CC BY
18
УДК 621.73.043; 621.73.073; 658.56
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЁМНОЙ ШТАМПОВКИ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ С НЕОБРАБАТЫВАЕМЫМИ ПРОТИВОВЕСАМИ
А.В. Мартюгин, И.М. Володин, А.И. Володин, Г.Ф. Биктимирова
Представлена усовершенствованная методика проектирования процессов горячей объёмной штамповки (ГОШ) коленчатых валов с учетом требования обеспечения балансируемости, призванная расширить технологические компетенции отечественных кузнечных производств, создающая основу для разработки элементов системы цифрового производства и повышение конкурентоспособности российских производителей компонентов автомобильной промышленности.
Ключевые слова: коленчатый вал, технологический процесс, штамповка, характеристика качества, балансировка, качество, управление качеством, риск.
Введение. Стратегия автомобильной промышленности России на период до 2025 года Г11 определяет вектор развития в области наращивания технологических компетенций отечественных автопроизводителей и производителей автомобильных комплектующих для повышения конкурентоспособности отрасли. Большая часть экономии ресурсов и энергии относится к заготовительному производству, поэтому оно нуждается в инновационных разработках [2].
Следует учитывать требования системы менеджмента качества в автомобилестроении [3, 4], возлагающие ответственность и обязанность на поставщика заготовок и комплектующих в обеспечении создания, сохранения и прослеживаемости значений ключевых параметров поковки (КПП) по ходу процесса изготовления. В процессе производства поковок отклонения КПП должны быть управляемы, а причины выхода параметров за пределы полей допусков - устранимы. На этапах технологической подготовки производства (ТПП), выпуска пробных партий и последующих серийных поставок поставщик продукта должен обеспечить требуемое качество.
Развитие и совершенствование методов проектирования технологии ГОШ для производства современных двигателей с обеспечением баланси-руемости создает благоприятные условия для локализации в РФ изготовления коленчатых валов зарубежных двигателей, что способствует повышению конкурентоспособности российских производителей компонентов автомобильной промышленности.
Балансировку коленчатого вала, как устранение дисбаланса, принято рассматривать при механической обработке конечного изделия. Обеспечению балансировки коленчатого вала на этапе изготовления поковки не уделяется должного внимания, как и взаимосвязи ГОШ и механической обработки для обеспечения условий балансировки. Эти два процесса рассматриваются отдельно, при этом вся информация, собранная по теме, относится к балансировке изделий механическим способом, в основном за
364
счет контроля фактического дисбаланса, как это представлено в [5], где исследуются характер распределения дисбаланса и оптимизируется конфигурации противовесов для обеспечения балансировки коленчатого вала Р6. Есть рациональное зерно: обеспечение балансируемости коленчатого вала за счет реконструкции (изменения) профиля противовеса, однако производить физические исследования распределения дисбаланса в партии деталей требует значительных затрат. Оптимизация балансировки измерением геометрии с использованием ЭБ-оптических (или бесконтактных) систем сканирования [6] с использованием систем оцифровки, или за счет дорогого центровочно-балансировочного оборудования, содержащего сложные технологии, в настоящее время труднодоступна.
Актуальной задачей является обеспечение балансируемости поковки коленчатого вала технологическим способом, без привлечения инвестиций на вышеупомянутые дорогостоящие технологии в механообраба-тывающее производство. Для обеспечения необходимого потребительского качества поковок коленчатых валов повышенной геометрической точности [7] предложена усовершенствованная методика проектирования ГОШ. Методика расширяет технологические компетенции отечественных кузнечных производств, использует элементы системы цифрового производства: системы СЛБ-СЛМ-СЛЕ на этапе ТПП, авторской программы ЭВМ и нейросети для анализа балансируемости поковки [8].
На примере конструкции коленчатого вала Р4 рассмотрим создание системы КПП, требующей жесткого управления. Из всех размеров и технических требований чертежа поковки выбраны только те параметры, которые существенно и непосредственно влияют на дисбаланс поковки. Выбранные таким образом КПП проанализированы в специальной программе ЭВМ на основе ЭБ модели поковки, результаты аппроксимированы с использованы нейросети. Определены границы КПП и ГОШ, в рамках которых обеспечивается успешная балансировка при механической обработке [9]. Результативное регулирование значений ключевых параметров процессов ГОШ обеспечено в технологическом процессе информацией об условиях выполнения технологических переходов, а также информацией о результате наладки и диагностирования оборудования.
