Содержание к диссертации
Введение
1. Перспективы и проблемы производства автомобильного крепежа 8
1.1. Общие требования к резьбовым соединениям 8
1.2. Основные направления повышения прочности автомобильного крепежа 10
1.3. Использование холодной объемной штамповки в производстве крепежных изделий 20
1.4. Деформационные эффекты при холодной объемной штамповке крепежных изделий 22
1.5. Основные математические методы оценки и управления качеством металлоизделий 27
1.5.1. Квалиметрическая оценка качества металлопродукции 28
1.5.2. Использование математических инструментов стохастической оптимизации при оценке и управлении качеством металлопродукции 32
1.6. Выводы и задачи исследования 37
2. Развитие теории и методов оценки и управления качеством автомобильного крепежа 41
2.1. Технологический процесс как иерархическая система с горизонтальными связями 41
2.1.1. Процесс обработки металлов давлением как сложная система 41
2.1.2. Определение технической системы и его формализация 43
2.1.3. Основные понятия, характеризующие техническую систему 45
2.1.4. Содержательное определение функции, цель и структура технической системы 47
2.2. Теоретическое обоснование формулы свертки 49
2.3. Полезность и функции полезности 53
2.4. Полезность и качество 57
2.5. Вариативность квалиметрических шкал при оценке качества метизной продукции 61
2.6. Разработка методов и методик квалиметрической оценки качества автомобильного крепежа и способа его производства 67
2.7. Алгоритм выбора эффективных технологических схем изготовления крепежных изделий на основе использования квалиметрических оценок 77
Выводы по второй главе 80,
3. Выбор и разработка эффективной технологии производства болтов крепления головки блока цилиндров с фасонной головкой типа «torx» на основе квалиметрической оценки 81
3.1. Общая характеристика продукции 81
3.2. Анализ технологии производства высокопрочных фланцевых болтов на ОАО «БелЗАН» 89
3.3. Технология высадки высокопрочных болтов с фасонной головкой типа «TORX» 94
3.4. Разработка квалиметрической модели комплексной оценки качества фланцевых болтов с головкой типа «TORX» 101
3.5. Выбор эффективной схемы высадки фланцевых болтов на основе использования методов квалиметрии 109
3.6. Исследование напряженного состояния при редуцировании предварительно осаженных заготовок фланцевых болтов с фасонными головками типа «TORX» 129
3.6.1. Исследование упрочнения легированной стали при осадке 129
3.6.2. Исследование изменения свойств стали марки 30Г1Р при редуцировании после предварительной осадки 132
3.6.3. Результаты промышленной реализации предложенной технологической схемы 142
Выводы по третьей главе 154
4. Совершенствование процессов формирования потребительских свойств колесных болтов на основе квалиметрической оценки технологий 157
4.1. Общая характеристика сквозной технологии. изготовления колесных болтов 157
4.2. Исследование упрочнения стали марки 20Г2Р
при холодной объемной штамповке колесных болтов 160
4.3. Исследование изменения сопротивления деформации-стали по переходам высадки заготовок болтов 165
4.4. Анализ влияния истории нагружения стали 20Г2Р
на характер ее упрочнения 177
4.5. Совершенствование технологии производства колёсных болтов легковых автомобилей 186
4.6. Разработка квалиметрической функции обобщенного показателя потребительских свойств и способа производства колесных болтов различных конструкций 193
4.7. Выбор конструкции колесного болта и способа его производства на ОАО «БелЗАН» 203
Выводы по четвертой главе 222
5. Выбор и разработка эффективной технологии производства одно- и двухфланцевых корпусов шипов противоскольжения на основе квалиметрической оценки качества 225
5.1. Общая характеристика продукции 225
5.2..Анализ технологии производства одно и двухфланцевых шипов противоскольжения на ОАО «БелЗАН» 244
5.3. Предлагаемые технология высадки корпусов шипов противоскольжения 248
5.3.1. Технологии высадки однофланцевого корпуса 248
5.3.2. Технологии высадки двухфланцевого корпуса 253
5.4. Разработка квалиметрической модели комплексной оценки качества шипов противоскольжения 258
5.5. Выбор эффективной схемы высадки однофланцевых шипов противоскольжения на основе
использования методов квалиметрии 268
Выводы по пятой главе 283
6. Разработка технических решений по реализации технологических процессов производства автомобильного крепежа 284
6.1. Разработка технических решений по подготовки горячекатаного металла для холодной объемной штамповки 284
6.2. Разработка технических решений по совершенствованию технологического инструмента и оснастки для холодной высадки крепежных изделий 295
6.2.1. Разработка и использование методики сбора информации о работоспособности технологического инструмента ХОШ крепежных изделий 295
6.2.2. Совершенствование конструкции матриц для высадки многогранных изделий 299
6.3. Разработка технических решений по улучшению потребительских свойств борсодержащих сталей
