12.04.2018

Разработка и реализация групповых технологических процессов холодной и пологорячей объемной штамповки


Принятие решений связано с выбором наиболее предпочтительного варианта из множества допустимых альтернативных решений или упорядочение этого множества. Таким образом, разработчик технологического процесса сталкивается с проблемой принятия ответственного решения в некоторых уникальных условиях, в которых он находится.

Проиллюстрируем этапы принятия технологических решений несколькими примерами.

Многочисленный класс составляют стержневые детали, часть которых вошло в выборку, анализируемую в работе на различных этапах. Детали нескольких сформированных групп выборки сведены в табл. 3.21. В данные группы вошли детали гидроаппаратуры номенклатуры Людиновского ПО "Агрегатный завод" с мелкосерийным типом производства и детали бурового инструмента Кузнецкого машиностроительного завода с серийным типом производства. Для изготовления комплексных поковок групп 2 и 3 в качестве альтернативных вариантов рассматривались выдавливание стержня детали и высадка утолщения. Первый вариант позволяет получить тонкий стержень поковки, однако требует проектирования и изготовления сложного штампового инструмента, стойкость которого в условиях высоких удельных сил и больших степеней деформации недостаточна для получения годовой программы с помощью одного комплекта. Второй вариант технологического процесса требует выполнения нескольких переходов высадки для максимального сокращения последующей механической обработки. В этом случае конструкция инструмента существенно упрощается при повышении его стойкости за счет снижения значений удельных сил. Поэтому при разработке технологических процессов предпочтение отдавалось операции высадки, выдавливание использовалось лишь для получения внутренних полостей.
Оценка технологичности комплексных поковок групп 2 и 3 показала, что по конструктивно-технологическим признакам детали попадают в недопустимую область признакового пространства, поэтому автоматизированное корректирование значений признаков проводилось с таким расчетом, чтобы поковка с полученными на стадии генерирования формы параметрами соответствовала ограничениям, связанным с реализацией процесса высадки. Так, например, уменьшение числа переходов высадки требует увеличения диаметра стержневой части поковки. В связи с неоднозначностью решения моделировалось принятие решений относительно технологий изготовления поковки из заготовки с различными значениями диаметра, исходя из ограничений по устойчивости высаживаемой части, допустимого количества переходов штамповки и допускаемой степени деформации металла. В результате работы программного комплекса, блок-схема которого представлена на рис. 3.38, синтезированы рациональные процессы изготовления поковок для рассматриваемых групп стержневых деталей с необходимыми параметрами полуфабрикатов по переходам.

При составлении полученных вариантов технологических процессов ХОШ и ПГОШ установлено, что наибольшая доля в общей структуре затрат, представленной на рис. 3.42, приходится на материалы и заработную плату, причем наблюдается большой диапазон колебаний этих затрат.
Следующими по удельной значимости идут затраты на амортизационные отчисления и содержание производственных площадей, затем затраты на энергию.

Расчет затрат и анализ их структуры позволили выявить соотношения расходов и долю каждого в общих затратах, что учитывалось при внедрении технологических процессов ХОШ и ПГОШ в конкретных заводских условиях при имеющихся материальных и трудовых ресурсах.

При выборе рационального варианта технологии одним из факторов, оказывающих существенное влияние на экономический критерий, является годовая программа выпуска деталей. Сопоставлением вариантов технологических решений определяются границы их эффективного использования, характеризующиеся критической программой, при которой сравниваемые варианты экономически равноценны.

На основе выполненного технико-экономического анализа вариантов технологических процессов изготовления стержневых деталей построены кривые изменения затрат в зависимости от величины годовой программы выпуска (рис. 3.43), согласно которой критическая программа производства деталей qгк составляет 1850 штук при сравнении XOШ и ПГОШ с методами резания металла и 7200 штук при сравнении с методами ГОШ.

Для получения поковок групп 2 и 3 оптимален процесс, включающий выполнение двух переходов высадки из заготовки диаметром 22 мм, что несколько больше диаметра стержневой части детали. Для уменьшения диаметра предусмотрено редуцирование стержневой части поковок до диаметра 19 мм в холодном состоянии. Так как степень деформации на переходе редуцирования невелика, он совмещен с предварительным набором металла в коническую полость пуансона. После установки заготовки в матрицу во время рабочего хода пресса сначала происходит ее редуцирование до упора в выталкиватель, а затем заполняется коническая полость наборного пуансона. Окончательное формоизменение комплексных поковок производится в полугорячем состоянии, для чего предусмотрен локальный нагрев заготовки. При необходимости получения осевых отверстий в поковках этот переход совмещается с элементами выдавливания.

Технологические параметры выбранных операций рассчитывались с помощью соответствующих программных модулей. Оптимальное количество формоизменяющих переходов для штамповки поковок групп 2 и 3 равно двум: предварительное формоизменение с одновременным редуцированием стержневой части заготовок в общей матрице и окончательная штамповка при использовании одного и того же выталкивателя.

