CC BY
13
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621
DOI 10.21685/2072-3059-2020-1-10
Т. Н. Иванова, И. А. Ратников, А. Ю. Муйземнек
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ КОНСТРУКТОРСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ПУТЕМ ПР ИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Аннотация.
Актуальность и цели. Типовыми конструкторскими и технологическими задачами, которые решаются при создании различных изделий машиностроения, являются назначение размеров детали, выбор материала, определение рационального способа получения заготовки и самой детали и др. Современные компьютерные технологии позволяют сократить продолжительность и исключить возможные ошибки при решении типовых конструкторских и технологических задач. Целью работы являлось совершенствование методов решения типовых конструкторских и технологических задач, которые возникали при создании характерной для автомобилестроения детали.
Материалы и методы. При решении задачи выбора рассматривались следующие материалы: МСт.6 ГОСТ 380-50, сталь 45 ГОСТ 1050-2013, сталь 60 ГОСТ 1050-2013, чугун СЧ15 ГОСТ 1412-85, чугун СЧ30 ГОСТ 1412-85, алюминий АК7 ГОСТ 1583-93, латунь Л60 ГОСТ 15527-2004, пластик ABS 2020-31 ТУ 2214-019-00203521-96. При компьютерном моделировании использовались программы Компас-3D и SolidWorks.
Результаты. На примере решения типовых конструкторских и технологических задач, которые возникали при создании характерной для автомобилестроения детали, показаны возможные усовершенствования методов их решения.
Выводы. Применение усовершенствованных методов, которые возникали при создании характерной для автомобилестроения детали, позволили рекомендовать для ее изготовления сталь 45 ГОСТ 1050-2013, заготовку-поковку выполнять горячей объемной штамповкой на горизонтально-ковочной машине, а также создать конструкторско-технологическую документацию на изготовление детали.
Ключевые слова: типовые конструкторские и технологические задачи, компьютерные технологии, назначение размеров детали, выбор материала, рациональный способ получения заготовки и детали.
T. N. Ivanova, I. A. Ratnikov, A. Yu. Muyzemnek
© Иванова Т. Н., Ратников И. А., Муйземнек А. Ю., 2020. Данная статья доступна по условиям всемирной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/ licenses/by/4.0/), которая дает разрешение на неограниченное использование, копирование на любые носители при условии указания авторства, источника и ссылки на лицензию Creative Commons, а также изменений, если таковые имеют место.
THE METHODS IMPROVEMENT FOR SOLVING TYPICAL DESIGN AND TECHNOLOGICAL TASKS BY USING COMPUTER MODELING
Abstract.
Background. Typical design and technological problems that are solved when creating various engineering products are the designation of part sizes, the choice of material, the determination of a rational way to obtain the workpiece and the part itself, etc. Modern computer technologies can reduce the duration and eliminate possible errors when solving typical design and technological problems . The aim of the work was to improve the methods for solving typical design and technological problems that arose during the creation of a part typical for the automotive industry.
Materials and methods. When solving the selection problem, the following materials were considered: MST.6 State Standart 380-50, steel 45 State Standart 10502013, steel 60 GOST 1050-2013, cast iron SCh15 GOST 1412-85, cast iron SCH30 State Standart 1412-85, aluminum AK7 State Standart 1583-93, brass L60 State Standart 15527-2004, plastic ABS 2020-31 TU 2214-019-00203521-96. Research of modeling processes was performed using KoMnac-3D and SolidWorks simulation programs.
Results. On the example of solving typical design and technological problems that arose during the creation of a part typical for the automotive industry, possible improvements to methods for solving them are shown.
Conclusions. The application of advanced methods in the creation that arose during the creation of a part typical for the automotive industry made it possible to recommend using steel 45 State Standart 1050-2013, forging a blank forging by hot forging on a horizontal forging machine, and also creating design and technological documentation for manufacturing the details.
Keywords: typical design and technological tasks, computer technology, the designation of the dimensions of the part, the choice of material, the rational method of obtaining the workpiece and the part.
Введение
Типовыми конструкторскими и технологическими задачами, которые решаются при создании различных изделий машиностроения, являются назначение размеров детали, выбор материала, определение рационального способа получения заготовки и самой детали и др. Современные компьютерные технологии позволяют сократить продолжительность и исключить возможные ошибки при решении типовых конструкторских и технологических задач. Целью работы являлось совершенствование методов решения типовых конструкторских и технологических задач, которые возникали при создании характерной для автомобилестроения детали.