для холодной высадки крепежных изделий 304
6.4. Внедрение и использование разработанных технических, технологических и организационных решений на ОАО «БелЗАН» 311
Выводы по шестой главе 314
Заключение 316
Библиографический список
- Использование холодной объемной штамповки в производстве крепежных изделий
- Теоретическое обоснование формулы свертки
- Разработка квалиметрической модели комплексной оценки качества фланцевых болтов с головкой типа «TORX»
- Разработка квалиметрической функции обобщенного показателя потребительских свойств и способа производства колесных болтов различных конструкций
Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях роста числа сборочных предприятий и увеличения выпуска автомобилей ведущих мировых автопроизводителей на территории Российской Федерации остро встает вопрос о локализации производства, в соответствии с которым определяемая государством часть стоимости автомобиля должна производиться на территории России. Этот вопрос имеет также и экономическое значение, поскольку направлен на снижение себестоимости, цены собранных автомобилей, повышения их конкурентоспособности. В связи с этим, имеется потребность ведущих мировых автопроизводителей в российских поставщиках автокомпонентов на сборочные заводы, расположенные на территории России, включая и автомобильные крепежные изделия. При этом устанавливаются высокие требования к их качеству, объему и условиям поставки. В условиях жесткой конкуренции ужесточает свои требования к поставщикам и крупнейший российский производитель легковых автомобилей – ОАО «АвтоВАЗ».
Сравнение продукции, выпускаемой ОАО «Автонормаль», основного поставщика крепежных изделий для ОАО «АвтоВАЗ», ОАО «КАМАЗ» и большинства метизных заводов России, с аналогичной продукцией ведущих западных фирм-производителей автомобильного крепежа показало, что часть отечественной продукции морально устарела и не отвечает современным требованиям по качественным показателям, не соответствует конструкции новых моделей автомобилей.
Одним из основных способов сохранения имеющихся рынков сбыта крепежных изделий и обеспечения выхода отечественных метизных заводов на автосборочные предприятия зарубежных фирм является освоение производства автомобильного крепежа прогрессивных конструкций высокого качества, имеющего повышенные потребительские свойства и низкую себестоимость. К такому крепежу можно отнести фланцевые болты, болты с пустотелой шестигранной и фасонной головкой типа «TORX», самостопорящийся крепеж и др. В настоящее время Департаментом технического развития ОАО «АвтоВАЗ» совместно с ОАО «Автонормаль» разработана программа освоения крепежных изделий прогрессивных конструкций и их внедрения на автомобилях Волжского автомобильного завода.
Несмотря на злободневность проблемы освоения производства и внедрения высококачественного крепежа, на сегодняшний день вопросы формирования заданного уровня качества и дефектности разработаны недостаточно. Указанное обстоятельство сдерживает производство и применение перспективного крепежа не только на Белебеевском заводе «Автонормаль» и Волжском автомобильном заводе, но и ограничивает поставки отечественных производителей на зарубежные автосборочные предприятия. В связи с вышесказанным, теоретические, технологические и производственные проблемы, связанные с совершенствованием процессов формирования качества автомобильного крепежа, рассматриваемые в представленной работе, являются актуальными и призваны повысить уровень метизного производства России.
Представленная диссертационная работа выполнена в цеховых и исследовательских лабораториях ОАО «Автонормаль» в производственных подразделениях завода и является продолжением и дальнейшим развитием комплекса работ, выполняемых на заводе на протяжении ряда лет.
Цель и задачи исследования.
Целью настоящей работы является развитие теории и методов оценки и управления качеством металлопродукции и совершенствование процессов формирования потребительских свойств автомобильного крепежа с регламентированным уровнем качества.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка методов оценки и управления качеством автомобильного крепежа и метизных изделий на основе развития теории квалиметрической оценки готовой продукции и способов ее производства.
2. Исследование процессов деформационного воздействия на стальные заготовки при холодной высадке крепежных изделий для более эффективного использования ресурса пластичности исходного металла, обеспечения бездефектной штамповки изделий, снижения энергосиловых параметров процесса и рационального проектирования технологических переходов изготовления отдельных видов крепежа современной конструкции с заданным уровнем качества.
3. Разработка эффективных параметров технологических процессов производства высокопрочных болтов различной конструкции и корпусов шипов противоскольжения для автомобильной промышленности, обеспечивающих формирование регламентированных потребительских свойств.
