CC BY
6
СТАНДАРТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ
УДК 621.914
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-139-148
УЛУЧШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ БОЛЬШЕГРУЗНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ
А.В. Чех, Д.Т. Сафаров
В статье приведено обоснование ключевых показателей поковки коленчатого вала обеспечивающих геометрическую точность изготовления поковки коленчатого вала в соответствии с требованиями потребителя. Выполнен обзор производственных факторов, влияющих на геометрическую точность изготовления поковок. Приведена схема применения различных статистических методов управления качеством позволяющая найти и определить значимость различных производственных факторов, приводящих к отклонениям геометрических показателей поковок коленчатых валов. Рассмотрен пример комплексного применения статистических методов управления качеством. По результатам их применения установлена значимость различных производственные факторов и их влияние на точность поковок коленчатых валов большегрузных автомобилей. Рассмотрена усовершенствованная конструкция выкрутной штамповой оснастки, обеспечивающее значительное уменьшение коробления по коренным шейкам поковки коленчатого вала.
Ключевые слова: поковка коленчатого вала, горячая объемная штамповка, статистические методы управления, ключевые показатели качества
Мировыми производителями большегрузных автомобилей задается тенденция к увеличению мощности и экономичности двигателей внутреннего сгорания большегрузных автомобилей с дополнительными требованиями к обеспечению экологических норм выбросов. Следствием этого процесса является постоянное уменьшение допусков на детали двигателей, в том числе и коленчатых валов. Для обеспечения точности обработки коленчатых валов ужесточаются и допуски на геометрические показатели и их поковок. Уверенность в качестве продукции, поставляемой поставщиками мировых производителей автомобилей, обеспечивается в соответствии [1] за счет выполнения новых требований к процессу подготовки производства.
Одной из обязательных ее процедур процесса подготовки производстав является формулирование ключевых показателей качества и обеспечение управляемых условий их получения [2]. Управляемые условия изготовления автокомпонентов обеспечиваются применением ряда специальных методик, таких как анализ последствий потенциальных дефектов конструкции и процесса (DFMEA, PFMEA), планы управления, статистический анализ (SPC), анализ измерительных систем (MSA) и т.д.
Командная работа, выявила и согласовала с потребителем для поковок коленчатых валов следующие показатели качества (рис. 1):
диаметральные размеры коренных (ДКШ) и шатунных шеек (ДШШ); изогнутость поковки по третьей коренной шейке (ИКШ); угловые отклонения шатунных шеек (УОТТТТТТ);
смещения по линии разъема штампов в поперечном (ПСШ) и продольном направлении (Пр.СШ);
отсутствие зажимов и складок на поверхности поковки;
обеспечение балансировки обработанного коленчатого вала после механической обработки [3, 4].
большегрузного автомобиля
Ключевые показатели поковок коленчатого вала большегрузных автомобилей формируются в процессе изготовления, состоящем из следующих основных формообразующих технологических операций (рис. 2): вальцовочной, штамповочной, обрезной, выкрутной и правочной операций. На автоматической ковочной линии может быть реализована штамповка коленчатых валов как с использованием, так и без использования выкрутки шатунных шеек. В первом случае значительно усложняется конструкция штампов, которые имеют сложную ломаную поверхность разъема и увеличенную глубину гравюр. Это приводит к ухудшению условий перемещения полуфабриката по технологическим переделам штамповки, снижению стойкости инструмента.
Преимуществом использования выкрутки является простота штамповой оснастки, легкость автоматизации процесса, высокая стойкость штамповой оснастки. Штамповка с ломанной линий разъёма должна быть обеспечена высокоточным оборудованием, применяется в производстве относительно недавно, имеет характерные требования к параметрам геометрии поковок.
Коленчатый вал, рассматриваемый в данной статье, изготавливается с выкруткой шатунных шеек. Штамповка поковок коленчатых валов ведется в серийном режиме с переналадками автоматической линии с одного типа поковок коленчатого вала на другой.
