CC BY
399
92/ (mi
г: г^гштптп
3 (71), 2013-
mm
УДК 621.74
Поступила 30.04.2013
П. А. ПАрхОмчик, В. В. рудый, В. Е. АнтОнЮк, ОАО «БелАЗ»
ОСОБЕННОСТИ КОЛЬЦЕРАСКАТКИ В УСЛОВИЯХ МЕЛКОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРОФИЛЬНЫХ КОЛЕЦ
рассматриваются актуальные проблемы использования кольцераскатки в условиях мелкосерийного производства применительно к производству карьерных самосвалов семейства БелАЗ. Особое внимание уделяется определению оптимальных параметров кольцераскатки для профильных колец.
Actual problems of application of ring rolling in the conditions of small-lot production in relation to production of dump trucks of the BelAZ line are considered. The special attention is paid to determination of optimum parameters of ring rolling for profile rings.
Введение
Зарубежное машиностроение для изготовления кольцевых заготовок успешно использует кольцераскатные станы с ЧПУ, которые обеспечивают высокую и стабильную точность, минимальные припуски под последующую обработку, позволяют легко переналаживаться на изготовление различных типов колец, учитывают свойства материала колец и с помощью программного обеспечения корректируют режимы раскатки. Полученные таким образом заготовки колец не имеют дефектов, брак при последующей обработке полностью исключается. Детали, полученные из кольцера-скатных заготовок, как правило, имеют повышенные механические свойства.
В 2008 г. на предприятии «Уральская кузница» (г. Чебаркуль) введен в эксплуатацию кольцера-скатной стан RAW 200(250)/160(200)-3500/1000, который является первым купленным в России кольцераскатным станом для производства колец диаметром до 3500 мм [1]. В 2010 г. компания РОСПОЛИМЕТ в г. Кулебаки ввела в эксплуатацию кольцераскатной стан RAW 400(500)/400(500)-6000/1200, на котором можно изготавливать кольца диаметром до 6000 мм [2].
На большинстве кольцераскатных станов изготавливаются непрофилированные кольца с прямоугольным сечением. Изготовление таких колец требует минимальных затрат на инструмент и переналадку кольцераскатного стана на другие размеры колец, в результате достигается минимальная стоимость изготовления кольца. Однако в этом случае не учитываются коэффициент использова-
ния материала и затраты на дальнейшую обработку колец.
Стратегия кольцераскатки при изготовлении профильных колец
При проработке целесообразности закупки оборудования для кольцераскатки для номенклатуры деталей Белорусского автомобильного завода возникла необходимость решения проблемы изготовления большой номенклатуры профилированных колец при их мелкосерийном производстве.
Кольцераскатной комплекс, в который входит весь набор оборудования для изготовления колец, является сложным и дорогим техническим решением, поэтому одно из важнейших условий приобретения кольцераскатного комплекса - выбор оптимальных параметров по соотношению цены и технических возможностей. В настоящее время в мировой практике кольцераскатки не имеется кольцераскатных комплексов, которые по своему составу и техническим параметрам приближались к техническим требованиям кольцераскатного комплекса для номенклатуры деталей БелАЗа.
В кольцераскатной комплекс для номенклатуры деталей БелАЗа должны входить различные виды оборудования:
• участок складирования материала;
• комплекс для резки металла;
• нагревательное устройство;
• манипулятор или средства механизации от нагревательного устройства к прессу;
• пресс для осадки и прошивки заготовок;
штг^ г: ктшгтгя / од
-3(71), 2013/ VII
• устройство для дополнительного нагрева заготовок после пресса;
• манипулятор от пресса к кольцераскатному стану;
• кольцераскатной стан;
• перегружатель от кольцераскатного стана на транспортер;
• транспортер для колец;
• устройство для термообработки колец;
• устройство для калибровки колец - эспандер.
Использование систем ЧПУ для управления
процессом изготовления колец позволило принципиально изменить технологический процесс изготовления колец. Система ЧПУ современного коль-цераскатного стана позволяет контролировать и управлять процессом кольцераскатки изготовления буквально каждого отдельного кольца, что, в конечном итоге, позволяет получать высококачественное кольцо по физико-механическим свойствам при минимальных припусках под последующую обработку. Контроль за состоянием температуры кольца позволяет выполнить технологический цикл изготовления кольца с одного нагрева, что значительно снижает энергозатраты производства.