4. Разработка технических решений по реализации предложенных технологических процессов производства метизной продукции для автомобилестроения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработан методологический подход для изучения эффективности технологического процесса производства крепежа, основанный на представлении технологического процесса как операционной системы.
2. На основе системного подхода предложена схема иерархии свойств процесса изготовления крепежа, как дерева с тремя ветвями: свойства исходной заготовки, свойства технологии и готовой продукции. Разработана методика оценки единичных свойств технологических процессов изготовления крепежа, включающая применение гаммы зависимостей оценки от физических и организационно-экономических показателей. Предложенная гамма зависимостей учитывает различные варианты динамики связей и охватывает все исследуемые показатели.
3. Разработана методика свёртки единичных и групповых показателей эффективности технологии. Методика включает использование известных ранее и разработанных автором формул, отражающих аддитивную связь отдельных показателей. Использование различных формул свёртки позволяет адекватно моделировать связи для обширного класса технологических процессов. Предложенные формулы аддитивной связи оценок эффективности наиболее удобны для определения весомостей при экспертном опросе.
4. Получены новые научные знания о процессах деформационного воздействия на заготовки из стали 20Г2Р и 30Г1Р при холодной высадке болтов различных конструкций, позволяющие на основе учета упрочнения металла рационально использовать ресурс пластичности исходной стальной заготовки, обеспечивать бездефектную штамповку продукции, снизить энергосиловые параметры процесса, рационально проектировать технологические операции изготовления готовых изделий с заданным уровнем качества.
5. Предложены аналитические и графические зависимости, отражающие закономерности влияния состояния нагружения на пластичность и упрочнение стальных заготовок в процессах холодной объемной штамповки (ХОШ) колесных болтов и фланцевых болтов для крепления головки блока цилиндров, позволяющие более достоверно прогнозировать и снижать уровень дефектности готовой продукции и коэффициент использования материала.
Практическая ценность работы:
1. Выявлены закономерности влияния схемы холодной высадки фасонной головки на ресурс пластичности стали 30Г1Р и снижение дефектности готовой продукции. Установлено, что учет эффекта Баушингера при распределении деформаций по переходам ХОШ, позволяет осуществлять бездефектное формование сложных фасонных головок типа «TORX» без промежуточных термических обработок.
2. Выявлены закономерности влияния конструкции и схемы ХОШ колесного болта на ресурс пластичности стали 20Г1Р и снижение потерь металла и дефектности готовой продукции. Предложенные на основе использования выявленных закономерностей переходы ХОШ колесных болтов позволили обеспечить бездефектное формоизменение заготовок из стали 20Г2Р колесных болтов без промежуточных смягчающих отжигов.
3. Для снижения затрат на технологический штамповый инструмент и обеспечения длительного и стабильного формирования геометрических параметров крепежных изделий разработан и внедрен на ОАО «БелЗАН» классификатор дефектов технологического инструмента ХОШ.
4. Для решения технологических задач, связанных с производством болтов крепления головки блока цилиндров, колесных болтов и стальных корпусов для шипов противоскольжения, разработан и внедрен на ОАО «БелЗАН» пакет нормативной и конструкторско-технологической документации. Изготовленные в условиях завода изделия успешно прошли испытания на ОАО «АвтоВАЗ», ОАО «Нижнекамскшина» и ФГУП «НАМИ».
Реализация работы. Все результаты диссертационной работы внедрены на ОАО «БелЗАН». Предложенные в диссертации технические, технологические и организационные решения позволили:
- повысить стабильность производственного процесса изготовления фланцевых болтов с фасонной головкой типа «TORX» и их эксплуатационные показатели. В результате внедрения предложенных мероприятий повысился уровень качества указанных изделий, уменьшился разброс значений критических параметров фланцевых болтов и снизился объем несоответствующей продукции;
- унифицировать производственный процесс изготовления колесных болтов для различных моделей автомобилей, повысить стабильность их изготовления, а также улучшить потребительские свойства этих изделий; в результате использования разработанных мероприятий: повысился уровень качества указанных изделий; уменьшился разброс значений критических параметров колесных болтов; снизился объем несоответствующей продукции; повысилась стойкость холодновысадочного инструмента; увеличились объемы производства указанных болтов; повысился коэффициент использования материала до 96 %. Экономия металла на программу всех моделей колесных болтов составит 290 т. Предполагаемый экономический эффект - 4,35 млн. рублей в год.
