CC BY
5УДК: 621.77.
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННОЙ ШТАМПОВКИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Ганиев М. М., Панкратов Д. Л., Шибаков В. Г., Валиев А. М., Валиев А. М.
АННОТАЦИЯ. На основе системного подхода обеспечения точности размеров поковок разработана матрица значимости параметров системы «материал-заготовка-оборудование-технологический процесс-инструмент-персонал-среда» на основе экспертных оценок и выявлены наиболее значимые параметры технологического процесса влияющие на точность. Методом имитационного моделирования установлена зависимость усилия штамповки от размеров исходной заготовки. Предложено решение для повышения точности калиброванных поковок.
ABSTRACT. Based on the system approach to ensuring the accuracy of forgings, a matrix of the significance of the parameters of the system "material-workpiece-equipment-process-tool-personnel-environment" was developed based on expert assessments and the most significant parameters of the technological process that affect accuracy were identified. Using the simulation method, the dependence of the stamping force on the size of the initial blank is established. A solution for improving the accuracy of calibrated forgings is proposed.
Ключевое слово. Калибровка, горячая штамповка, прецизионная штамповка, исключение механической обработки.
Keywords: calibration, hot forging, precision forgings, machining exception.
Современные тенденции развития машиностроения направлены на увеличение эффективности процессов изготовления деталей машин и механизмов. Одним из способов повышения ресурсоэффективности является полное или частичное исключение окончательной механической обработки за счет применения прецизионной штамповки. По сравнению с механической обработкой указанный вид штамповки позволяет обеспечить экономию металла, энергии, трудозатрат, а также аналогичную точность размеров и существенное повышение эксплуатационных свойств изделия.
Целью исследования описанного в данной статье является установление параметров оказывающих наибольшее влияние на точность поковок и подтверждение полученных данных при помощи имитационного моделирования в программе Qform.
В соответствии с [1, 2, 3] при такого рода анализе целесообразно применение системного подхода, когда объемная штамповка рассматривается как человеко-машинная система. Основными элементами этой системы являются: М - обрабатываемый материал; З - мерная заготовка (полуфабрикат) полученная из обрабатываемого материала; О -оборудование на котором осуществляется формообразование поковки; Т -последовательность и режимы технологических воздействий на заготовку до, в течении и после её формообразования (технологический процесс - ТП); И - инструмент, необходимый для реализации ТП; С - окружающая среда; П - производственный персонал, проектирующий и реализующий техпроцесс в производственных условиях. Элементы системы {М,З,О,Т,И,П,С} содержат подмножества состоящие из дискретных или последовательны значений из некоторого допустимого диапазона их значений. Например, элемент М может быть представлен как М е ({ml}, {m2}, .. .{mn}), где {ml} -подмножество, характеризующее химический состав, {m2} - подмножество характеризующее механические, технологические и другие свойства обрабатываемого материала и т.д. Аналогично могут быть представлены остальные элементы системы
{М,З,О,Т,И,П,С}.
Применительно к выбору рациональных параметров прецизионной штамповки, обеспечивающих требуемую точность размеров поковки с учетом предлагаемого подхода и метода экспертных оценок разработана матрица значимости параметров системы {М,З,О,Т,И,П,С} (табл. 1).
Таблица 1
Матрица значимости параметров системы {М,З,О,Т,И,П,С} с точки зрения
получаемой точности
Параметр системы МЗОТИПС ХОШ ТОШ (0,370,5Т плав.) ПГОШ (0,50,7Т плав.) ГОШ
Материал
Химический состав материала + ▲5 + ▲4 - -
Механические свойства материала (твердость, прочность) + ▲5 + ▲4 + ▲2 -
Усадка при остывании - +о3 +о4 +о5
Заготовка
Объем исходной заготовки + ▲5 + ▲5 + ▲4 + ▲4
Оборудование
Жесткость пресса +о5 +о5 +о5 +о5
Усилие пресса + ▲4 + ▲4 + ▲4 + ▲4
Технологический процесс
Нагрев
Вариабельность температуры нагрева перед штамповкой - + ▲М + ▲М + ▲•4
Изменение температуры заготовки в процессе штамповки - +о3 +о3 +о3
Окалинообразование (скорость нагрева, угар, окисление в процессе) - - +о2 +о2
