CC BY
137
УДК 621.73.073
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БАЛАНСИРОВКИ ПОКОВОК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ БОЛЬШЕГРУЗНОГО
АВТОМОБИЛЯ
А.В. Мартюгин
Рассмотрены причины возможных отклонений геометрии поковок коленчатых валов с использованием в технологии горячего формообразования операции выкрутки шатунных шеек, этапы выработки и реализации технологического обеспечения балансировки коленчатых валов.
Ключевые слова: коленчатый вал, деформация, напряжения, выкрутка, калибровка, балансировка.
На кузнечном заводе ОАО «КАМАЗ», где оборудование для производства поковок коленвалов с применением выкрутки шатунных шеек поставлено фирмой «Оймуко» (ФРГ) [1], в 2005 г. внедрен новый, более экономичный, способ изготовления поковок коленчатых валов повышенной геометрической точности. Согласно этому способу [2] исходную заготовку, например, круглого сечения, нагревают в индукционном нагревателе, вальцуют и подвергают деформации в заготовительно-формовочном ручье штампа кривошипного горячештамповочного пресса (КГШП). В процессе последующей штамповки формируют полуфабрикат поковки коленчатого вала, у которого сечения цапф и фланцев, коренных и шатунных шеек, подвергаемых выкрутке, выполняют по дугам окружностей, центры радиусов которых смещают относительно продольной оси вала по горизонтали в направлении выкрутки и по вертикали, соответственно вверх для верхних частей сечений и вниз для нижних частей сечений. Затем проводят обрезку облоя, выкрутку и калибровку в два перехода с поворотом поковки на 90°.
Разработанная на основе метода смещения центров радиусов расчетная программа реализована таким образом, что при задаче основных параметров сечений производится расчет поперечных сечений по всей цепочке деформаций, сравнительный анализ площадей и оценка оптимальности выбора схемы деформаций.
Для проверки развития деформации по всем сечениям калибруемых шеек использовалась разработанная авторская программа расчета деформированного состояния, позволяющая проверить расчеты в обратном направлении [3].
В дополнение к новому способу штамповки коленчатых валов большегрузных автомобилей разработан способ технологического обеспечения балансировки, который основан на математическом анализе геометрических параметров поковки с учетом возможных отклонений при формообразовании.
Математическое определение параметров возможных отклонений поковки, не препятствующих успешной балансировке коленчатых валов, было осуществлено при помощи автоматизации анализа балансируемости поковки детали после механической обработки [4]. Всего для первоначального анализа балансируемости коленчатого вала было проанализировано 7501410 комбинаций его основных геометрических параметров. Определены параметры поковки, которые необходимо выдержать при последней операции формообразования поковки — горячей калибровке.
Результаты математического анализа балансируемости вала использованы для выработки технологического решения обеспечения качества продукции. Изменены параметры штамповой оснастки для горячей правки (калибровки), которая призвана устранить все несоответствия по геометрии, образовавшиеся при выкрутке шатунных шеек.
Технологический процесс производства коленвалов с выкруткой шатунных шеек построен так, что возможные наибольшие искажения геометрии поковки наблюдаются при выкрутке шатунных шеек, где инструмент для выкрутки имеет наименьшую, по сравнению с другими операциями формообразовании, жесткость конструкции и точность позиционирования частей штампа из-за наличия в конструкции вращающихся секций. При выкрутке поковки коленчатого вала происходит скручивание по коренным шейкам, одни части вала поворачиваются по отношению к другим на определенный угол вокруг общей оси (см. рис. 1).
Рис. 1. Направления разворота частей полуфабриката при выкрутке (сверху) и штамп для выкрутки коленчатого вала (снизу)
Скручивание отличается тем, что очаг деформации при этой операции не находится под непосредственным воздействием давящего инструмента, а пластическое состояние по мере увеличения угла закручивания постепенно распространяется от периферии заготовки к её оси, пока всё сечение не будет охвачено пластической деформацией [5].
Поскольку очаг деформации при выкрутке ограничен областью коренных шеек и периферийными зонами, расположенными непосредственной близости к скручиваемым шейкам, наибольшие искажения поковки сосредоточены именно в этих местах.
«В связи с неоднородностью деформаций отдельные слои и элементы деформируемого тела стремятся к различному изменению размеров. В то же время, отдельные слои и элементы тела не могут изменить своих размеров самостоятельно без влияния на соседние слои и элементы» [5]. «Поэтому слои, стремящиеся к большему изменению размеров против (некоторого) среднего значения, будут передавать слоям и элементам, стремящимся к меньшему изменению размеров, силы такого знака, которые увеличивают изменение размеров. Слои и элементы, стремящиеся к меньшему изменению размеров, будут передавать слоям и элементам, стремящимся к большему изменению размеров, силы такого знака, которые уменьшают изменение размеров». [6].