Для номенклатуры деталей БелАЗа необходимо создание принципиально новой системы управления не только процессом кольцераскатки, но и всего кольцераскатного комплекса. Зарубежный опыт кольцераскатки показал, что пока в мировой практике отсутствуют такие решения.
В связи с изложенным выше возникает необходимость разработки стратегии кольцераскатки с учетом особенностей номенклатуры деталей БелАЗа, которая заключается в том, что следует сопоставить затраты на получение профильного кольца и получаемую выгоду от экономии материала и затрат на последующую мехобработку. В стратегию кольцераскатки входит также выбор оптимальных режимов, позволяющих при минимальных мощностях, затрачиваемых на деформирование кольца, достичь наилучших результатов по точности и заданной форме готового кольца.
В работе [3] даны варианты выбора контура кольца в зависимости от программы выпуска колец. Из рис. 1 видно, какой окончательный про-
Программа аьшуска
Рис. 1. Рекомендуемые формы сечения кольца в зависимости от программы выпуска
филь кольца следует применять в зависимости от величины программы выпуска. При малых программах целесообразно получать кольцо с формой 1 прямоугольного сечения. По мере роста программы можно использовать формы 2 и 3, приближенные к форме окончательной детали. При больших программах выпуска рекомендуется использовать форму 4, максимально приближенную к окончательной форме детали.
Изготовление колец с профилированным сечением является сложной задачей. Проблема заключается в том, что при профилировании вращающегося кольца не происходит точного совпадения профиля роликов и получаемого профиля кольца. Точность готового кольца зависит от пластических свойств материала, режимов деформирования, соотношения размеров поперечного сечения.
При изготовлении несимметричных профилей необходимо создание условий для симметричного течения материала. В некоторых случаях это достигается одновременной кольцераскаткой двух колец с последующей разрезкой (рис.2).
В ряде случаев требуется проведение дополнительных исследований по определению возможностей достижения желаемого профиля. Вместе с тем, изготовление профилированных колец позволяет получить значительную экономию материала, что оправдывает затраты на усложнение процесса кольцераскатки.
На рис. 3 представлены относительные величины затрат на окончательное изготовление деталей в зависимости от использования различных форм сечения раскатанного кольца [3].
Рис. 2. Раскатка двух несимметричных колец: а - наружное кольцо подшипника; б - внутреннее кольцо подшипника; в -замочное кольцо
94/ (71]
г кътжпъ
(71), 2013-
Рис. 3. Затраты на изготовление деталей с различными формами сечения кольца после кольцераскатки
Как видно из рисунка, суммарные затраты на изготовление окончательной детали находятся почти на одном и том же уровне для форм 3 и 4. Это позволяет сделать вывод о том, что не следует стремиться любой ценой при кольцераскатке достичь приближения профиля кольца к окончательному профилю детали.
Создаваемая система управления кольцера-скатным комплексом для номенклатуры деталей БелАЗа должна обеспечить выполнение двух основных требований:
• обеспечение равного тактового времени на всех операциях и видах оборудования, входящих в кольцераскатной комплекс;
• обеспечение технологических режимов на всех операциях изготовления кольца с одного нагрева.
Для выполнения приведенных выше требований по выбору оптимальных параметров кольцера-скатного комплекса и планирования его эффективного использования необходимо сделать ряд расчетов и обоснований, в состав которых входят следующие этапы работ:
1) для выбранной номенклатуры деталей разработать чертежи заготовок этих деталей после первой операции обработки полученной заготовки на кольцераскатном комплексе;
2) назначить припуски и допуски на обрабатываемые поверхности и допуски на необрабатываемые поверхности после кольцераскатки, разработать чертеж получаемого кольца на кольцераскат-ном комплексе;
3) выполнить группировку деталей по размерам, массе и типам профилей;
4) для номенклатуры деталей с профилем разработать унифицированные профили для сокращения номенклатуры профильных валков;
5) в зависимости от группировки деталей определить количество типоразмеров штамповой и коль-цераскатной оснастки;
6) разработать размеры партий и периодичность изготовления для каждой группы деталей;
7) разработать очередность замены штамповой и кольцераскатной оснастки;
8) разработать очередность запуска в производство требуемого сортамента проката;
9) разработать очередность работы нагревательных устройств и других систем обслуживания кольцераскатного комплекса;
10) установить загруженность кольцераскатно-го комплекса.