Методами исследования являлись: физические эксперименты на первых опытно-промышленных партиях поковок коленчатых валов с дальнейшим сквозным анализом технологии ГОШ, в том числе путем моделирования в программном комплексе QForm [10]; выделением КПП и процесса ГОШ, влияющих на балансируемость; дальнейший переход от трудоемких и дорогостоящих физических экспериментов к цифровым моделям, согласующимся с физическими экспериментами; анализ цифровых моделей с целью установления границ КПП и процесса ГОШ, в которых балансируемость обеспечивается без применения специального оборудования.
Результатом применения системного анализа и опытных исследований по коленчатому валу Р4 стала усовершенствованная методика разработки технологического процесса ГОШ и штамповой оснастки, которая
Э65
обеспечивает успешную балансировку поковок коленчатого вала Р4 при механической обработке на стадии технологической подготовки производства (ТПП) и серийного выпуска продукции (рис. 1). Преимуществом данной методики является применение средств цифровизации производства на ранних стадиях ТПП, что позволяет с минимальными затратами оценить риски реализации нового проекта, сократить срок получения годной продукции и общие затраты на ТПП.
На первом этапе ТПП, согласно методике, на основе чертежа детали производится проектирование ЭБ-параметрической модели поковки, с учетом значимых КПП: направления и величины изогнутости, смещения по разъему штампов, недоштамповки. Из ЭБ-параметрической модели поковки «виртуально» вырезается объем согласно КД детали. Производится анализ исходного дисбаланса поковки в номинальных размерах по плоскостям балансировки (рис.2) [9]. Дисбаланс должен быть направлен в сторону противовесов, в противном случае последующие этапы могут показать невозможность обеспечения балансируемости в технически реализуемых допусках на размеры поковки.
Этап 1
ЗБ модели поковки
Этап 2
Анализ балансируемости ЗБ модели поковки
__
Этап 3
Проектирование чертежа поковки (КД)
__
Этап 4
переходов штамповой оснастки
_12_
Этап 5
Проектирование технологического процесса
Рис. 1. Этапы проектирования технологического процесса и штамповой оснастки для поковок коленчатых валов с ограниченным
дисбалансом
Э66
1. Проектирование параметрической ЗБ модели
2. Анализ исходного дисбаланса поковки в номинальных размерах по плоскостям балансировки.
1. Анализ балансируемости ЗБ модели поковки в
2. Изменение размеров (в пределах КД) ЗБ модели поковки для обеспечения «благоприятного» дисбаланса поковки в номинальных размерах.
1. Проектирование чертежа поковки.
2. Назначение технических требований, определение характеристик и ключевых параметров с учетом изменений на этапе 2. Анализ балансируемости с учетом технических требований.
1. «Сквозной» анализ технологического процесса
2. Выбор ключевых характеристик поковок коленчатых валов и ключевых параметров штамповки.
3. Корректировка ЗБ параметрических моделей переходов формообразования.
4. ЗБ моделирование процесса формообразования и анализ достижимости требований КД.
1. Разработка технологического процесса, выбор значений КПП и ключевых параметров штамповки.
2. Выбор периодичности, методов и средств контроля. Подтверждение границ регулирования процесса по переделам технологического процесса.
Рис. 2. Параметрическая ЗБ модель поковки коленчатого вала Р4, где виртуально «удален» материал, снимаемый при механической
обработке (тёмно-серым цветом показаны необрабатываемые поверхности, светло-серым - обрабатываемые поверхности); Р1-Р1 и Р2-Р2 - плоскости балансировки коленчатого вала
На втором этапе ТПП производится анализ балансируемости коленчатого вала на основе 3D-параметрической модели с применением авторского программного обеспечения и корректировка (при необходимости) конфигурации и геометрических допусков противовесов вала:
а) определение балансируемости исходя из значений КПП, определение границ КПП и ГОШ для обеспечения балансируемости;
б) анализ технологического процесса ГОШ, определение возможных искажений геометрии и изменения КПП при выполнении технологических операций;
в) выбор способов и методов ограничения КПП в процессе ГОШ для обеспечения «благоприятного» направления и величины исходного дисбаланса поковки.
На третьем этапе ТПП, по результатам второго этапа, производится проектирование чертежа поковки и назначение технических требований (рис. 3).
На четвертом этапе ТПП после формирования технологического маршрута и переходов формообразования проводится «сквозной» анализ технологии горячего деформирования, определяются возможные искажений геометрии при выполнении технологических операций, оценка всех параметров ГОШ и обоснованный выбор ключевых параметров ГОШ. Производится корректировка 3D моделей технологических переходов формообразования поковки и штамповой оснастки на основе анализа возможных искажений геометрии при выполнении технологических операций. 3D моделирование процесса формообразования проводится для верификации принятых технологических решений [10].