В процессе изготовления поковок коленчатых валов в каждой операции действуют производственные факторы, приводящие к постоянному изменению геометрических показателей поковки коленчатого вала. В процессе горячей объемной штамповки поковки коленчатого вала на штамповочной операции происходит изменение закрытой высоты штампового пространства (система штамп-блок) вследствие изменения их температуры. Вследствие необходимости выдува сжатым воздухом окалины и смазки ручьев штампа водным раствором графита температура штампа снижается после 3-4 часов работы на 50-100° С.
Изменение температуры исходной заготовки приводит к изменению усилия штамповки и постоянному изменению закрытой высоты штампа из-за растяжения пресса. В процессе штамповки возникают поперечные и продольные смещения по разъему штампа. Ручьи штампа изнашиваются в наиболее нагруженных зонах [5]. Обрезка
облоя приводит к короблению поковки коленчатого вала в одной плоскости [6, 7]. Выкрутка шатунных шеек изменяет коробление поковки, добавляя дополнительные пространственные отклонения в относительном расположении коренных, шатунных шеек и противовесов.
Рис. 2. Автоматическая линия «ЕимиСО» для производства коленчатых валов и балок передней оси грузовых автомобилей: 1 — ковочные вальцы; 2 — клиновый пресс 1200 МН; 3 — обрезной пресс, выкрутной прес 1,8 МН; 4 — калибровочный
гидравлический пресс 16 МН
Рис. 3. Примеры дефектов горячей объемной штамповки поковок коленчатых валов большегрузных автомобилей: б — незаполнение боковой части противовеса; а — незаполнение радиусной части противовеса; в — «чернота» по шатунным
шейкам
В результате изготовленные поковки получают различные дефекты, являющиеся следствием перечисленных выше факторов производственного процесса. Часть дефектов выявляется в результате 100% визуального контроля к ним можно отнести забоины, лом-бой, незаполненные фигуры, перекосы, зажимы и заусенцы. Дефекты
геометрических параметров выявляются в результате выборочных измерений поковок в соответствии с планом управления к ним можно отнести кривизну, ослабления размеров, недоштамповку. Анализ дефектности выявил два часто встречающихся вида дефектов поковок коленчатых валов, как на Кузнечном заводе, так и в мировой практике [3]. К ним относится незаполнение формы металлом у выступов, углов, закруглений и ребер и нехватку припуска по шатунным шейкам, приводящего к дефектам после механической обработки в виде «черноты» на обработанных цилиндрических поверхностях шатунных шеек (рис. 3). Обеспечение статистической управляемости по всем ключевым показателям должно обеспечивать необходимый запас припуска по шатунным и коренным шейкам коленчатого вала.
Теоретическая часть. Для оценки статистической управляемости процесса горячей объемной штамповки и ранжирования производственных факторов в целях улучшения качества изготовления поковок разработана схема применения стандартных статистических методов управления качеством (рис. 3). Последовательное применение известных методов управления качеством позволяет получить более полный объем данных о изменении ключевых показателей точности и сделать предположение о наличии производственных факторов, приводящих к отклонениям их значений от установленного уровня.
Рис. 4. Последовательность применения статистических методов управления качеством для оценки статистической управляемости ключевых показателей
точности поковки коленчатого вала
Применение гистограмм позволяет проанализировать фактическое распределение размеров и установить наличие или отсутствие фактора группирования значений ключевых показателей качества около целевых значений. Статистический метод позволяет оценить стабильность и настроенность процесса получения ключевого показателя. Контрольные карты и регрессионный анализ позволяют сделать предположение о действии производственных факторов по времени. Корреляционный анализ позволяет выявить скрытые взаимосвязи между отдельными ключевыми показателями и выявить внутренние взаимосвязи. В результате применения методов формируется программа улучшения качества, содержащая мероприятия по улучшению качества изготовления поковок и верификацию их результативности их выполнения.