- освоить производство в условиях ОАО «БелЗАН» стальных корпусов для шипов противоскольжения, что обеспечило выпуск изделий «Шипы противоскольжения в сборе для легковых автомобилей» в соответствии с требованиями ОСТ 37.001.691-2002 для Нижнекамского шинного завода.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: Международной конференции «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии» (Новокузнецк, 1997); 4-ом, 5-ом, 6-ом, 7-ом международных конгрессах прокатчиков (Магнитогорск, 2001; Череповец, 2003; Липецк, 2005; Москва, 2007); науч.–техн. конф. «Непрерывные процессы обработки давлением» (Москва, 2004); II Междунар. науч.-техн. конф. «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки металлов давлением» (Тула, 2004); Российской школе «Наука и технологии. Технология и машины обработки давлением» (Москва, 2005); междунар. науч.-техн. конф. «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2005, 2007); школе-семинаре «Фазовые и структурные превращения в сталях» (п. Кусимово, Башкортостан, 2004, 2006); ХХХVI Уральском семинаре (Екатеринбург, 2006); II Междунар. науч.-техн. конф. «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2006); ежегодных науч.-техн. конференциях ГОУ ВПО «МГТУ», а также на технических советах ОАО «БелЗАН» с 1997 по 2007 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликована 71 научная работа, в т.ч. 3 монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Текст диссертации изложен на 350 страницах машинописного текста, иллюстрирован 68. рисунками, содержит 65 таблиц, библиографический список включает 170 наименований, в т.ч. 40 патентов и изобретений.
Использование холодной объемной штамповки в производстве крепежных изделий
По мере усложнения производственных процессов, развития науки появились задачи, которые не решались с помощью традиционных математических методов. Последние,.как правило, подразумевают моделирование процесса при помощи системы уравнений и дальнейшее его исследование путём анализа математической модели. Таков был путь развития исследований процессов ОМД в двадцатом веке.
Так же как и во многих других отраслях науки и техники бурное развитие получили методы, поддерживаемые численными алгоритмами, реализуемыми на ЭВМ. Обширные возможности вычислительной техники порождали иллюзии неограниченности этих возможностей. Однако, рассматривая итоги развития исследований в области ОМД, следует отметить, что они были в значительной мере сосредоточены на исследовании процессов формоизменения, пластической и упругой деформации металлов [91. 92]. Между тем, современные технологические процессы ОМД, характеризуются многопередельностьго, совмещением с подготовкой металлов (травление, термообработка, обдирка и пр.), последующей доводкой проката до требований потребителя (калибровка, шлифовка и пр.). Таким образом, технологический процесс - совокупность технических процессов, различных по своей физической природе: горячее и холодное формоизменение, термическая обработка и т.д.
С другой стороны, нельзя не учитывать и организационные, экономические и прочие факторы, безусловно, влияющие на конечный продукт. Да и само понятие конечного продукта можно трактовать по-разному. Это не только металлическое изделие, но и обширный набор характеристик, которые обычно интегрируются в экономических показателях.
Даже из первичного поверхностного анализа ясно, что комплексное исследование технологического процесса ОМД требует подходов, выходящих за рамки одной математической модели. Технологический процесс следует рассматривать как нечто целое, состоящее из разнородных составляющих, связанных между собой разнообразными зависимостями, из которых не все поддаются описанию при помощи количественных зависимостей, используемых классической математикой (дифференциальным и интегральным исчислением). Наиболее эффективно такие сложные объекты описываются при помощи теории систем и смежных с ней дисциплин.
Потребность в использовании понятия «система» возникла для объектов различной физической природы с древних времён: ещё Аристотель обратил внимание на то, что целое (система) несводимо к сумме частей, его образующих. В частности, термин «система» и связанные с ним понятия комплексного, системного подхода исследуются и подвергаются осмыслению философами, биологами, кибернетиками, физиками, математиками, экономистами, инженерами различных специальностей.
Системный подход как самостоятельный способ взаимодействия с информацией об окружающем мире был декларирован, прежде всего, в области обществоведения, так как именно здесь размер (и размерность) объектов исследования выходила далеко за рамки возможностей целостного охвата исследовательскими инструментами. Гораздо проще и эффективнее системный подход «сработал» в применении к техническим системам, где изобретательская мысль, помноженная на аппарат системного анализа, во много раз усиливала свой потенциал. 2.1.2. Определение технической системы и его формализация
Современная научная литература содержит множество определений системы, охватывающих достаточно большой спектр конкретных структур. Принятие в исследованиях того или иного определения системы зависит от целей работы, опыта исследователя, имеющейся информации об объекте исследования. Мы предлагаем следующие определения, которые обобщают известный нам спектр подходов [93, 94].