В качестве характерной для автомобилестроения детали была выбрана чашка дифференциала автомобиля ЗИЛ-130 - деталь 130-2403020-2 «Чашка дифференциала левая».
1. Постановка задачи
Деталь 130-2403020-2 представляет собой корпусную деталь вращения, входящую в состав дифференциала заднего моста автомобиля ЗИЛ-130. Она воспринимает крутящий момент от главной передачи по ведомой цилиндрической шестерне и передает его через сателлиты на полуосевые шестерни.
С внутренней части чашки крепится крестовина дифференциала, на которой вращаются сателлиты. На внешней части чашки жестко закреплены ведомая шестерня и роликовый конический подшипник. Чертеж детали 130-2403020-2 показан на рис. 1.
При постановке автомобиля ЗИЛ-130 на производство чашка дифференциала изготавливалась из стали МСт.6. Данная сталь поставлялась в соответствии с ГОСТ 380-50 «Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки». Она являлась мартеновской сталью группы Б с содержанием углерода
0,38...0,50 %. Буква М в марке стали регламентировала способ выплавки, если данная буква отсутствовала, то сталь относилась к группе А, и способ изготовления выбирался заводом-изготовителем. Данная сталь изготавливалась в мартеновских печах, которые были распространены во время производства детали. У такого вида производства стали были недостатки: низкая экономичность, высокое количество отходов металла, сложность и дороговизна обслуживания печей, невозможность получить сталь высокого качества, долгое время плавки метала, крайне высокое количество выброса вредных веществ в атмосферу, малая производительность труда, тяжелые, вредные и опасные условия труда рабочих. К достоинствам можно было отнести низкие требования к качеству сырья и способность переплавлять металлолом. На данный момент сталь МСт.6 на территории Российской Федерации не производится. Последней редакцией упомянутого выше стандарта является ГОСТ 380-2005 «Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки». В нем сталь МСт.6 как вид прекратила свое существование. В действующем стандарте остались стали бывшей группы А, а сама классификация на две группы исчезла. Поэтому возникла потребность в замене материала на современный аналог с параметрами, отвечающим техническим требованиям и функциональному назначению детали.
При решении этой задачи, а также задач определения рационального способа получения заготовки и детали, необходимо учитывать габаритные размеры детали, особенности формы, требования к точности размеров и качеству поверхностей.
Наибольшими габаритными размерами детали 130-2403020-2 являются диаметр 250 мм и длина 111,5 мм. Квалитет точности варьируется от 14 до 6, шероховатость от 25 до 0,8 (рис. 1). Масса детали составляет 6,58 кг. В детали присутствуют 12 отверстий диаметром 14 мм, 4 отверстия диаметром 6 мм, по 4 отверстия диаметрами 20 и 28 мм, которые получаются при сверлении. Группа отверстий диаметром 28 мм создается в собранном комплекте чашек дифференциала. Отверстие диаметром 55 мм пробивается на этапе создания заготовки и затем механически обрабатывается. За счет отверстий диаметром 6 мм, канавок радиусом и проточки диаметром 147 мм обеспечивается подача, распределение и удержание масла в рабочем механизме дифференциала для обеспечения смазывания, охлаждения и предотвращения коррозии сателлитов и шестерней. Особо ответственной поверхностью является диаметр 75 мм с шероховатостью Яа0,8 на которую запрессовывается подшипник. Наименее ответственные поверхности расположены с наружной поверхности чашки в диапазоне диаметров 190-92 мм с радиусами Я20 и Я8, которые получаются в заготовке и не обрабатываются в дальнейшем. Наружные и внутренние поверхности обрабатываются на токарном оборудовании с ЧПУ, все отверстия, а также сквозные пазы радиусом создаются на фрезерном оборудовании с ЧПУ.
2. Определение рационального способа получения заготовки
Для того чтобы выбрать наиболее оптимальный метод получения заготовки, требуется проанализировать влияние на деталь следующих факторов: материал, форма, габаритные размеры, масса, технические требования, объем и серийность выпуска, коэффициент использования материала. В результате
должен быть выбран метод, обеспечивающий максимальную технологичность, минимальную трудоемкость и себестоимость изготавливаемого изделия.
