. Проведенная комплексная оценка эффективности конкурентных вариантов сквозных технологий производства шаровых пальцев ВМ505 из разных материалов изготовления (стали 41CrS4V и 27MnSiVS6) позволила сделать обоснованный выбор наиболее эффективной для реализации в серийном производстве технологии, обеспечивающей выполнение требований заказчика к качеству продукции, производительности, стабильности и воспроизводимости производственных операций.
Результаты диссертационной работы внедрены на ЗАО НПО «БелМаг» (г. Магнитогорск), ОАО «БелЗАН» (г. Белебей) и ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» (г. Магнитогорск), применены при разработке технических требований контракта на поставку металла марки 27MnSiVS6 с металлургического предприятия компании «Саарсталь» (г.СаарбрЄкен, Германия) и при разработке технологической документации на процесс термической обработки исходного металлопроката из стали 41CrS4V.
Применение в качестве материала изготовления шаровых пальцев стали 27MnSiVS6 позволило повысить коэффициент использования материала (в сравнении со сталью 41CrS4V) на 17%, снизить долю вероятного брака при производстве как заготовки, так и обработанного шарового пальца до ррт**20 для выделенных и критических характеристик качества (ррт - число дефектных изделий на миллион). .
Ожидаемый годовой экономический эффект составит 2,59 млн. рублей при гарантированном выполнении требований заказчика в части обеспечения качества и стоимости продукции, сроков и объемов поставок.
Разработанная структурная и математическая модель комплексной оценки эффективности процессов производства и поставки продукции и
методика оценки технологической эффективности производственных процессов используются в учебном процессе ГОУ ВПО МГТУ им. Г.И. Носова при подготовке инженеров по специальности 200 503 - «Стандартизация и сертификация» (металлургия).
Апробация работы. Основные материалы и положения, составляющие содержание работы, докладывались и обсуждались на научно-технических советах ЗАО НПО «БелМаг», ОАО «БелЗАН», ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» (2004-2006 гг.), а также на 62-й и 64-й научно-технических конференциях МГТУ им, Г.И. Носова по итогам научно-исследовательских работ (2002-2006 гг.) и на международной научно-практической конференции «Металлургия России на рубеже XXI века» (г. Новокузнецк).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в рецензируемых изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 11 табл., 43 рис. и состоит из введения, 4 глав, заключения и 3 приложений. Библиографический список включает 106 наименований.
Анализ особенностей конструкции и требований к шаровым пальцам, применяемым в современном автомобилестроении
. В процессе подготовки к производству шарового пальца ВМ505 командой специалистов ЗАО НПО «БелМаг» было подготовлено и согласовано с поставщиком стали (ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат») техническое соглашение ТС00187895-118-2003 на поставку стали 40ХСелект, химический состав которой полностью соответствовал составу стали 41CrS4V. Техническое соглашение устанавливало так же методы контроля и испытаний, что позволило бы в случае реализации технологии выполнить требования заказчика в полном объеме. Группой специалистов ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет» совместно с автором были разработаны технологические карты ТК 176-МТ.КР-232-2005 по термической обработке стали марки 40ХСелект (Прил. 1). Проведенными исследованиями установлены режимы термической обработки стали 40Х Селект, позволяющие обеспечить требуемые физико-механические свойства подката, определяющие возможность его дальнейшей переработки при производстве шарового пальца ВМ505 (для варианта исполнения 1).
Российские производители шаровых пальцев используют в производстве следующие стали: 38ХГНМ (наиболее распространенная), 40Х, 15ХН и 30Г2Р. Сталь 38ХГНМ была разработана специально для нужд автомобильной про 20 мышленности для использования вместо стали 40Х и характеризуется, в сравнении с ней, повышенной штампуемостью (пластичностью). Такие характеристики как прокаливаемость, механические свойства после термообработки, у сталей 38ХГНМ и 40Х являются практически равнозначными. Использование в производстве заготовки шарового пальца стали 40Х, повышает риск образования трещин на заготовке (вследствие сравнительно низкой пластичности данной стали), повышает нагрузки на деформирующий инструмент, вызывает повышенный износ инструмента.