На пятом этапе ТПП производится разработка технологического процесса ГОШ, выбор значений ключевых параметров ГОШ по всей технологической цепочке, выбор требований к средствам контроля. При разработке технологического процесса ГОШ ключевые параметры необходимо устанавливать на основе анализа балансируемости. Для поковки коленчатого вала Р4 по итогам работы по вышеописанной методике допуски на
367
КПП были значительно уменьшены по сравнению с исходными в КД на поковку: допуск изогнутости уменьшен с 1,2 мм до 0,5 мм, смещения - с 1 мм до 0,4 мм, недоштамповки с -1,0 мм.„+2,4 мм до 0 мм.. .0,8 мм.
Номер коренной шейки Номер шатунной шейки Номер протибобеса
Рис. 3. Ключевые параметры поковки коленчатого вала Р4
Кроме того, производится выбор периодичности и методов контроля значений КПП и ключевых параметров процесса ГОШ и подтверждение границ регулирования процесса.
На стадии изготовления опытных партий поковок, производится комплекс мероприятий для обеспечения получения одобрения производства и перехода к наращиванию объемов серийных поставок поковок коленчатых валов с ограниченным дисбалансом в следующей последовательности:
а) штамповка поковок в границах регулирования процесса;
б) анализ стабильности процесса штамповки;
в) сопоставление результатов балансировки с ключевыми параметрами штамповки, определение необходимости корректировки процесса, границ ключевых параметров, штамповой оснастки и средств измерения.
На стадии наращивания объемов на этапе серийных поставок необходимо регулярно проводить анализ стабильности механической обработки и финишной балансировки.
Таким образом, система КПП коленчатого вала и параметры процесса его изготовления, а также результаты моделирования их взаимного влияния создают базу данных для разработки цифрового двойника продукта и процесса, что является основой для построения системы цифрового производства.
Усовершенствованный метод проектирования технологических процессов ГОШ коленчатых валов с необрабатываемыми противовесами обладает определенными преимуществами по сравнению с существующими методами ГОШ:
1. На этапе ТПП определяются значения предельных границ ключевых параметров процесса для достижения балансируемости поковок коленчатого вала.
2. Вводится система контроля значений КПП коленчатого вала, параметров технологических операций по потоку изготовления для оперативного регулирования в целях устранения отклонений параметров ГОШ.
3. Оптимизируются сроки ТПП за счет исключения несистемной, непродуктивной работы на стадии проектирования продукта и процесса, при изготовлении опытных партий поковок.
Вывод: усовершенствована методика проектирования ГОШ коленчатых валов повышенной геометрической точности с обеспечением балансируемости на стадии механической обработки. Методика обеспечивает возможность локализации компонентов современных двигателей. Разработаны и реализованы мероприятия по достижению расширения технологической компетентности в области ГОШ и создании условий развития системы цифрового производства. Разработанные на основе исследований результаты внедрены в производство поковок на ПАО «КАМАЗ» для коленчатого вала Р4.
Список литературы
1. Об утверждении Стратегии развития автомобильной промышленности Российской Федерации на период до 2020 года приказ Минпром-торга России 23.04.2010 года № 319 (редакция от 27.12.13 г.). -
[Электронный ресурс] URL: http://www.consultant.ru/document/ cons doc LAW 104193/ 4ff 730 976b 4497 a22dcc925ebb46fd91e73af0ae (дата обращения: 18.01.2019).
2. Сосенушкин Е.Н. Прогрессивные процессы объемной штамповки. М.: Машиностроение, 2011. 480 с.
3. ГОСТ Р 51814.4-2004. Системы менеджмента качества в автомобилестроении. Одобрение производства автомобильных компонентов. М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. 36 с.
4. IATF 16949. Фундаментальные требования к системе менеджмента качества для производства автомобильной промышленности и организаций, производящих соответствующие сервисные части Quality management system requirements for automotive production and relevant service parts organizations. 01.10.2016. [Электронный ресурс] URL: http://www.icgrp.ru/docs/list/standards/iso-ts-16949/16949-tkb (дата обращения: 10.02.2019).
5. Khasnis V. Crankshaft Design Optimization to Improve Dynamic Balancing and Fatigue Strength / V. Khasnis, M. Ukhande, G. Tilekar, R. Mane, G. Shegavi // International Journal of Automotive Engineering. 2015. 6. P. 5966.
6. Alexandre Zuquete Guarato. Metrologie 3D de pieces de formes complexes par moyens optiques. Une application a l equilibrage de vilebrequins. Engineering Sciences. sup'erieure de Cachan - ENS Cachan, 2013. French.