Приведенная выше информация является исходной для планирования работы кольцераскатного комплекса и вводится в систему управления ЧПУ кольцераскатным комплексом.
Для выбранной номенклатуры деталей (или для деталей-представителей по каждой группе деталей) выполняются расчеты параметров заготовки после разрезки (длина, диаметр, масса); температуры и времени нагрева для операции получения заготовки кольца на прессе; потери на окалину при обработке на прессе и кольцераскатном стане; параметров заготовки кольца после пресса; суммарного машинного времени на выполнение всех переходов на прессе; суммарного и позиционных усилий пресса для получения заготовки кольца; параметров горячего кольца после кольцераскатки; суммарного машинного времени на выполнение процесса кольцераскатки; радиальных и осевых усилий для получения кольца на кольцераскатном стане; параметров охлажденного кольца; параметров повышения точности кольца с использованием эспандера; окончательных параметров готового холодного кольца.
По результатам этих расчетов выбираются параметры нагревательных устройств, пресса, кольцераскатного стана, эспандера. Для каждой детали по результатам расчетов машинного времени на прессе и кольцераскатном стане определяется тактовое время.
После выполнения расчетов для отдельных деталей или групп деталей принимается окончательное решение о выборе параметров пресса, кольце-раскатного стана, эспандера, тактового времени для заданных групп деталей.
Выполняемые расчеты в итоге определяют выбор оборудования для всех операций кольцераскатного комплекса для обеспечения расчетного тактового времени. Как правило, определяющей операцией для тактового времени является кольцера-скатка на кольцераскатном стане, в некоторых
случаях лимитирующей может быть операция получения заготовки под кольцераскатку на прессе. Все остальные виды оборудования, входящих в коль-цераскатной комплекс, выбираются для обеспечения расчетного тактового времени. Как было указано выше, наиболее рациональным и экономически выгодным является технологический процесс с одним нагревом.
Машинное время кольцераскатки определяется для каждой конкретной детали при программировании процесса кольцераскатки. В значительной степени время кольцераскатки зависит от наружного диаметра и массы кольца, поэтому приближенно время кольцераскатки можно определять из рис. 4, 5. Приведенное на рисунках время кольцераскатки получено по имеющейся информации об эксплуатации кольцераскатных станов [4].
Следует учитывать, что значения времени кольцераскатки (рис. 4, 5) можно с достаточной достоверностью использовать для расчетов колец, имеющих соотношения наружного диаметра, внутреннего диаметра и высоты кольца в пределах, приведенных в табл. 1.
Приближенно зависимость времени кольцера-скатки от наружного диаметра кольца может быть представлена уравнением
/;ггг:с г:г/;гтшглтгп /ос
-3(71), 2013/ VII
t = 0,0759 D - 7, (1)
где t - время кольцераскатки, с; D - наружный диаметр кольца, мм.
Приближенно зависимость времени кольцера-скатки от массы кольца имеет вид
t = 0,1024га + 29, (2)
где т - масса кольца, кг.
Таблица 1. Соотношения параметров деталей для кольцераскатки
Тип детали
Диск
Кольцо
Гильза
Соотношение d/D
0,50-0,65
0,65-0,80
0,80-0,90
Соотношение
ш
0,04-0,12
0,12-0,25
0,25-0,45
Эскиз
150 —л
1 -М>
130
120 | у
110 |
104 •
« / • 1 -г* -
80 • "
ТО /
60
| 50 •
>10 /
и / к •
10
](1 500 йПО " 7Л0~ То(Р 10{Ю ТБо" 1300 1400 ТЙКГ 1700 1Ш
0 114) 200 300 400
Наружный днамсгр кольца, мм
Рис. 4. Зависимость времени кольцераскатки от наружного диаметра окончательного кольца
150 1
140
130
Гил
1 и
100 , / •
| 90 1 V ш •
! 80 / •
711
■ 60 .1 г- • •
1И М 4 ► • ■*• 1 I —-
■
30
;о
10
0 50 60 00 щ 150 180 ил :4Л 77Г1 300 330 360 390 420 -(5(1 -180 510
Ммсса ксыьии, кг
Рис. 5. Зависимость времени кольцераскатки от массы заготовки кольца
QC IГ ГГТТ:Г r: КГТШТПТГ
ÏPU I 3(71), 2013-
Расчет параметров кольцераскатки на примере деталей Белорусского автомобильного завода
Номенклатура деталей Белорусского автомобильного завода не постоянна и в процессе производства претерпевает изменения и дополнения. В связи с этим наиболее целесообразна группировка деталей и выполнение расчетов для деталей-представителей по каждой группе деталей [5].