Требования к твердости материала готового изделия у российских и западных производителей различны: шаровые пальцы передней подвески 2101-2904187 (автомобили ВАЗ 2101-2107 и их модификации), 2108-2904187 (автомобили ВАЗ 2108-2110 и их модификации) согласно требованиям конструкторской документации должны иметь твердость 28...32 HRC, шаровой палец 22259 автомобиля «Dodge Ram» (Додж Рэм) - 32...38 HRC, шаровой палец ВМ505 24...39 HRC Сравнительно более высокая твердость материала шарового пальца ВМ505 предъявляет дополнительные требования к жесткости и мощности металлорежущего оборудования для его механической обработки и оценки с этой точки зрения существующих технологий и операций.
Анализ технического регламента EN2400 и проведенные совместно со специалистами кафедры МиТОМ Магнитогорского государственного технического университета исследования микроструктуры и физико-механических свойств стали 27MnSiVS и 27MnSiVS6 показали, что данные стали являются деформа-ционно-упрочняемыми, конечные механические свойства которых формируются в процессе обработки давлением и не предполагают дальнейшей термической обработки. Сталь 27MnSiVS6 имеет в исходном состоянии перлитно-ферритную структуру, согласно проведенным исследованиям, соотношение перлит/феррит соответствует баллу 6.6 (по шкале ГОСТ 5639), размер зерна соответствует 11 баллу (требования EN 2400 7-9 балл). Очевидно, что такая структура наилучшим образом позволяет реализовать сочетание требуемой пластичности в исходном состоянии и требуемых прочностных свойств в гото 21 пластичности в исходном состоянии и требуемых прочностных свойств в готовом изделии после деформационного упрочнения. Основным технологическим преимуществом использования деформационно-упрочняемых сталей является исключение ряда операций подготовки металла к процессам обработки давлением (обточка прутка, предварительный отжиг) и операций термической обработки после обработки давлением, что существенно удешевляет производственный процесс, даже несмотря на более высокую стоимость исходного проката.
Несмотря на то, что дисперсионно - твердеющие перлитно - ферритиые (ДТПФ) стали достаточно давно применяются для производства стержневых металлоизделий, отечественные предприятия не имеют большого практического опыта по переработке марок сталей подобного класса. В производстве автокомпонентов за рубежом, ДТПФ стали (в основном, марок 27MnSiVS6, 30MnSiVS) используются для изготовления шаровых пальцев рулевого управления, стабилизаторов передней и задней подвесок легковых автомобилей. Для более нагруженных шаровых пальцев шарниров и рычагов передней и задней подвески легковых автомобилей наиболее часто используют конструкционные качественные стали класса 40Х.
Учитывая низкую производительность и высокую материало-, энерго- и трудоемкость операций термической обработки, некоторые зарубежные производители перевели производство автомобильного крепежа и части элементов рулевого управления и подвески на изготовление холодной штамповкой из термически упрочненного проката, а последующее применение, разработанных еще в начале 70-х годов, дисперсионно - твердеющих феррито-перлитных сталей позволило дополнительно сократить издержки производства на термическую обработку исходного проката. Повышения показателей прочностных свойств металла добивались за счет его контролируемого охлаждения с прокатного нагрева.
Первое время термически упрочненные дисперсионно — твердеющие ферритно - перлитные стали (ДТПФ стали) использовали исключительно толь 22 вило, такие стали имели содержание углерода в пределах 0,4-0,5%. В дальнейшем, для обеспечения получения точности и стабильности требуемых механических свойств, некоторые технологические процессы перевели на холодную штамповку из предварительно термически упрочненного проката легированных сталей, например, стали 41CrS4V. Но, учитывая слабую деформируемость термически упрочненных сталей и низкую стойкость высадочного инструмента, разработаны термически упрочняемые феррито-перлитные (ДТФП) стали с содержанием углерода около 0,25-0,30 % (24MnSiV5, 27MnSiVS6 или 30MnVS6 и др.). При использовании таких марок сталей требуемые прочностные показатели достигают за счет упрочнения материала в процессе холодной деформации заготовки [26].
Особенность ДТФП сталей заключается в том, что за счет контролируемого охлаждения с прокатного нагрева формируется мелкозернистая феррито-перлитная структура примерно с одинаковыми долями феррита и перлита. Химический состав некоторых марок ДТПФ сталей приведен в табл. 1.2,
Обзор и выбор операций механической обработки шаровых пальцев
Виброабразивная обработка, чистовое шлифование, полирование находят ограниченное применение в процессах механической обработки сферических поверхностей шаровых пальцев. Их применение для обработки ряда шаровых пальцев различной конструкции обусловлено особенностями характеристик микрорельефа, который они формируют.