7. Мартюгин А.В. Методика проектирования технологии производства и штамповой оснастки коленчатых валов повышенной геометрической точности / А.В. Мартюгин, И.М. Володин / Вестник ЛГТУ №1 (35). 2018. №1. С. 62 - 66.
8. Мартюгин А.В., Володин И.М. Анализ результатов исследования дисбаланса поковок коленчатых валов с использованием нейросети // Сolloquium-journal № 26(50), 2019. С. 89 - 94.
9. Мартюгин А.В., Володин И.М., Володин А.И., Биктимирова Г.Ф. Особенности проектирования технологических процессов горячей объёмной штамповки с оригинальными требованиями к качеству поковок // Современные наукоёмкие технологии. 2019. №3. С.176-183.
10. Конечно-элементное моделирование технологических процессов ковки и объемной штамповки: учебное пособие: / [А.В. Власов др]; под редакцией А.В. Власова. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. 383 с.
Мартюгин Алексей Викторович, главный специалист, avmartugin@gmail.com, Россия, Набережные Челны, НТЦ ПАО «КАМАЗ»
Володин Игорь Михайлович, д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник, vim2805@mail.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Володин Александр Игоревич, канд. техн. наук, доцент, alexwolodin@yandex. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,
Биктимирова Гузель Фанисовна, канд. техн. наук, ведущий специалист, bgf76@mail.ru, Россия, Химки, АО «НПО Энергомаш»
IMPROVEMENT OF THE DESIGN METHOD OF TECHNOLOGICAL PROCESSES OF HOT VOLUMETRIC FORGING OF CRANKSHAFTS WITH UNTREATED
COUNTERWEIGHTS
A.V. Martyugin, I.M. Volodin, А .I. Volodin, G.F. Biktimirova
The advanced technique of designing processes of hot volumetric forging of crankshafts taking into account the requirement for balancing is presented; it is designed to expand the technological competence of domestic forging industries, creating the basis for the development of elements of digital production system and increasing the competitiveness of Russian manufacturers of automotive components.
Key words: crankshaft, technological process, forging, quality characteristic, balancing, quality, quality management, risk.
Martyugin Alexey Viktorovich, chief specialist, avmartugin@gmail.com, Russia, Naberezhnye Chelny, STC PJSC «KAMAZ»
Volodin Igor Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, chief researcher, vim2805@mail. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
370
Volodin Alexander Igorevich, candidate of technical sciences, docent, alex-wolodin@yandex. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Biktimirova Guzel Fanisovna, candidate of technical sciences, leading specialist, bgf76@mail.ru, Russia, Khimki, JSC «NPO Energomash»
УДК 621.7.043
АНАЛИЗ ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ ВЫТЯЖКЕ-ОТБОРТОВКЕ
КОЛЬЦЕВОЙ ОБЕЧАЙКИ
Я.А. Вилимок
Проводится анализ течения металла при вытяжке-отбортовке кольцевой обечайки, рассматривается напряженно-деформированное состояние кольцевой заготовки.
Ключевые слова: обечайка, вытяжка, отбортовка, напряжение, напряженно-деформированное состояние.
К важнейшим факторам, влияющим на пластические свойства металлов и сплавов, относится схема напряженного состояния. Пластичность металлов тем больше, чем большую роль в схеме главных напряжений играют сжимающие напряжения. Переход к объемной схеме всестороннего неравномерного сжатия значительно облегчает условия деформации и создает возможность для деформирования таким металлам и сплавам, которые при деформации по другим схемам разрушаются.
В зависимости от условий нагружения заготовки в различных операциях схема напряженного состояния и знаки напряжений ор и ое в очаге деформации могут быть различными. В операциях вытяжки и отбортовки напряжения ор - растягивающие, а напряжения ое - сжимающие в операциях вытяжки, и растягивающие в операциях отбортовки. Таким образом, в операциях вытяжки схемы напряженного состояния разноименные, а в операциях отбортовки - одноименные.
Рассмотрим процесс, получения тороидальной формы кольцевой обейчайки как совместное протекание двух процессов вытяжки и отбортовки.
На рис. 1 представлена штамповая оснастка, а также схема вытяж-ки-отбортовки кольцевой обечайки с прижимами.
В начальной стадии деформирования пуансон 1, оказывая давление на срединную часть заготовки 2, сориентированной с помощью фиксатора 3, вызывает ее прогиб, так как усилия, действующие со стороны пуансона 1 и матрицы 4, смещены в радиальном направлении и образуют изгибающий момент. По мере перемещения пуансона 1 вниз, под действием удельной силы P заготовка начинает изменять свою форму, плотно прилегая,
371