Практическая реализация. Сбор статистических данных выполнен по следующим ключевым показателям точности поковки коленчатого вала:
142
диаметральным размерам коренных шеек; диаметральным размерам шатунных шеек; радиальным размерам по кривошипу; угловых отклонений шатунных шеек;
изгибу по третьей коренной шейке в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях;
поперечному смещению верхней и нижней формы штампа; продольному смещению верхней и нижней формы штампа. На специальном контрольном приспособлении штангенрейсмасом измерялись высотные размеры каждой сотой поковки коленчатого вала по технологическому процессу (рис. 5). Измерения выполнялись после окончательной правочной операции.
Рассмотрим результаты последовательного применения различных статистических методов для ключевого показателя - диаметральных размер шатунных шеек. На рис. 6 приведены гистограммы распределения диаметральных размеров. По первой, третьей и четвертой шейке форма гистограммы симметричная с явно выраженным центром группирования. Также для этих шеек наблюдается наименьший разброс диаметральных размеров. Для второй шейки форма гистограммы гребенчатая без выраженного центра группирования. Процесс штамповки этой шейки подвержен в большей мере действию случайных факторов. Выходов значений размеров за пределы поля допуска не обнаружено.
а б в
Рис. 5. Измерение поковок коленчатого вала: а — контрольное приспособление; б — измерение высотных параметров штангенрейсмасом; в — измерение диаметральных размеров штангенциркулем
На рис. 7 приведены кривые нормального распределения для всех пяти шеек. Индексы стабильности процесса 1, 3, и 4-ой шейки находятся в пределах от 1,64 до 2,28. Запас точности достаточен для обеспечения стабильности диаметральных размеров в пределах поля допуска. Для второй шейки Ср принимает значение 0,9. Для этой шейки процесс штамповки не обеспечивает стабильность диаметрального размера. Среднеарифметические значения диаметральных размеров находятся в области значений, от середины поля допуска до верхней границы. Индекс настроенности процесса находится в пределах от 0,09 до 0,27. Настройка процесса, как и для диаметральных размеров коренных шеек поковки выполнена для обеспечения максимально возможного припуска на механическую обработку.
На рис. 8 приведены контрольные карты изменения диаметральных размеров. Данные графика подтверждают данные о настроенности процесса ближе к верхней границе поля допуска. По второй шатунной шейке наблюдается увеличение
143
диаметрального размера шейки на 0,8 мм по сравнению со значениями размера в начале выборки, возможно это связано с повышенным износом штамповой гравюры второй шейки. По третьей шейке нарастание размера более плавное, размер изменяется на 0,4 мм. Износ штампа меньший, чем для второй шейки. По остальным шейкам диаметральный размер находится на одном уровне, следовательно, износ формы по шатунным шейкам не значителен.
Две точки графика скользящих размахов выходят за контрольные границы, возможно выбросы связаны с погрешностями измерений показателей. Остальные точки графиков находятся в пределах контрольных границ. У деталей к концу выборки наблюдается уменьшение межгрупповой изменчивости процесса. Причина уменьшения изменчивости не выявлена. По остальным ключевым показателям выполнен анализ, аналогичный приведенному выше.
Результирующее содержание мероприятий по улучшению качества приведены в таблице. Основными ключевыми показателями, требующими улучшения, являются угловые отклонения по всем шатунным шейкам, изгиб по третьей шатунной шейке в плоскости 45-225°, диаметральный размер по второй шатунной шейке, а также поперечное смещение форм штампа. В основном требуются конструктивные улучшения формы штамповой оснастки в операциях штамповки, выкрутки и калибровки для улучшения стабильности процесса горячей объемной штамповки.
дет.
16
12 ю
6 4 2
^ ггип]
.. .1
ш
сГтах] ■дшш 1
35.4 55.5 53.2 53.3 57 57.4 57.5 55.2 55.ь 59 59.4 59.5 90.2 90.3 91
дет.