Притирка, в основном, используется при обработке габаритных сферических поверхностей водозапорной арматуры, хотя возможно применение данного способа и при производстве шаровых пальцев при условии решения проблемы повышения его производительности.
Конструкторской документацией на шаровый палец проекта ВМ505 установлен метод формирования конечного микрорельефа поверхности сферы шарового пальца - обкатка роликами ("roll burnishing")- Поскольку конкретный вид обработки этим методом конструкторской документацией не установлен, необходим выбор и обоснование конкретного вида обкатки.
Операции выглаживания (обкатки) относятся к операциям поверхностного пластического деформирования [48], позволяют получать требуемые показатели шероховатости поверхности сферы шаровых пальцев практически без изменения диаметра сферы (так называемая безразмерная обработка). Для обкатки сферических поверхностей возможно применение схем обкатки с поворотным механизмом (аналог токарной обработки с поворотным устройством) с применением однороликовых накатников. В сравнении с ниже рассматриваемыми видами, ограниченное применение однороликовых накатников обусловлено низкой производительностью способа, значительными усилиями, действующими на инструмент и сокращающими его стойкость, некомпенсируемыми несимметричными нагрузками на инструмент, изделие и оснастку, при сравнимой производительности, обработанная поверхность имеет более высокие значения параметров шероховатости. На рис. 2.7 и 2.8 приведены схемы обкатки сферы шаровых пальцев с помощью обкатных головок разных конструкций: на рис, 2.7 показана головка со сферическими деформирующими элементами, на рис. 2.8 - с деформирующими роликами.
Одной из разновидностей обкатки является так называемая поворотно-планетарная обкатка. Обкатка сферической поверхности профильными роликами с радиальной подачей (рис. 2.9), Является наиболее производительным процессом из всех рассмотренных, обеспечивает стабильное достижение шероховатости Rz 2 мкм. Основными недостатками способа являются: - неравномерное давление инструмента на обрабатываемую поверхность; наибольшее давление инструмент оказывает на экваторе сферы шарового пальца, наименьшее - в областях, наиболее близкорасположенных к полюсу и галтели; - способ предъявляет высокие требования к точности сферической поверхности шарового пальца после операции токарной обработки (под обкатку); при обкат 48 ке максимальное изменение (уменьшение) диаметра сферы шарового пальца составляет 15 мкм, соответственно при разнице диаметра сферы под обкатку (или местном отклонении формы сферы от номинального профиля более чем на Юмкм) и радиусом профиля ручья ролика 15 мкм, возможно появление участков с завышенными параметрами шероховатости и даже непрокатанных участков; значительно улучшает результат обкатки повышение кратности обработки при сниженном давлении и предустановленное осевое смещение роликов.
Точность и состояние материала резьбы шарового пальца обеспечивают выполнение условия собираемости узла подвески или рулевого управления и безопасность эксплуатации транспортного средства (при наличии местных концентраторов напряжений и при заниженном значении внутреннего диаметра резьбы и/или сниженном значении предела прочности материала возможно разрушение резьбового участка в процессе эксплуатации узла). В условиях крупносерийного и массового производства для формирования наружных резьб применяют методы обработки резанием и давлением (накатку).
Для нарезания резьб используют: -винторезные самооткрывающиеся головки с круглыми гребенками; -головки резьбонарезные самооткрывающиеся с тангенциальными плоскими плашками (типы РГТ, С-225 и другие); -резьбовые резцы; -резьбовые гребенки. Нарезание резьб плашками, гребенчатыми фрезами, вихревыми головками для нарезания резьб на резьбовых участках шаровых пальцев не применяются.
Существенными недостатками нарезания резьб указанными способами являются: -сравнительно низкая производительность; -перерезание волокон металла (ослабление работающего сечения, формирование концентраторов напряжений); -низкая стойкость инструмента (как следствие - частые переналадки, невысокая стабильность и воспроизводимость процессов). Перечисленные недостатки не позволяют рекомендовать способы формирования резьб резанием в условиях массового производства с высокими требованиями к качеству продукции. Важнейшими преимуществами накатывания, по сравнению с обработкой резанием, являются [51, 52]: - высокая производительность; - возможность стабильного получения точных размеров резьбы; - повышенная прочность при растяжении и сдвиге, а также высокая усталостная прочность шаровых пальцев с накатанной резьбой, повышенная твердость поверхности металла; - более высокая стойкость инструмента - плашек и роликов; - в результате наклепа усталостная прочность резьбы повышается на 20-40%; шероховатость поверхности профиля резьбы после накатки соответствует 8-9 классам чистоты {Ra 3).