Обобщенные формулировки:
Предметная система - это упорядоченное в пространстве определенным образом множество элементов, взаимосвязанных между собой и образующих некоторое целостное единство.
Операционная система - это упорядоченная во времени последовательность действий (операций), взаимосвязанных между собой и образующих некоторое целостное единство.
Конкретизируем эти определения, для того, чтобы приблизить их к объектам нашего исследования - технологическим процессам производства крепежа. Для этого введём понятия технической и информационной систем. Также как среди систем вообще будем различать среди них предметные и операционные системы (системы типа «процесс»),
Предметная техническая система - это искусственно созданное материальное единство целесообразно организованных в пространстве и времени и находящихся во взаимной связи искусственных или природных объектов, имеющее целью своего функционирования удовлетворение некоторой общественной потребности.
Техническая система типа «процесс» - это искусственно выстроенная совокупность целесообразно организованных в пространстве и времени и находящихся во взаимной связи действий и операций над материальными объектами, имеющая целью своей реализации удовлетворение некоторой обществен 44 ной потребности. Предметная информационная система — это упорядоченные определенным образом блоки информации, взаимосвязанные между собой и образующие некоторое целостное единство.
Информационная система типа «процесс» (акт управления информацией) - это упорядоченная определенным образом последовательность целесообразно организованных правил взаимодействия между предметными информационными системами.
Термин «система» используют в тех случаях, когда хотят охарактеризовать исследуемый или проектируемый объект как нечто целое, сложное, о котором невозможно сразу дать представление, показав его, изобразив графически или описав математическими формулами, уравнениями и пр. Понятие системы формировалось поэтапно и сейчас можно использовать определения системы той или иной меры сложности и полноты в зависимости от предмета и цели исследования.
Теоретическое обоснование формулы свертки
Совокупность предложенных формул (3.4), (3.5) представляет собой ква-лиметрическую модель формирования качества фланцевых болтов с фасонной головкой типа «TORX» в процессе их производства. Указанная модель вполне может быть использована в качестве целевой функции для выбора эффективной схемы технологического процесса производства указанной продукции, поскольку структурно состоит из параметров качества готовых болтов и параметров технологического процесса, общих для всех существующих вариантов.
Выбор эффективной схемы высадки фланцевых болтов на основе использования методов квалиметрии На предыдущих этапах работы предложена методика выбора эффективных вариантов технологических процессов производства фланцевых болтов с фасонной головкой типа «TORX», и в связи с этим, разработана квалиметриче-ская модель формирования качества данной продукции. Однако для использования указанной методики необходим выбор и обоснование базовых значений единичных показателей качества, а также сбор фактического материала по результатам реализации возможных вариантов технологии в производственных условиях.
Для оценки геометрических параметров в рамках настоящей работы приняты требования чертежей на фланцевые болты 2108-1003271-01 и 21213— 1003271-01, утвержденных в установленном порядке на ОАО «АвтоВАЗ». Минимальные и максимальные значения единичных параметров соответствовали крайним значениям полей допуска на соответствующие размеры. В качестве базовых значений единичных показателей качества принимались значения, соответствующие середине поля допуска на размер. На наш взгляд, такой выбор можно считать обоснованным, поскольку при эксплуатации болтов наилучшие геометрические параметры соответствуют по геометрические параметры соответствуют середине поля допуска на размер. Этот подход не противоречит и правилу 6-«сигм». Исключение составляют параметры кривизны болта и несоосность различных его частей.
В качестве числовых значений параметров физико-механических характеристик и структурного состояния исходного металла и готового изделия принимались требования нормативно-технической документации. За базовые значения по параметрам исходного металла принимались минимальные прочностные характеристики и максимальная пластичность, достигнутая при подготовке металла. На готовых изделиях - максимальная прочность и твердость, минимальный обезуглероженный слой, полное прохождение структурных превращений при закалке и отпуске. При анализе стойкости инструмента в качестве базового значения — максимальное значение, достигнутое по любой из схем для данного типа болта.
Фактический материал по качественным показателям процесса производства был собран в условиях ОАО «БелЗАН». При этом по каждому варианту был разработан временный технологический процесс, разработан и изготовлен прессовый инструмент, подготовлена по заводской технологии стальная заготовка, отлажен выпуск годной продукции и выпущены опытные партии изделий. Для производства рассматриваемых типов болтов использовалась борсо-держащая сталь 30Г1Р.