9
7
5
4
5
^ ШТ1!
II
с!тах
и1,
Ь
35,4 85,8 86,2 86,6 87 87,4 87,8 88,2 88,6 39 89,4 89,8 90,2 90,6 91
дет.
14 -г
12 -|-------;сНлгп]- -
10 ---------
-^еИпах]
■дшш з
85,4 35,8 86,2 86,6 87 87,4 87,8 88,2 88,6 89 89,4 39,8 90,2 90,6 91
12---
10
ГО тТпТ
2---------
,1,1
~ Титлах]
£
35.4 о5.о 33 2 33.3 37 37.4 37.3 33.2 33.3 39 39.4 39.3 90.2 90.3 91
Рис. 6. Гистограммы распределения диаметральных размеров шатунных шеек
поковок коленчатых валов
Р^шш) 1,6
1,4 1.2 1 0,3 0,6 0,4
Г Д"
"Т"7Ж"
1 / \\
------- ___________-МьЛ X у\и \\ -------
;у \х
-ДШШ 1
ДШШ 2
-ДШШ 5
-ДШШ 4
'с1 так]
--СПД
л1 тт]
86 87 88 85 90 91 52 ММ
Рис. 7. Кривые нормального распределения диаметральных размеров шатунных
шеек поковок коленчатых валов
ДШШ. мм
92
91 90
89 88
-ДШШ 1 ДШШ 2 ■ ДШШ 5 -ДШШ 4
-иа
-О.
-ю.
■123456753 10 11 12 13 14 15 16 17 10 19 20 21 22 23 24 25 26 27 20 23 30 31
РДШШ. ММ
12345670 9 10 11 12 13 14 15 1ь 17 10 19 20 21 22 23 24 25 2ь 27 20 29 30 №де"Г.
Рис. 8. Контрольные карты Шухарта и регрессионный анализ диаметральных размеров шатунных шеек поковок коленчатых валов: а — индивидуальных значений; б — скользящихразмахов
Результирующая таблица корректирующих мероприятий по улучшению точности изготовления поковок коленчатых валов
Ключевой показатель качества Метод управления качеством Выявленный производственный фактор Мероприятия по улучшению точности поковок
Диаметральный размер по коренным шейкам Гистограммы Наличие случайных факторов по 3 ТТТТТТ Не требуются
Статистический метод Процесс стабилен Не требуются
Контрольные карты Настройка выполнена по верхней контрольной границе, нарастание межгрупповой изменчивости по 1 ТТТТТТ Не требуются
Регрессионный анализ Уменьшение размера по 3ТТТТТТ на 1,5 мм на 1500 поковок Не требуются
Диаметральный размер по шатунным шейкам Гистограммы По 2 ТТТТТТ наличие случайных факторов —
Статистический метод По 2 ТТТТТТ Ср=0,9 процесс не стабилен Изменение профиля гравюр штампа по 2-ой шейке
Контрольные карты Штамповка по верхней контрольной границе —
Регрессионный анализ Износ по 2 шатунной шейке 0,8 мм на 1500 поковок Изучение вопроса по упрочнению гравюры 2 и 3-ей ТТТТТТ
Угловые отклонения по шатунным шейкам Гистограммы Случайные факторы по второй и третьей шатунной шейке
Статистический метод Процесс не стабилен по угловому отклонению тттттт? Ср=0,3, тт3 Ср=0,4, тт4 Ср=0,5 Изменение гравюр калибровочного штампа по шатунным шейкам, изменение угла выкрутки шатунных шеек
Контрольные карты Значения выше верхней контрольной границы и нижнее нижней контрольной границы
Регрессионный анализ Уровень показателя неизменен —
Рассмотрим, пример конструктивного улучшения штамповой оснастки, разработанный по результатам выполненного статистического анализа на операции выкрутки. В процессе выкрутки шатунные шейки одновременно разворачиваются на углы,
обеспечивающие ориентацию шатунных шеек на углы, близкие к 45°. Для противодействия короблению поковки коленчатого вала по коренным и шатунным шейкам, предусматривается введение участков в поворотных секциях штампа, взаимодействующих с торцевыми поверхностями противовесов в осевом направлении.