Накатка может осуществляться плашками или роликами (рис. 2.10, а-г). Области применения приведенных способов накатывания резьб различны [48]: а) накатывание плоскими плашками применяется в производстве крепеж ных резьб диаметром до 35мм, резьб на шурупах и саморезах; способ характе ризуется сравнительно низкой точностью получаемых резьб; б) накатывание роликами с радиальной подачей роликов на накатываемую деталь применяют в производстве метрических резьб повышенной точности диаметром от 2 до 100мм; наиболее точный способ формирования резьб из приведенных; в) накатывание роликами с тангенциальной подачей накатываемой детали применяют в производстве крепежных резьб диаметром от 1 до 10мм; способ легко автоматизируется, недостатком является сравнительно низкое качество накатываемой резьбы, связанное с неустойчивым движением детали в межвал ковом зазоре; г) тремя роликами с радиальной подачей роликов применяют для накаты вания крепежных резьб диаметром от 2 до 52мм (используют в резьбонакатных головках).
Анализ процесса проектирования и выбор эффективного технологического процесса на основе принципов единой системы технологической подготовки производства
Обобщенным критерием технологической эффективности процесса производства по / - му параметру качества может служить вероятность Р (t) выпуска годной продукции. Для определения целевого значения Р/ технологического процесса воспользуемся известными коэффициентами оценки стабильности и воспроизводимости отдельных операций (процессов) Ср, Срк, Стк и Ррк. Использование этих коэффициентов обусловлено тем, что целевые значения этих коэффициентов и соответствующие им значения ррт (parts per million - число дефектных изделий на миллион выпущенных) устанавливаются заказчиком в конструкторской и нормативной документации. Допустимое число единиц дефектной продукции ррт, определяется потребителем продукции как прямым указанием его значения, так и опосредованно через требуемые параметры Ср, СРК и есть фактически максимально допустимая вероятность выхода параметра за пределы поля допуска. Значение ррт=40 соответствует вероятности получения дефектной продукции q(ррт) =0,00004, соответственно целевое значение надежности Pt обеспечения технологическим процессом параметра качества готового изделия составляет 7 ,3=0,99996.
Коэффициенты СР, Срк, Сш и Ррк являются статистическими оценками стабильности и воспроизводимости отдельных операций и процессов на разных этапах их реализации. Использование коэффициентов Ср и Срк («долгосрочной воспроизводимости») оправдано при сравнении эффективности и выборе прототипов уже существующих технологических процессов, а коэффициентов Стк и Ррк («краткосрочной воспроизводимости»)- на этапе технологической подготовки нового производства при предварительной оценке и выборе оборудования. При априорной оценке эффективности процессов производства на стадии технологической подготовки, использование коэффициентов Ср и Срк невозможно, поскольку репрезентативной выборкой для их вычисления является месячный объем производства серийной продукции [13].
При оценке технологической эффективности процессов, допустимо рассматривать лишь так называемые «выделенные» или «ключевые» характеристики. Западные производители и потребители широко используют систему определения и присвоения отдельным характеристикам (так называемым «выделенным» характеристикам) качества изделий (геометрическим размерам, свойствам материалов и др.) специальных требований к стабильности и воспроизводимости процессов, формирующих эти характеристики. Для таких характеристик в документации заказчика оговаривается минимально допустимые значения коэффициента долгосрочной воспроизводимости Срк. Кроме требований к стабильности и воспроизводимости процессов для выделенных характеристик, к ним предъявляются и специальные требования к проведению контроля (объем и частота выборок, порядок регистрации результатов контроля и другие). В зависимости от степени влияния той или иной характеристики на безопасность потребителя продукции, технико-эксплуатационные свойства узла или его собираемость, разработчик конструкторской документации присваивает каждой характеристике одну из трех возможных степеней значимости. Учет выделенных характеристик на этапе проектирования технологических процессов обязателен, выполнение требований к выделенным характеристикам, как правило (в сравнении с отечественной практикой), требует значительного ужесточения требований к точности и стабильности работы технологического оборудования и сопутствующих процессов.