Для чистоты и большей достоверности экспериментов болты по всем анализируемым схемам изготавливались из одной партии металла, которая соответствует одной плавке и садке. Замер и учет всех параметров производился в соответствии с действующими на заводе инструкциями, методиками, техническими условиями и нормативами. В расчет принимались данные по 10 изделиям, отобранным случайным образом от каждой партии. Под партией, в данном случае, понимается объем изделий данного типа, изготовленный по одной из рассматриваемых схем штамповки и 10 пробам исходного металла после его подготовки к пластической деформации, взятым перед задачей металла на высадку.
Следует отметить, что все изделия, изготовленные по различным схемам, соответствуют нормативно-технической документации (НТД), отгружаются потребителю и используются при сборке автомобилей.
Для расчетных процедур, при реализации методики выбора эффективной технологии производства фланцевых болтов были использованы стандартные средства электронных таблиц Microsoft Excel.
Исходные данные, фактический материал и результаты расчетов комплексных показателей качества болтов 21213 -1003271-01 и 2108 -1003271-01, изготовленных с применением различных схем штамповки (см. рис. 3.3-3.5) представлены в табл. 3.15-3.26; итоговые данные по расчету показателей качества представлены в табл. 3.27.
Принимая во внимание условия (2.15) и (2.16) и, основываясь на результатах проведенных расчетов, можно сделать вывод, что схема штамповки № 3 (см. рис. 3.5) обеспечивает лучшие геометрические параметры болтов обоих типов, так как комплексные показатели качества их геометрии для этой схемы наивысшие (см. табл. 3.27). Дальнейшее совершенствование технологии высадки болтов М12 проводилось на основе описанной схемы № 3.
Разработка квалиметрической модели комплексной оценки качества фланцевых болтов с головкой типа «TORX»
Суммарные относительные степени деформации определялись с учётом исходного диаметра заготовки 13,4 мм. Схема II технологического процесса высадки колёсного болта 2112 -3101040 - 20 включает следующие переходы (см. рис. 4.5). Первый переход - редуцирование стержня на диаметр 11,75 мм и образование цилиндрической головки с фасками. Второй переход - вторая стадия предварительной высадки головки с выпуклой частью. Третий переход — редуцирование части стержня под накатку резьбы (диаметр 11,05 мм), редуцирование цилиндрической части головки с предварительным образованием фланцевой части. Четвёртый переход — выдавливание фасонной головки типа «TORX» с фланцем. Параметры деформации отдельных частей заготовок, высаженных по схеме II, приведены в табл. 4.3 и на рис. 4.7. На рис. 4.8 представлены результаты исследований изменения интенсивности напряжений центральных слоев заготовок болтов при высадке головки и редуцировании стержня по схеме I (болт колёсный 2108-3101040). = +8
Проволока диаметром 13,4 мм для высадки подготавливалась по маршруту «а» с использованием травления, фосфатирования и волочения и по маршруту «б» с использованием ДОС, фосфатирования и волочения. Относительная степень деформации при волочении - 8%.
Видно, что на первых переходах происходит упрочнение стали как в головке заготовки, так и в стержне. Осадка стержня на третьем переходе с относительной степенью деформации е — 1% не снижает сопротивление деформации стали, подвергшейся предварительному редуцированию с суммарной относительной степенью деформации q = 32%.
Интенсивность упрочнения материала, обработанного по маршрутам «а» и «б» его подготовки (б - ДОС), одинакова. Максимальное значение сопротивления деформации достигает величины 940 МПа.
Абсолютные величины сопротивления деформации металла, обработанного с применением ДОС и травления, различаются при переходах высадки на величину их разности у проволоки (степени деформации при высадке - 0).
На рис. 4.9 приведены результаты исследований изменения интенсивности напряжений центральных слоев заготовок болтов при высадке головки и редуцировании стержня с использованием маршрутов подготовки проволоки «в» и «г». Перед последним волочением с относительной степенью деформации q = 4% проведен отжиг металла.
Видно, что упрочнение стали заготовок по переходам, идентично ранее рассмотренному на рис. 4.8. При этом упрочнение одинаково для различных вариантов подготовки заготовки перед отжигом. Отмечается, что на третьем переходе при предварительном первом редуцировании, последующей осадке с незначительной степенью относительной деформации е = 1% и последующем втором редуцировании происходит снижение сопротивления деформации стали. Максимальное значение сопротивления деформации достигает величины 890 МПа при высадке головки.
На рис. 4.10 представлены результаты исследований изменения интенсивности напряжений центральных слоев заготовок болтов при высадке головки и редуцировании стержня по схеме II (болт колёсный 2112-3101040-20).