Материал является одним из основополагающих факторов, определяющих способ получения заготовки. В соответствии с конструкцией и эксплуатационными характеристиками детали наиболее оптимальным вариантом по механическим свойствам является Сталь 45 ГОСТ 1050-2013 (зарубежные аналоги 1044, 1045 США, 1.1191, 2С45 Евросоюз, 45 Польша, 12050, 12056 Чехия), которая входит в класс качественных конструкционных углеродистых сталей. Для изготовления отливок данная сталь не подходит, так как имеет неудовлетворяющие химический состав и механические свойства. Наиболее близкий аналог стали, из которой можно изготовить данное изделие, Сталь 45Л, которая поставляется в соответствии с ГОСТ 977-88, но, относительно стали 45, высокая пластичность и более низкий предел прочности данной стали могут снизить эксплуатационный срок детали.
Теоретические исследования выбора материала детали 130-2403020-2, показали, что рациональными заготовками являются все виды поковок и круглый сортовой прокат.
Конструктивная форма детали относится к сложной цилиндрической с криволинейными поверхностями и сквозным центральным отверстием. Данные особенности конструкции предрасполагают к изготовлению заготовки штамповкой или отливкой. Наименее рентабельным и крайне трудозатрат-ным является изготовление данной детали из сортового проката.
Технические требования детали соответствуют двум видам заготовок -поковка и отливка.
Анализируя тип производства и массу детали, условно могут быть выбраны все способы получения заготовок, но с ограничениями. Использование сортового проката невозможно из-за крайне низких показателей материалоемкости, создание поковок свободной ковкой также нецелесообразно из-за высоких трудозатрат и низкой точности получаемых заготовок, использование отливок в данном случае требует частичного изменения конструкции или снижение эксплуатационных характеристик конечного изделия.
Завершающим фактором выбора способа получения заготовки является определение коэффициентов использования материала.
Рассматриваемыми видами заготовок были: отливки; поковки, полученные горячей штамповкой; сортовые материалы, полученные прокатом металла (рис. 2-4). Не были рассмотрены такие способы получения заготовок, как заготовки, полученные холодной штамповкой из листа, прессованием порошков, так как из данных видов заготовок невозможно создать требуемую конструкцию детали.
Расчет коэффициента использования материала КИМ осуществлялся по следующим зависимостям:
mдет 6,58
- для круглого сортового проката КИМ =-= —— = 0,20,
^^заг 3 2,5
где mдет, тзаг - масса детали и заготовки соответственно;
тдрт 6 58
- для поковки КИМ = —^ = -— = 0,79.
тзяг 8,36
Рис. 2. Массовые характеристики готовой детали
Рис. 3. Массовые характеристики поковки
Считая значение нормативного коэффициента использования материала равным КИМ = 0,75 , приходим к выводу о том, что при использовании круглого сортового проката деталь не технологична (0,20 < 0,75), а при использовании поковки - технологична (0,79 > 0,75).
В соответствии с проанализированными факторами, наиболее рациональной заготовкой будет поковка, выполненная горячей объемной штамповкой на горизонтально-ковочной машине. Проектирование поковки заключается в назначении допусков и припусков на механическую обработку в соот-
ветствии с ГОСТ 7505-89. В ходе оценки технологичности были выявлены поверхности, которые будут отсутствовать в заготовке. Их исключение связано с невозможностью создания поверхностей в заготовке из-за сложной геометрии или малых размеров, а также конструктивное и технологическое упрощение заготовки для снижения брака (рис. 5).
Рис. 4. Массовые характеристики круглого сортового проката
а) б)
Рис. 5. Эскиз заготовки с назначенными размерами (а) и 3D-модель заготовки (б)
3. Выбор материала
С целью обоснования выбора нового материала детали 130-2403020-2 были проведены исследования технологичности конструкции, выполняемо-сти геометрических и достижимости точностных параметров, обрабатываемости резанием, выполняемости остальных требований по ОСТ 95227-92.
При решении задачи выбора рассматривались следующие материалы: МСт.6 ГОСТ 380-50, сталь 45 ГОСТ 1050-2013, сталь 60 ГОСТ 1050-2013, чугун СЧ15 ГОСТ 1412-85, чугун СЧ30 ГОСТ 1412-85, алюминий АК7 ГОСТ 1583-93, латунь Л60 ГОСТ 15527-2004, пластик ABS 2020-31 ТУ 2214-019-00203521-96 с характеристиками, представленными в табл. 1.