В табл. 2 приведены группировка деталей и расчетное время такта для номенклатуры деталей-представителей с прямоугольным сечением кольца.
Для профильных колец с наружным и внутренним профилем рекомендуется увеличивать машинное время на 15-20%. В табл. 3 приведены группи-
ровка деталей и расчетное время такта для номенклатуры деталей-представителей с профильными сечениями кольца.
По результатам расчета тактового времени для всей номенклатуры деталей выполняется расчет загрузки кольцераскатного комплекса (табл. 4.)
Выполненный расчет загрузки кольцераскат-ного комплекса позволяет сделать вывод о недостаточной его загрузке. В результате представляется возможность увеличить номенклатуру деталей для кольцераскатки или расширить номенклатуру профильных колец с приближением профиля кольца к профилю детали.
После выполнения приведенных выше расчетов выполняется выбор параметров оборудования,
Таблица 2. Группировка и расчет времени такта деталей с прямоугольным сечением кольца
Номер группы Диапазон по наружному диаметру, мм Габаритные размеры заготовки после кольцераскатки, мм Масса заготовки, кг Годовая Время кольцераскатки, с Суммарное время на годовую программу, ч
деталь-представитель наружный диаметр D внутренний диаметр d высота h машинное такта
1 2000-1400 1500 150 195 82,7
Фланец 1808 1580 86 406 600
2 1400-1000 2300 100 145 92,7
Шестерня 1237 1093 155 318 50
3 1000-950 5100 70 95 134,5
Шестерня 950 808 153 234 1262
4 950-900 3300 60 85 77,9
Кольцо 930 830 108 114 1362
5 900-750 3250 55 75 67,7
Шайба 894 827 20,3 15 1040
4 750-500 5200 45 65 93,9
Шестерня 675 581 210 154 1328
5 500-300 1700 30 50 23,6
Шестерня 473 400 113 45 1610
ВСЕГО 573,0
Таблица 3. Группировка и расчет времени такта деталей с профильным сечением кольца
Тип колец
Размеры заготовки после кольцераскатки, мм
наружный диаметр D
внутренний диаметр d
высота h
Годовая программа, шт.
Время кольцераскатки, с
машинное
Суммарное машинное время на годовую программу, ч
Количество переналадок в год
Суммарное
время переналадок,
С наружным профилем
Кольцо
1195
1070
198
800
120
165
36,7
Адаптер
1110
754
116
1600
105
140
62,4
16
Кольцо
1190
1068
95
1000
95
120
33,5
10
Кольцо
780
605
53
350
65
85
8,4
С внутренним профилем
Кольцо
960
843
88
300
95
120
10
15
ВСЕГО
151
53
ч
4
8
8
5
2
4
3
г: к<тшглтгг; /07
-3 (71), 2013 / VI
Таблица 4. Расчет загрузки кольцераскатного комплекса
Параметры Значения параметров деталей и загрузки
Количество наименований колец, шт. 40
Количество колец с прямоугольным профилем, шт. 25
Количество колец с наружным профилем, шт. 12
Количество колец с внутренним профилем, шт. 3
Материал колец 40, 45ХМА, 45ХН, 30ХН3А, 38Х2МЮА
Годовое суммарное машинное время на изготовление колец с прямоугольным профилем, ч 573
Годовое суммарное машинное время на изготовление колец с наружным профилем, ч 141
Годовое суммарное машинное время на изготовление колец с внутренним профилем, ч 10
Суммарное время переналадок на профильные кольца, ч 53
Суммарное время на изготовление годовой программы колец, ч 777
Загрузка кольцераскатного комплекса по изготовлению годовой программы колец при 2-сменной работе и коэффициенте использования рабочего времени 0,75, % 26
Таблица 5. Варианты комплектования кольцераскатного комплекса
Параметры Варианты комплектования кольцераскатного комплекса
Наружный диаметр колец, мм 200-2000 200-2000 400-3500
Высота кольца, мм 20-400 20-400 50-1000
Масса готового кольца, кг 25-650 1000 1000
Диаметр заготовки, мм 140-400 140-400 140-400
Высота (длина) заготовки, мм 190-845 190-845 190-845