Штамповка
Технологические переходы + ▲4 + ▲3 + ▲3 + ▲3
Параметр системы МЗОТИПС ХОШ ТОШ (0,370,5Т плав.) ПГОШ (0,50,7Т плав.) ГОШ
Закрытая или открытая штамповка + ▲2 + ▲2 + ▲2 + ▲2
Смазка (тип) + ▲ 3 + ▲ 3 + ▲ 3 + ▲ 3
Штамповочные уклоны и радиусы + ▲2 + ▲2 + ▲2 + ▲2
Толщина облоя + ▲ Д1 + ▲ Д1 + ▲ Д1 + ^Д1
Расположение разъема и перемычки + ▲1 + ▲1 + ▲1 + ▲1
Инструмент
Упругие деформации штампа + ▲5 + ▲4 + ▲4 + ▲3
Расширение штампов в результате нагрева в процессе работы +о3 +о3 +о4 +о4
Шероховатость поверхности
Точность изготовления штампа (в зависимости от способа изготовления) + ▲5 + ▲4 + ▲3 + ▲3
Температурный режим работы (охлаждение от смазки, нагрев перед штамповкой) - + А3 + А4 + А4
Персонал
Укладка полуфабриката перед штамповкой + ^А2 + ▲ А2 + ▲ А2 + ▲ А2
Смазывание штампов (нанесение смазки) + А3 + А3 + А3 + А3
Параметр системы МЗОТИПС ХОШ ТОШ (0,370,5Т плав.) ПГОШ (0,50,7Т плав.) ГОШ
Среда
Температура окружающей среды +о3 +о3 +о3 +о3
то го ▲ 44 43 35 32
А 5 9 14 14
о 11 17 21 22
• - 4 4 4
Эксперты, исходя из возможности управления параметрами, подразделили их на: ▲ - управляемые превентивно (на этапе проектирования технологии); А - управляемые настройкой; • - управляемые адаптивно; о - не управляемые. Для ранжирования использованы показатели целевой важности факторов технологического процесса: 1-не важно; 2-маловажно; 3-недостаточно важно; 4-важно; 5-очень важно.
В качестве экспертов выбраны инженеры-технологи Кузнечного завода ПАО КАМАЗ имеющие опыт проектирования технологических процессов объемной штамповки и соответствующей инструментальной оснастки не менее 15 лет. Оценка значимости параметров проводилась экспертами с учетом результатов работ [4, 5]. При этом сопоставлялись различные виды объемной штамповки: ХОШ - холодная объемная штамповка; ТОШ - теплая объемная штамповка; ПГОШ - полугорячая объемная штамповка; ГОШ - горячая объемная штамповка.
Элементы системы МЗОТИПС и структура параметров элементов представлена на
рис. 1.
Из проведенного анализа способов штамповки следует, что с переходом от ХОШ к ГОШ увеличивается вес неуправляемых факторов и факторов, управляемых настройкой. При этом вес факторов, управляемых превентивно, при переходе от ХОШ к ГОШ уменьшается.
При ХОШ выше точность изготавливаемой поковки и меньше доля неуправляемых факторов. Большинство параметров управляется превентивно на этапе проектирования технологического процесса и соответственно минимален вес факторов, управляемых настройкой.
С применением приведенного подхода был проведен анализ технологических возможностей управления точностью поковок.
Рис.1. Элементы системы МЗОТИПС и структура параметров элементов
В качестве детали-представителя выбрана поковка корпус регулировочного рычага для грузового автомобиля (рис.1). Типовая технология изготовления поковки корпуса регулировочного рычага включает в себя следующие операции: отрезка заготовки сталь 35 на прессе-ножницах, индукционный нагрев перед штамповкой до 1100-1170°С, вальцовка на ковочных вальцах, штамповка за 2 перехода на КГШП, обрезка облоя и прошивка отверстия. Вариабельность размеров полуфабриката после ГОШ находится в пределах допуска на штамповку, соответствующего ГОСТ 7505-89. Получение в готовой детали рабочих поверхностей с размерами 11,8±0,35мм и 32±0,35мм. осуществляется механической обработкой. Для обеспечения повышенной точности и чистоты рабочих поверхностей предлагается использовать два этапа формообразования: горячая объемная штамповка и калибровка в окончательный размер с исключением последующей механической обработки (рис.2).
Как показал анализ проведенный экспертами, значительное влияние на окончательную точность геометрии изделия, получаемого прецизионной штамповкой, оказывает постоянство значения закрытой высоты пресса. Вариабельность факторов технологического процесса влечет за собой изменение величины силы деформирования. К примеру, по результатам моделирования процесса горячей объемной штамповки поковки-представителя в программном комплексе Qform для различных значений объема исходной заготовки показало, что различие силы деформирования достигает порядка 12% (1).
PV max = 112PV min (1)
где P - сила деформирования заготовки максимально возможного в пределах допуска объема; PFmm- сила деформирования заготовки минимально возможного в
пределах допуска объема.