«В результате, кроме внутренних сил, уравновешивающих внешние приложенные силы, в теле возникают взаимно уравновешивающие силы, обуславливающие напряжения, которые не могут быть отражены условиями на контуре и уравнениями равновесия. Они не определяются схемой напряженного состояния, соответствующего внешним силам» [5].
Эти взаимно уравновешивающиеся напряжения названы С.И. Губкиным дополнительными.
В нашем случае это означает, что в элементах поковки, расположенных вблизи очага деформации при выкрутке, создаются напряжения, связанные с внешним воздействием - поворотом относительно друг друга частей выкрутного штампа. Элементам же поковки, которые удалены от очага деформации, внешние воздействие не передается. Внутренне взаимодействие элементов поковки, расположенных в одной поворотной секции выкрутного штампа, но на различном расстоянии от очага деформации, создают ту самую неоднородную деформацию и дополнительные напряжения, о которых говорилось ранее. Дополнительные напряжения в деформируемой при выкрутке поковке остаются после снятия нагрузки в виде остаточных напряжений, приводящих к короблению поковки, а также развороту элементов поковки, расположенных в одной поворотной секции выкрутного штампа.
Для примера рассмотрим выкрутку шестиколенного вала рядного двигателя, где процесс выкрутки реализован в штампе с подвижными (вращающимися вокруг общей оси) составными секциями (см. рис. 1).
Секции поз. 1, 2, 3 и 4 с элементами поковки, зажатыми в секциях штампа, поворачиваются на заданный угол против часовой стрелки, а секции поз. 5 и 6 поворачиваются по часовой стрелке. При этом секции поз. 7, 8, 9 и 10 остаются неподвижными.
Очаги деформации при выкрутке сосредоточены по 2. 3, 5 и 6 коренным шейкам и прилегающим к ним зонам поковки. Выкрутной инструмент должен сомкнуться, тогда ось вращения всех выкручиваемых частей коленвала будет единой. Смыкание выкрутного инструмента при штамповке поковки с недоштамповкой возможно обеспечить только при наличии технологических зазоров между поковкой и гравюрой инструмента.
Дополнительные напряжения в деформируемой при выкрутке поковке приводят к короблению поковки в пределах технологических зазоров, затем, после снятия нагрузки и раскрытия выкрутного штампа, когда поковка находится в свободном состоянии, остаточные напряжения придают ей спиралевидную форму. Противовесы, расположенные в одной секции выкрутного инструмента, разворачиваются, относительно номинального расположения, в противоположные стороны, что может привести к небалансируемости коленвала при механической обработке (см. рис. 2).
га
V
СП 1ТТ1 -V1 ^
Рис. 2. Поковка коленчатого вала после выкрутки (сверху). На фото видно, что вал после выкрутки сильно покороблен и имеет саблевидную форму. Кроме того, присутствует винтообразный
разворот противовесов, что говорит о наличии больших дополнительных напряжений при горячей деформации в процессе выкрутки вала. Интенсивность деформаций при выкрутке шатунных шеек и поковка после выкрутки (снизу). Заметно сильное коробление поковки после выкрутки шатунных шеек что соответствует реально наблюдаемым (на фото сверху) явлениям
Разработаны ЭБ-модели выкрутного штампа, и проведено моделирование процесса выкрутки шатунных шеек коленчатого вала в программе QForm (версия 7.2.2., лицензия). Результат моделирования в системе QForm (см. рис. 2) подтверждает интенсивные коробления поковки при выкрутке.
Из-за особенностей конструкции выкрутного штампа (нежесткость конструкции, необходимость больших уклонов в радиальном направлении для выемки поковки после вращения секций) воспрепятствовать короблению поковки при выкрутке крайне сложно, поэтому последующая операция правки (калибровки) призвана устранить все несоответствия геометрии, образовавшиеся при выкрутке шатунных шеек.
Для правки используется гидравлический пресс со смыкающейся по разъему штамповой оснасткой. Этим достигается максимальная жесткость геометрических параметров штампуемого изделия. Штамп для предотвращения смятия выполняется с учетом недоштамповки и возможного смещения по разъему штампов: увеличены поперечные сечения, либо назначены технологические зазоры в нерабочих местах гравюры.
Первую задачу, которую должна решить горячая правка, это исправление коробления поковки полученное при выкрутке. Поскольку искривление имеет спиралевидную форму, правка осуществляется за 2 перехода.
Вторая задача заключена в получении геометрической точности (разворот шатунных шеек, соответствие линейных размеров) и достижении оптимального для последующей балансировки расположения противовесов.
Если для шатунных и коренных шеек принцип построения гравюры с целью достижения геометрической точности определен [2], то для противовесов необходимо определить конфигурацию ручья с учетом коробления вала при выкрутке, неравномерности деформации при горячей правке (калибровке), достижения оптимальной, в соответствии с результатами математического анализа балансируемости, геометрии вала.