Гарантированное выполнение требований конструкторской документации возможно при соответствующей надежности результатов измерения параметров качества изделия, как окончательных, так и на промежуточных этапах технологического процесса. Надежность результатов измерения так же можно описать некоторой зависимостью вероятности принятия изделия несоответствующего качества и отклонения изделия соответствующего качества. Известная методика определения погрешности измерительной системы «оператор -измерительный прибор - контролируемое изделие» (MSA) позволяет определить вероятности ошибки измерительной системы. В отечественной практике выбор средств технологического оснащения процессов контроля точности осуществляют по ГОСТ 14.306-73. Таким образом, часть технологической цепи, обеспечивающая получение рассматриваемого параметра качества, можно представить в виде последовательно (как правило) соединенных звеньев (технологических и контрольно-измерительных).
Основные этапы методики определения технологической эффективности технологического процесса по/-му параметру:
1. Определяется комплекс параметров готового изделия, для которых необходимо провести анализ технологической эффективности процесса производства; в него входят все «выделенные» характеристики, установленные потребителем (заказчиком) и ряд параметров, установленных производителем - как правило те, получение которых связано с определенными технологическими трудностями (рис. 1.1).
2. Составляется полная диаграмма потока производственного процесса (Flow Chart)- графическое изображение последовательности технологических операций с указанием наименования технологических операций, технологического оборудования, средств контроля, временем цикла и другой необходимой информации.
3. Необходимо определить степень преемственности (экспертным методом) определенных, связанных по технологической цепи, параметров заготовки, параметров изделия на промежуточных операциях и конечных параметров гото 89 вого изделия. Например: исходный диаметр сферы заготовки шарового пальца, твердость заготовки - диаметр сферы после операции токарной обработки (чернового и чистового точения) - диаметр сферы шарового пальца после операции обкатки (ППД). В случае, если влияние отдельных операций на конечное значение рассматриваемого параметра готового изделия при нормальном безаварийном течении процесса явно незначимо, операция исключается из вырожденной схемы технологического процесса (ТП). Решение о наличии взаимосвязи между результатами смежных операций принимается экспертным методом, в отдельных случаях возможно установление взаимосвязи между результатами смежных технологических операций с использованием аппарата дисперсионного анализа. 4. В соответствии с определенным комплексом параметров, составляется «вырожденная» схема ТП, на которой указываются все операции, на которых формируется рассматриваемый единичный параметр. Примеры «вырожден ных» схем ТП для некоторых параметров качества шарового пальца ВМ505, примененных при анализе технологической эффективности процесса произ водства, приведены в табл.3.2. 5. Определяется целевое значение Pj надежности выполнения требований к / -му параметру качества. 6. Для каждой выполняемой операции определяется характер закона распределения, для известных законов определяется вероятность Pj (t) выпуска годного изделия, краткосрочная воспроизводимость Ррк, другие параметры. Для операций контроля известными методами определяется вероятность принятия дефектного/бракованного изделия.
Расчет относительных единичных оценок технологической эффективности процесса производства шарового пальца ВМ505
Принятая схема деформации позволяет получать требуемое распределение параметров твердости по сечению заготовки шарового пальца для случая холодной объемной штамповки заготовки из исходного металлопроката с пре-делом прочности ов=720 Н/мм (рис 4.6, получено при штамповке опытной партии заготовки). Анализ распределения твердости по сечению заготовки показал, что в ряде зон твердость имеет значения, близкие к нижнему пределу твердости, определенному требованиями конструкторской документации. Совместные испытания на усталостную прочность (п.3.1.8) заготовок шаровых пальцев ВМ505 из стали 27MnSiVS6 (из опытной партии) и заготовок сходного типоразмера с идентичными требованиями к физико-механическим свойствам из стали 41CrS4V, показали, что у-процентный ресурс усталостной прочности шаровых пальцев из стали 27MnSiVS6 находится в непосредственной близости от нижней допустимой границы (нижняя допустимая граница ую%=200 000 циклов, полученное значение у10о/о=240 000). Анализом причин полученных результатов (выполненным в том числе с применением причинно-следственных диаграмм Исикавы и методов дисперсионного анализа [101]) установлено, что повышение у-процентного ресурса усталостной прочности шаровых пальцев из стали 27MnSiVS6 возможно повышением предела прочности (и, соответственно, твердости) материала в заготовке шарового пальца. В исходном металлопрокате, примененном при штамповке