При проектировании технологии штамповки, оборудования подбираются исходя из условий достаточности силы деформирования [6], т.е. превентивно.
Управление параметрами, имеющими наибольший вес согласно матрице значимости (табл.1), на операции калибровка позволит обеспечить точность размеров изделия, соизмеримую значениям, получаемым при механической обработке. Характерной особенностью холодной калибровки является лучшее качество калиброванной поверхности по сравнению с горячей калибровкой.
Для холодной калибровки наиболее весомыми параметрами с точки зрения получаемой точности являются: химический состав и механические свойства материала, объем исходной заготовки (полуфабриката после ГОШ), жесткость пресса, упругие деформации штампа, точность изготовления оснастки. Вариабельность перечисленных факторов оказывает непосредственное влияние на силу деформирования и, следовательно, на точность поковки после холодной калибровки. Зависимость упругой деформации системы «Пресс-штамп» от силы деформирования представлена в работе [7].
Причем все перечисленные факторы, кроме объема исходной заготовки, предполагают превентивное управление на этапе проектирования технологии. Объем исходной заготовки при холодной калибровке зависит от точности получаемой при горячей объемной штамповки и предполагает значительную вариабельность.
Для установления зависимости изменения силы калибровки от высоты заготовки, подаваемой на калибровку, было проведено имитационное моделирование процесса холодной калибровки поковки-представителя в программе Qform (рис. 2).
Рис. 2. Результаты моделирования холодной калибровки
Влияние высоты полуфабриката на усилие калибровки приведено на рис. 3. Установлено, что изменение высоты исходной заготовки в пределах допуска на горячештампованный полуфабрикат, вызывает изменение силы деформирования более чем на 12%.
Рис. 3. График зависимости силы калибровки от высоты полуфабриката перед
калибровкой
Изменение силы деформирования вызывает изменение закрытой высоты в процесс калибровки. Для снижения влияния вариабельности факторов технологического процесса на точность получаемого изделия предлагается в процессе калибровки вести адаптивное управление закрытой высотой штампа. Данный вид управления предпочтительно реализовывать на гидравлическом прессе.
В качестве метода, обеспечивающего получение рабочих поверхностей детали без применения механической обработки, выбрана схема технологического процесса, состоящая из горячей объемной штамповки и последующей холодной калибровки поковки.
Имитационным моделированием установлено, что возрастание высоты горячештампованного полуфабриката подаваемого на холодную калибровку ведет к росту зоны и величины сжимающих напряжений на поковке и росту силы деформирования в процессе калибровки, что в свою очередь вызывает изменение упругих отжатий системы «Пресс-штамп» и ухудшение точности поковок.
Снижение влияния вариабельности параметров элементов системы МЗОТИПС и повышение точности получаемых размеров детали после калибровки возможно путем применения гидравлического пресса оснащенного датчиком закрытой высоты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кашапова Л.Р. Обеспечение качества деталей сложной формы на этапе проектирования технологического процесса листовой штамповки/ Кашапова Л.Р., Шибаков В.Г., Панкратов Д.Л, Виноградов А.И. // Проблемы машиностроения и надежности машин, М.: "Наука". -№1.-2016.-С.81-86
2. Кашапова Л.Р. Автоматизированная оценка надежности технологического процесса листовой штамповки / Кашапова Л.Р., Шибаков В.Г., Панкратов Д.Л, Виноградов А.И. // Вестник машиностроения, М.: «Машиностроение».- №4.-2016.-С.56-59
3. Kashapova L.R. Providing the quality of shaped machine elements at the design phase of the sheet stamping technological process/ Kashapova L.R., Pankratov D.L., Shibakov V.G., Vinogradov A.L.
4. Антонюк Ф.И. Анализ и обеспечение высокой точности холодной объемной штамповки на прессах научно обоснованным выбором жесткости элементов технологической системы: Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. - Москва, 2004. - 36 с.
5. Крук А.Т. Разработка научно обоснованных технических решений по повышению точности поковок, создание на их основе и промышленное внедрение тяжелых кривошипных горячештамповочных прессов: Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. - Воронеж, 2006. - 36 с.
6. Семенов Е.И. Ковка и объемная штамповка: Справочник /Под ред. Е.И. Семенова: В 2 т. - М.: Машиностроение, 1986.- Т2.- 563с.
7. Дибнер Ю.А. Вариант подналадки горячештамповочных прессов при нелинейной системе «пресс - штамп - поковка» / Дибнер Ю.А., Пруцков Р.Н. // КШП ОМД. - 2003 г. - №10 - С 29-33.
Механика ва технология илмий журнали кабул килинди 05.02.2021