Если до второго перехода наблюдается более интенсивное упрочнение мало наклёпанной стали, проволочённой с меньшей относительной степенью деформации q = 4%, по сравнению с сильно наклёпанной (q = 8%), то далее по переходам, по мере увеличения числа деформаций с разными знаками, сопротивление деформации выравнивается и не изменяется. Оно находится на уровне 800 МПа как для головки заготовки, так и для стержня. Повторное редуцирование стержня после первого редуцирования и осадки (е — 0,8%) не приводит к увеличению сопротивления деформации.
Обращает на себя внимание та особенность процесса высадки, что повторное редуцирование стержня заготовки болта во всех вариантах высадки не приводит к заметному увеличению сопротивления деформации стали, как принято считать в литературе.
Из исследованных схем высадки колёсных болтов, при учёте изменения сопротивления деформации стали по переходам, предпочтительнее вторая схема с равномерным распределением сопротивления деформации по переходам и небольшими её значениями, равными 800 МПа.
Разработка квалиметрической функции обобщенного показателя потребительских свойств и способа производства колесных болтов различных конструкций
В настоящее время к шинам, предназначенным к эксплуатации в зимних условиях, предъявляют жесткие требования по тормозным и скоростным характеристикам. При использовании автомобиля в условиях постоянного снежного покрова, гололедицы и временных оттепелей хорошо зарекомендовали себя шины с шипами противоскольжения.
Одновременно с появлением первых шин с шипами возникли и споры о целесообразности их применения, которые длятся с переменным успехом уже более 30 лет. Противники в основном обращают внимание на экологию. В качестве аргументов приводятся данные о вредном влиянии асфальтобетонной пыли, выбиваемой из дорожного полотна; повышенной шумности, достигающей по некоторым данным 82 дБ(А) (с обычным дорожным протектором она не превышает 77 дБ(А). Сторонникам шипов такая аргументация не кажется серьезной. С цифрами в руках они доказывают, что экология, в первую очередь, страдает от самого автомобиля и химических реагентов, применяемых дорожными службами. При ежеминутном выбрасывании в атмосферу миллионов кубометров выхлопных газов асфальтовая пыль ничтожная добавка. Зато применение шипов позволяет сберечь здоровье, а зачастую и жизни, ежегодно сотням тысяч людей [139].
Этот спор бесконечный и чаще всего решается на государственном уровне. Практически во всех европейских странах, а также в США и Канаде есть законы, определяющие порядок применения ошипованных шин (табл. 5.1). Они запрещены в Болгарии, Германии, Польше, Португалии, Румынии, Словакии, Турции, Чехии, Югославии и в пяти южных штатах США.
Норвегия С 1 ноября до первоговоскресенья послеПасхи Общее ограничение скорости Португалия - Применение запрещено Польша - Применение запрещено Румыния - Применение запрещено Швеция С 1 ноября до первоговоскресенья послеПасхи Общее ограничение скорости Словакия - Применение запрещено Словения - Применение запрещено Турция - Применение запрещено Югославия - Применение запрещено 228
Как видно из табл. 5.1, применение ошипованных шин запрещено преимущественно в южных странах с мягкой зимой. Интересно отметить, что после гололедов в последние годы в Германии всерьез заговорили о разрешении шипов [140]. В России же до сих пор нет никаких ограничений, связанных с применением шипов противоскольжения, принятых на государственном уровне.
Однако, вернемся к проблемам безопасности. На сегодняшний день современные конструкции шипов противоскольжения позволяют существенно улучшить характеристики автомобиля и повысить безопасность при движении в сложных климатических условиях в зимнее время. Особенно шипы полезны на мокром льду при температуре, близкой к нулю, а также на заснеженных участках дорог, когда укатанный снег подтаивает от давления колес и превращается в каток [141].
Преимущества ошипованных шин на дороге, покрытой льдом, очевидны. Коэффициент сцепления шин с дорогой на сухом асфальте летом достигает 0,8, а на мокром покрытии уменьшается до 0,5...0,6. Зимой на льду этот коэффициент падает до 0,1...0,15 при использовании летней резины. Специальные зимние шины позволяют увеличить коэффициент сцепления до 0,2...0,25, применение же шипов противоскольжения - до 0,3...0,4 [140].
Одним из главных преимуществ автомобиля на ошипованных шинах заключается в том, что управление всегда остается предсказуемым и позволяет водителю иметь возможность маневра в аварийной ситуации.
Применение ошипованных шин значительно улучшает динамические характеристики автомобиля, при этом тормозной путь уменьшается в 2...2,5 раза, динамика разгона улучшается на 30...45 %, а скорость прохождения поворота возрастает на 45...70 %.