Таблица 1
Механические свойства материалов
Наименование материала Механические свойства, не менее
Предел текучести оТ, МПа Временное со-противление оВ, МПа Относительное удлинение 5,% Относительное сужение ¥,% Модуль упругости Е, ГПа Твердость, НВ
МСт.6 510 730 19 - 200 -
Сталь 45 580 750 19 42 200 170
Сталь 60 660 850 20 58 174-204 370-450
СЧ15 - 150 - - 700-1100 163-229
СЧ30 - 300 - - 1200-1450 187-255
АК7 - 167 1 - - 50
Л60 - 650 2-4 - - 165
ABS 2020-31 38,2 - 22 - 2 -
4. Оценка прочности и жесткости
В модуле SolidWorks Simulation [1] был произведен анализ прочности и жесткости детали 130-2403020-2, изготовленной из всех приведенных в табл. 1 материалов. В библиотеке материалов SolidWorks отсутствуют стали МСт.6, стали 45 и стали 60, поэтому, основываясь на представленных в табл. 1 данных, были созданы пользовательские материалы. В результате компьютерного моделирования были определены максимальные значения напряжений, максимальные перемещения, максимальная деформация, минимальный запас прочности для каждого расчетного случая.
Результаты моделирования представлены в табл. 2.
В результате проведенного исследования было выявлено, что изготовление этой детали допустимо только из сталей, приведенных в табл. 2. В ходе оценки других параметров был выбран наиболее дешевый материал - Сталь 45 ГОСТ 1050-2013, который имеет наиболее близкие характеристики, относительно изначального материала МСт.6 ГОСТ 380-50.
Заключение
Результаты исследований влияния материала, формы, габаритных размеров, массы, технических требований к детали, объема и серийности выпус-
ка, коэффициента использования материала позволили рекомендовать для изготовления детали 130-2403020-2 сталь 45 ГОСТ 1050-2013, заготовку-поковку выполнять горячей объемной штамповкой на горизонтально-ковочной машине.
Таблица 2
Результаты моделирования
Наименование Максимальное Максимальное Минимальный
материала напряжение, МПа перемещение, мкм запас прочности
Сталь 45 580 96 1,416
Сталь 60 660 96 1,611
СЧ15 101 247 0,246
СЧ30 226 165 0,522
Л60 200 210 0,485
ABS 2020-31 38,2 10817 -
Библиографический список
1. Землянов, Г. С. 3D-моделирование / Г. С. Землянов, В. В. Ермолаева // Молодой ученый. - 2015. - № 11. - С. 186-189. - URL: https://moluch.ru/archive/91/ 18642/ (дата обращения: 10.03.2020).
References
1. Zemlyanov G. S., Yermolayeva V. V. Molodoy uchenyy [Young scientist]. 2015, no. 11, pp. 186-189. Available at: https://moluch.ru/archive/91/ 18642/ (accessed Mar. 10, 2020). [In Russian]
Иванова Татьяна Николаевна доктор технических наук, профессор, Институт механики, Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (Россия, г. Ижевск, ул. им. Татьяны Барамзиной, 34); кафедра автоматизации, информационных и инженерных технологий, Чайковский филиал Пермского национального исследовательского политехнического университета (Россия, Пермский край, г. Чайковский, ул. Ленина 73)
E-mail: reg078829@mail.ru
Ратников Иван Андреевич магистрант, Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова (Россия, г. Ижевск, Ул. Студенческая, 7)
E-mail: ratnicov97@mail.ru
Ivanova Tatyana Nikolaevna Doctor of engineering sciences, professor, Institute of Mechanics, Udmurt Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (34, Tatyany Baramzinoy street, Izhevsk, Russia); sub-department of automation, information and engineering technologies, Chaykovsky branch of Perm National Research Polytechnic University (73, Lenina street, Chaykovsky, Perm Krai, Russia)
Ratnikov Ivan Andreevich Master's degree student, Kalashnikov Izhevsk State Technical University (7, Studencheskaya street, Izhevsk, Russia)
Муйземнек Александр Юрьевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: muyzemnek@yandex.ru
Muyzemnek Aleksandr Yur'evich Doctor of engineering sciences, professor, head of the sub-department of theoretical and applied mechanics and graphics, Penza State University (40, Krasnaya street, Penza, Russia)
Образец цитирования:
Иванова, Т. Н. Совершенствование методов решения типовых конструкторских и технологических задач путем применения компьютерного моделирования / Т. Н. Иванова, И. А. Ратников, А. Ю. Муйземнек // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2020. - № 1 (53). - С. 103-112. - DOI 10.21685/2072-3059-2020-1-10.