При разработке правочного штампа применен принцип назначения глубины гравюры в зависимости от направления выкрутки и от расстояния противовесов от активной зоны деформации при выкрутке шатунных шеек распространен для всех противовесов, значимых для балансировки. В результате, штамп для горячей калибровки содержит ряд чередующихся участков, где глубина гравюры соответствует номинальным значениям размера противовеса, либо ниже, в допустимом (минусовом) допуске, по остальным контурам противовесов выполнены технологические зазоры с учетом допустимых отклонений (см. рис. Э).
Разработаны ЭБ-модели штампа для горячей калибровки. Проведено моделирование процесса правки коленвала в программе QForm (версия 7.2.2., лицензия). Результаты моделирования горячей калибровки (правки)
представлены на рис. 4. Коробление поковки устранено, противовесы развернуты и установлены в номинальное положение, благоприятное последующей балансировке.
Рис. 3. Штамп для горячей калибровки. Выделены места, где гравюра ручья имеет глубину меньше номинального значения размера противовеса. В местах противовесов, где нет выделения, назначен
технологический зазор
Рис. 4. Интенсивность деформаций при калибровке и поковка после
окончания формообразования
Полученный файл с моделью выкрученной и откалиброванной поковки коленчатого вала был проанализирован в программе MeshLab (открытое ПО). Также проведен сравнительный анализ полученных значений дисбаланса для разработанной в Siemens NX (лицензия) параметрической ЭБ-модели [4] и для ЭБ-модели, полученной в результате симуляции технологических операций выкрутки и горячей калибровки в QForm (версия 7.2.2., лицензия), результаты приведены в таблице.
Значения дисбаланса поковки для двух моделей коленчатого вала, которые были спроектированы различными способами и учитывающие технологические особенности процесса
Программное обеспечение (модель) Дисбаланс поковки (измеренный в ПО) Относительная погрешность
QForm + MeshLab (симуляция процесса) 1759,421 0,725539 % (погрешность измерения дисбаланса на параметрической модели относительно измерения для полной симуляции технологического процесса выкрутки и калибровки)
Siemens NX (параметрическая ЭБ-модель, учитывающая особенности процесса) 1746,655
Исходя из полученных данных можно сделать вывод о том, что относительная погрешность анализа балансируемости поковки используя разработанную в Siemens NX (лицензия) параметрической ЭБ-модели [4] незначительная и, соответвенно, анализ влияния геометрических параметров поковки на балансируемость механически обработанной детали в [4] приемлемо достоверен.
Применение принципа проектирования штампа для горячей калибровки с учетом деформации поковки при выкрутке и анализа балансировки коленчатого вала позволяет получать поковку с контролируемым расположением противовесов, не производя при этом излишнего деформирования, при котором возможно удлинение вала.
Результатом проведенной работы и изменения штамповой оснастки стало улучшение балансировки коленчатого вала, уменьшение брака по этому параметру.
Работа представлена на Э-й Международной Интернет - конференции по металлургии и металлообработке, проведенной в ТулГУ 1 мая - 30 июня 2014 г.
Список литературы
1. Семендий В.И., Акаро И.Л., Волосов Н.Н. Прогрессивные технология, оборудование и автоматизация кузнечно-штамповочного производ-
ства КамАЗа. М.: Машиностроение, 1989. С.215-240
2. Патент РФ 2254198 на изобретение МПК7 B21K1/08 Способ изготовления поковок коленчатых валов / Мартюгин В.С., Володин И.М., Ромашов А.А., Перевертов А.В., Ильченко Р.Р., Качалкова А.В. Опубл. 20.06.2005. Бюл. № 17.
3. Володин И.М. Моделирование процессов горячей объёмной штамповки. М.: Машиностроение-1, 2006. С.199-215
4. Мартюгин А.В. «Технологическое обеспечение балансировки коленчатых валов большегрузных автомобилей». Фундаментальные проблемы технических наук. Материалы международной научно-практической конференции, научный центр «АЕТЕККА» г. Уфа, 19.02.2014г.
5. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. Учебник для вузов. Изд. 4-ое, перераб. и доп. М.: «Машиностроение», 1977. С.333-334, 169-170.
6. Губкин С.И. Теория обработки металлов давлением. М., Металлург, 1947. 532 с.
Мартюгин Алексей Викторович, инженер, Российская Федерация, Республика Татарстан, г. Елабуга, ООО «Форд Соллерс Елабуга»
TECHNOLOGICAL PROVIDING OF BALANCING OF CRANKSHAFTS FORGINGS OF HEA VY VEHICLES
A. V. Martyugin
The reasons of possible deviations in geometry offorged crankshafts with using in technology of hot-forming crankpins turn operations were reviewed, stages of development and implementation of exceptions and inconsistencies for technological providing of crankshafts ' balancing.
Key words: crankshaft, deformation, stress, crankpins turn, calibration, balancing.
Martyugin Alexey Viktorovich, engineer, Russian Federation, Republic of Tatarstan, Yelabuga, LLC "FordSollers Elabuga"