Масса заготовки, кг до 1000 до 1000 до 1000
РЕЗКА Дисковая пила Пресс-ножницы Ленточная пила
Максимальный диаметр, мм 400 300 400
НАГРЕВ Печь камерная Индукционный Печь камерная
ТРАНСПОРТ к прессу Манипулятор Дизельно-гидравлический Рельсовый погрузчик
промышленный погрузчик
Максимальная масса, кг 1000 1000 1000
Диапазон захвата, мм 50-1370 50-1370 50-1500
Загрузочный манипулятор к прессу Манипулятор Манипулятор Рельсовый погрузчик
промышленный промышленный
ПРЕСС Гидравлический Гидравлический Гидравлический
Количество позиций 3 3 3
Передача заготовки с позиции Манипулятор Манипулятор Рельсовый погрузчик
промышленный промышленный
Стол Неподвижный Неподвижный Подвижный
Максимальное усилие, кН - - 50000
Усилие прошивки, кН - - 9000
Подъемное усилие, кН - - 40
Максимальное усилие на поз. 2, кН 20000 20000 -
Усилие на поз. 1, кН 620 620 -
Усилие на поз. 2 и 3, кН 880 880 -
Усилие выталкивания поз. 2, кН 950 950 -
Скорость прессования, мм/с 45-90 45-90 25
Мощность суммарная, кВт 1128 1128
Устройство охлаждения и удаления окалины В составе В составе В составе
пресса пресса пресса
ТРАНСПОРТ - от пресса к кольцераскатному Манипулятор Манипулятор Рельсовый погрузчик
стану промышленный промышленный
Диапазон захвата, мм 100-900 100-900
КОЛЬЦЕРАСКАТНОЙ СТАН Радиально-осевой Радиально-осевой Радиально-осевой
Радиальное усилие, кН 800 1000 2000
Увеличение радиального усилия, кН 1000 1250 2500
Осевое усилие, кН 800 1000 1600
Увеличение осевого усилия, кН 1000 1250 2000
Диаметр кольца, мм 200-2000 200-2000 400-3500
Высота кольца, мм 20-400 20-400 50-1000
Устройство для калибровки колец Нет Эспандер Эспандер
Внутренний диаметр, мм - 300-1500 1000-3500
Кабина Один оператор Один оператор Два оператора
Производительность, т/ч 5 5 8
ПО 1г ГГ7Т:Г гкгтештггп
49 и / 3(71), 2013-
входящих в состав кольцераскатного комплекса. В табл. 5 приведены варианты комплектования оборудованием кольцераскатного комплекса.
По результатам выбора технических параметров кольцераскатного комплекса разрабатываются коммерческое предложение и технико-экономическое обоснование выбора варианта комплектования кольцераскатного комплекса.
Выводы
1. Предложена стратегия выбора параметров кольцераскатного комплекса для условий мелкосерийного производства при необходимости сочета-
ния изготовления профильных и непрофильных колец.
2. Приведены расчетные зависимости расчета машинного и тактового времени кольцераскатного комплекса для определения его загрузки и вариантов комплектования комплекса различными видами оборудования.
3. Проанализированы особенности использования кольцераскатки профильных колец и предложенной стратегии на примере номенклатуры различных типов колец для условий мелкосерийного производства карьерных самосвалов Белорусского автомобильного завода.
Литература
1. ОАО «Уральская кузница» // [Electronic resource]. Mode of access: http://www.mechel. ru/about/production_capacity/info. wbp? id=c32dc7ef-d6c0-411f-80a2-57ec386c4801. Date of access: 10.01.2013.
2. Русполимет // [Electronic resource].- Mode of access: // http://www.ruspolymet.rU/.Date of access: 10.01.2013.
3. K l u g e, A. Glühende Ringe - Das Ringwalzen als wichtiges Verfahren der Massivumformung / A. Kluge, H. Faber // MM Industrie Magasin, Vogel Industrie Medien GmbH & К Sonderdruck aus Heft. 2005. S. 26-31.
4. Ringwalzen. Wagner Banning. -: SMS Meer. 171 s.
5. П а р х о м ч и к П. А. Особенности использования кольцераскатного комплекса в производстве деталей ОАО «БелАЗ» / П. А. Пархомчик [и др.] // Актуальные вопросы машиноведения. 2012. Вып. 1. С. 354-357.