опытной партии заготовки шарового пальца установленное нижнее значение предела прочности св в партии составило 740 И/мм2. Установленное в технических требованиях контракта на поставку значение диапазона предела прочности а„= 720-820Н/мм2 для исходного ме-таллопроката с нижним значением ов= 720Н/мм не позволит гарантированно выполнять в условиях серийных поставок требования к усталостной прочности шарового пальца. Для принятой схемы деформации гарантированное выполнение требований к усталостной прочности, как установлено по результатам испытаний, возможно при нижней границе предела прочности исходного металлопроката ав =740Н/мм . Изменение технических условий поставки металла (сужение поля допуска предела прочности ов до диапазона 750-820Н/мм ) оказалось технически неприемлемым по технологическим возможностям поставщика исходного металлопроката. Смещение диапазона при сохранении размера поля допуска (например, ав =750-850Н/мм ) неприемлемо вследствие крайне низкой стойкости высадочного инструмента для случая 850Н/мм (для холодной штамповки, как правило, рекомендуется применять сталь с пределом проч-ности ав не более 650 Н/мм и относительным сужением не менее 55%.). Разрушение шаровых пальцев при проведении испытаний на усталостную прочность закономерно происходит в области перехода цилиндрической поверхности стержня в сферическую поверхность головки (в зоне наименьшего значения твердости, а следовательно и наименьшего значения предела прочности ав материала шарового пальца), либо в области перехода конуса шарового пальца в цилиндрический участок - месте защемления конуса в оснастке испытательной машины (соответствует рабочему положению пальца в конусе поворотного кулака автомобиля; изгибающий момент в месте выхода пальца из оснастки или поворотного кулака имеет максимальное значение). Для гарантированного обеспечения выполнения требований заказчика к усталостной прочности шаровых пальцев ВМ505 было принято решение об изменении схемы холодной объемной штамповки заготовки шарового пальца с целью повышения суммарной степени деформации материала до 15% в области цилиндрического участка (зона Ы7заготовки на рис. 4.8). Для гарантированного достижения требуемого минимального уровня предела прочности в зоне L17 заготовки шарового пальца, необходимо дополнительно увеличить величину накопленной относительной деформации в этой зоне не менее чем на 10% (при существующей схеме высадки суммарная степень деформации в указанной области не превышает 5%).
Исследование характера упрочнения стали 27MnSiVS6 показало, что сопротивление деформации стали монотонно растет с постоянной интенсивностью в диапазоне относительной деформации 8 = 0- 12%, точкой перегиба кривой является значение є = 12%, при достижении указанной величины относительной деформации сопротивление деформации монотонно растет при значительном снижении интенсивности упрочнения. Предварительное упрочнение исходного металлопроката двукратным волочением (суммарная величина относительной деформации 8=22,3%) позволило достигнуть величины сопротивле-ния деформации на уровне 921-931Н/мм (при 740 Н/мм в исходном прокате). Расчет новой схемы переходов холодной объемной штамповки заготовки [106] и прогнозирование свойств заготовки (на основе данных диаграммы упрочнения стали 27MnSiVS6) показали, что переход на новую схему позволит получить требуемое распределение прочностных свойств материала по сечению заготовки в зонах L17 и L18 (рис. 4.8 а и б) при пределе прочности исходного металлопроката ов=720Н/мм . При существующей схеме переходов это эквивалентно использованию исходного металлопроката с пределом прочности оа=760Н/мм2.
Результаты испытаний на усталостную прочность шаровых пальцев, заготовки которых были получены из исходного металлопроката с ов=760Н/мм2 на инструменте, реализующем прежнюю схему высадки, представлены на рис.4.7. Твердость шарового пальца в сечениях по длине (схема замеров аналогична представленной на рис.4.6) повысилась в среднем на 20 единиц HV10 сравне-нии с заготовкой, полученной из исходного металлопроката с са =740Н/мм ). В соответствии с представленными на рис. 4.7 результатами у-процентный ресурс составил для данного случая 1 321 000 циклов. Изменение схемы холодной объемной штамповки по переходам заготовки позволит обеспечить гарантированное выполнение требований заказчика к усталостной прочности шарового пальца при исходном пределе прочности материала в состоянии поставки на уровне ов=720-820Н/мм2.
На рис. 4.8 а и б представлено распределение относительных степеней деформации при существующей и предлагаемой схемам переходов соответственно. При предлагаемой схеме переходов набор конуса и сопряженного с ним цилиндра осуществляется осадкой в полости матрицы, а не редуцированием. Реализация данной схемы требует перехода на меньший диаметр исходного металлопроката при сохранении общих согласованных требований к его физико-механическим свойствам. Предложенное изменение схемы холодной объемной штамповки по переходам реализовано на ОАО «БелЗАН» (Прил. 2).