Окончание
Изгиб по третьей коренной шейке Гистограммы В плоскости 45-225° наличие случайных факторов —
Статистический метод В плоскости 45-225° процесс не стабилен Ср=0,71 Изменение гравюр калибровочного штампа по шатунным шейкам, совершенствование калибровочного штампа
Контрольные карты Нарастание межгрупповой изменчивости в плоскости 45-225° --
Регресионный анализ Увеличение изногнутости в плоскости 45225° Износ гравюры по 3-ей коренной шейке на 0,4 мм. на 1500 поковок Изучение вопроса по снижению износа гравюры 3-ей КШ
Поперечное смещение форм штампа Гистограммы Группирование около максимально допустимого значения Более результативного метода наладки поперечного смещения
Статистический метод Не стабилен Ср=0,74 Повышение жесткости в поперечном направлении
Контрольные карты Не стабилен, значения около верхней контрольной границы —
Регрессионный анализ Увеличение на 0,2 мм на 1500 поковок Повышение жесткости в поперечном направлении
Продольное смещение форм штампа Гистограммы Неслучайные факторы не выявлены Не требуются
Статистический метод Процесс стабилен Не требуются
Контрольные карты Процесс стабилен Не требуются
Регрессионный анализ Процесс стабилен Не требуются
-п
Л «гЛ [
7 '^и >
1 и ^ V/ '/ Ч ■ц-
1., у \ 1
\ 1
Места противодействия
короолению
■
! Е?
I I
\ \
гл П
ад
О
Рис. 9. Изменения штамповой оснастки в операции выкрутки: а — схема разворота шатунных шеек; б — положение поковки в штампе после окончания выкрутки;
в — вертикальное сечение выкрутного штампа по оси коренных шеек; г — вертикальное сечение выкрутного штампа по оси первой шатунной шейки
Введение элементов, обеспечивает стабилизацию значений угловых отклонений шатунных шеек и изгиба по третьей коренной шейке (рис. 9). В процессе выкрутки постоянный контакт с этими элементами препятствует нарастанию значительного коробления после выкрутки шатунных шеек коленчатого вала. Результативность оснастки проверена в программном продукте QForm и реализована в конструкции штамповой оснастки. Также дополнительно разработаны и реализуются мероприятия по улучшению процесса укладки поковки коленчатого вала в ручьи штампа калибровочной операции.
Выводы. Комплексное применение статистических методов позволяет выявить основные производственные факторы, влияющие на стабильность геометрических показателей точности поковки коленчатого вала, выявить содержание конструкторских и технологических мероприятий по улучшению точности его изготовления. Повторное применение методики позволяет объективно оценить результативность разработанных и выполненных мер по улучшению качества.
Список литературы
1. IATF 16949:2016 Системы менеджмента качества. Особые требования к применению стандарта ISO 9001:2015 для автомобильного производства и соответствующих сервисных организаций. 2015.
2. Мартюгин А.В., Володин И.М., Володин А.И., Биктимирова Г.Ф. Особенности проектирования технологических процессов горячей объемной штамповки с оригинальными требования к качеству поковок // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 4. С. 41-49.
3. Мартюгин А.В. Технологическое обеспечение балансировки поковок коленчатых валов большегрузного автомобиля // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2014. Вып. 11. Ч. 1. С. 176-183.
4. Мартюгин А.В. Устранение дисбаланса коленчатых валов Р4 вне технологических линий производства // Будущее науки-2016. Сборник научных статей 4-й Международной молодежной научной конференции: в 4-х томах. Ответственный редактор Горохов А.А., 2016. С. 90-94.