По данным финского исследовательского центра VVT в ходе проведенных многолетних наблюдений и испытаний было выявлено, что при 95 % оснащении автомобилей шинами с шипами противоскольжения ущерб от аварийности снижается в несколько раз, при этом дороги можно почти не посыпать солью, которая неблагоприятно воздействует на экологию.
Необходимо отметить, что ошипованные шины очень быстро приобретают популярность. Это наглядно подтверждает динамика роста количества ошипованных автомобилей в скандинавских странах (рис. 5.1).
Данная тенденция постепенно наблюдается и в России, в связи с тем, что в зимний период большая часть страны покрыта снежным покровом и низка среднемесячная температура.
Проведенные в Европе исследования показали, что применение шипов в странах с холодным климатом необходимо, но требует регламентированного применения для сведения негативных последствий к минимуму. В разные годы этой проблемой занимались Берлинский Технический университет, Департамент шоссейных дорог Франции, Шведский Институт дорожных и транспортных исследований VTI и Финский испытательный центр VVT. Обобщенным итогом этих исследований стало выявление параметров, влияющих на уровень ущерба от дорожно-транспортных происшествий. Далее в порядке значимости
Разновидностей и типов шипов множество. Несмотря на это, все применяемые шипы имеют примерно одинаковую конструкцию. Конструкция современного шипа противоскольжения состоит из двух деталей: корпуса и твердосплавной вставки, которая либо запрессовывается, либо припаивается твердыми припоями. От твердости и износостойкости твердосплавной вставки в основном зависит работоспособность шипа. Корпус же служит для крепления вставки, надежной фиксации всей конструкции в протекторе и передачи механических усилий от вставки на протектор и наоборот [142].
На сегодняшний день для ошиповки зимних колес используют одно-, двух- и трехфланцевые конструкции шипов (рис. 5.2). Применение многофланцевых корпусов шипов, в основном, мотивируется схемой работы шипа.
На первый взгляд складывается мнение, что в контакте с дорожным полотном шип испытывает только осевую нагрузку, которая вдавливает его в протектор. Однако, на самом деле основной удар приходится по касательной к траектории движения головки шипа. Поэтому результирующая сила не только не вдавливает шип, а наоборот, стремится вырвать его из отверстия в протекторе. При этом вектор нагрузки во время разгона автомобиля совпадает с направлением его движения, а при торможении направлен в обратную сторону [143]. Такая раскачка шипа негативно сказывается на времени удержания шипа в колесе.
С увеличением количества фланцев в конструкции повышается стойкость удержания в резине, снижается угол отклонения от исходного радиального положения в процессе эксплуатации и повышается защита от коррозии (благодаря созданию дополнительных перегородок, не допускающих попадание влаги и соли в рабочее пространство). При этом одновременно увеличивается вес шипа и затраты на изготовление. Поэтому наибольшее распространение получили одно- и двухфланце-вые конструкции. Однако, применение двухфланцевых корпусов является предпочтительнее, так как стабилизирующий фланец препятствует наклону шипа и обеспечивает надежное удержание шипа в резине. Центр поворота такого шипа ниже обычного (рис. 5.3), отклонение (/) по вертикали меньше, чем у однофланцевого (L), следовательно, прокол льда и зацепление эффективней [144].
Современные зарубежные производители шипов противоскольжения, такие как Ugigrip (Франция), Tikka-Nastat (Финляндия), Turvanasta (Финляндия) и др. изготавливают корпуса шипов чаще всего из легированного алюминия, стали и пластмассы. Применение альтернативных материалов (алюминия и пластмассы) было вызвано требованием дорожных служб к уменьшению веса шипов. Как показали эксплуатационные испытания для российских условий, корпуса шипов, изготовленные из стали, наиболее прочные и износостойкие. Алюминиевые корпуса плохо переносят соль, которой обильно посыпают дороги в России и разрушаются в течение одного сезона, а корпуса из пластика быстро изнашиваются [145].
Помимо усовершенствования конструкции и материала корпуса шипов противоскольжения предпринимались попытки изменения круглой формы поперечного сечения твердосплавной вставки. В качестве примера можно привести «квадратные» шипы фирмы Nokian Tyres. Простая идея, заключающаяся в применении твердосплавной вставки различной формы (рис. 5.4), позволила варьировать сцепными свойствами в продольном и поперечном направлениях. По сравнению с круглой формой, квадратная форма с углами, направленными вдоль и поперек плоскости вращения колеса, улучшает продольное и поперечное сцепление шипа на 5%.