5. Кужагильдин Р.С., Шутова Л.А. Повышение стойкости штампов для горячего деформирования Социально-экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация. 2019. № 1 (80). С. 50-58.
6. Володин И.М., Чех А.В., Володин А.И. Исследование формоизменения поковки при обрезке облоя // Проблемы и перспективы развития машиностроения. Сборник научных трудов международной научно-технической конференции, посвящённой 60-летию Липецкого государственного технического университета. А.М. Корнеев (ответственный редактор). 2016. С. 330-335.
7. Мартюгин А.В., Володин И.М. Снижение влияние деформации при обрезке облоя на геометрическую точность и дисбаланс поковок коленчатых валов // Colloquium-journal. 2019. № 26-2 (50). С. 91-94.
8. Solanki A.B., Sonigra S.S., Vajpayee V. Implementation of quality tools and effective strategies to boost production market standards for forged crankshafts: A case study of forging industry // Paper presented at the Materials Today: Proceedings, 2021. 47. P. 59705976. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.04.537.
Чех Александр Васильевич, директор, ChehAV@kamaz.ru, Россия, Набережные Челны, Кузнечный завод ПАО КамАЗ,
Сафаров Дамир Тамасович, канд. техн. наук, доцент, Safarov-dt@,mail. ru, Россия, Набережные Челны, Набережночелнинский институт (филиал) Казанского (Приволжского) федерального университета
IMPROVING THE ACCURACY OF MANUFACTURING FORCINGS OF CRANKSHAFTS OF HEAVY-DUTY VEHICLES BASED ON STATISTICAL QUALITY MANAGEMENT
METHODS
A.V. Czech, D.T. Safarov
The article provides a justification of the key indicators of the forging of the crankshaft ensuring the geometric accuracy of the manufacture of the forging of the crankshaft in accordance with the requirements of the consumer. A review of the production factors affecting the geometric accuracy of forgings is performed. The scheme of application of various statistical methods of quality management is given, which allows to find and determine the significance of various production factors leading to deviations in the geometric parameters of crankshaft forgings. An example of a complex application of statistical methods of quality management is considered. Based on the results of their application, the significance of various production factors and their influence on the accuracy of forgings of crankshafts of heavy-duty vehicles has been established. An improved design of the unscrewed die tooling is considered, which provides a significant reduction in warping along the root necks of the forging of the crankshaft.
Key words: crankshaft forging, hot stamping, statistical control methods, key quality indicators.
Czech Alexander Vasilyevich, director ChehAV@kamaz.ru, Russia, Naberezhnye Chelny, Blacksmith Factory of the Kama Automobile Plant,
Safarov Damir Tamasovich, candidate of technical sciences, docent, Safarov-dt@mail.ru, Russia, Naberezhnye Chelny, Naberezhnye Chelny Institute (branch) Kazan (Volga Region) Federal University
УДК 629.113
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-148-155
РАЗВИТИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ КОМПЛЕКСНЫХ ПРОГРАММ УЛУЧШЕНИЙ В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОМ
ПРОИЗВОДСТВЕ
Д.И. Благовещенский, В.Н. Козловский, С.А. Шанин, С.И. Клейменов
В статье представлены результаты актуализации и решения проблемы мотивации персонала машиностроительного предприятия при реализации комплексной программы улучшений.
Ключевые слова: машиностроительное предприятие, конкурентоспособность, качество, автомобильные компоненты, автомобиль.
Несомненно, важным вопросом, определяющим успех реализации любой комплексной программы улучшений на автосборочном предприятии, является мотивация максимально возможного вовлечения всего персонала, работающего на предприятии, в соответствующие процессы преобразования. При этом на отечественных предприятиях автомобильной промышленности существует ряд характерных проблем, тормозящих процессы улучшений. На рис. 1 представлена обобщенная диаграмма Исикавы, раскрывающая основные проблемы использования человеческого потенциала для улучшения качества продуктов и процессов.