На рис. 3.44, а, б представлены технологические переходы штамповки поковок деталей гидроаппаратуры групп 2 и 3.
Поковки групп 4 и 5 целесообразно штамповать с помощью операции высадки за один переход с предварительным нагревом заготовки до температуры ПГОШ, при этом оптимальный диаметр заготовки для поковки группы 4 равен 18 мм, а для комплексной поковки группы 5-22 мм. Схемы технологических переходов ПГОШ данных комплексных поковок представлены на рис. 3.45, а, б.

Альтернативные варианты, полученные при моделировании технологии изготовления поковки группы 6, включают различные сочетания операций высадки и выдавливания. Например, поковка может быть получена: последовательным выдавливанием различных ступеней из заготовки диаметром 74 мм; выдавливанием стержневой части и высадкой утолщения с использованием заготовки диаметром 57 мм; высадкой ступенчатого утолщения из заготовки диаметром 30 мм.

Технологический процесс ХОШ с использованием прямого выдавливания (относительная степень деформации е = 0,84) потребует 2-х переходов и введения в процесс промежуточного отжига и подготовки поверхности полуфабриката для дальнейшей обработки ХОШ. Кроме того, использование заготовки диаметром 74 мм затруднит применение разрезки сдвигом пруткового металла. Схема технологического процесса при этом следующая: отжиг заготовок, очистка поверхности, фосфатирова-ние, выдавливание. Общее число операций - 8.

Альтернативным вариантом является двухпереходная высадка в холодном состоянии из заготовки диаметром 30 мм с общим числом операций 5, включающих отжиг, очистку поверхности, фосфатирование.

Технологический процесс, предусматривающий выдавливание стержневой части из заготовки диаметром 57 мм и высадку утолщения, должен происходить с относительной степенью деформации е = 0,72. Поэтому прямое выдавливание следует разбить на два перехода. Тогда при моделировании технологический процесс синтезирован из следующих операций: отжиг, очистка поверхности, фосфатирование, прямое выдавливание, отжиг, очистка поверхности, фосфатирование, прямое выдавливание, высадка.

Однако в производство внедрен четвертый вариант технологического процесса, представляющего собой комбинацию операций ХОШ и ПГОШ.

Сравнение вариантов по многим критериям (КИМ, величина удельной силы на инструмент, число переходов, стойкость инструмента, способ отрезки штучных заготовок) показало в процессе генерирования оптимальность такого комбинирования. Процесс включает следующие операции: осадку, нагрев заготовок до температуры ПГОШ, комбинированное выдавливание. Отрезка заготовок производится от горячекатаного прутка диаметром 53-1,0, которые осаживаются с калибровкой диаметра до значения 56 ± 0,05. Степень деформации на этом переходе не превышает е = 0,12, поэтому осадка может быть выполнена без предварительного отжига и фосфатирования.

На рис. 3.45, в представлена схема штамповки комплексной поковки группы 6.

Группа 9 (см. табл. 3.21) сформирована из деталей, относящихся к классу полых деталей типа "стаканов". Детали-представители, которыми являются корпуса буровых коронок, выбраны из номенклатуры 2-х заводов: Кузнецкого машиностроительного и Самаркандского опытного по разработке и производству бурового твердосплавного инструмента. На этапе генерирования и синтеза вариантов технологии изготовления данных поковок спроектировано 4 варианта технологических процессов, включающих операции осадки, калибровки, прямого и обратного выдавливания, вытяжки с утонением стенки, обжима. Генерирование осуществлялось согласно описанной выше методике (схема представлена на рис. 3.24). В результате многокритериальной оптимизации решение было принято в пользу процессов, представленных на рис. 3.46.
Особенностью технологического процесса является необходимость получения конической полости с внутренней поверхностью, не требующей дальнейшей механической обработки. Поковка корпуса БКПМ40-25 км штампуется в два перехода: осадка и прямое выдавливание конической полости. Одновременно с калибровкой заготовки по диаметру выполняется наметка полости.

При штамповке корпуса КДП40-25.001 после осадки с одновременным профилированием заготовки и получением наметки полости выполняется обратное выдавливание конической полости.

В качестве исходного материала используется горячекатаный прокат соответственно 038 мм из стали 18Х2Н4МА и 036 мм из стали 35ХГСА.

Полугорячая штамповка в дискретном режиме экспериментальной партии поковок показала, что обеспечить высокую стойкость инструмента не удается.
Технологические процессы изготовления поковок групп 10 и 11 осуществляются в холодном состоянии. Для штамповки стакана от толстостенной трубы диаметром 83 мм и толщиной стенки 12 мм по ГОСТ 8734-75 отрезают заготовку высотой 57,8+0,5 мм. На одном из торцов формируют фаску 5 х 30° для облегчения установки и центрирования заготовки в матрице. Переходы штамповки показаны на рис. 3.47.

Заготовки очищают, фосфатируют и наносят слой смазки в виде 72 % раствора мыла. На первом переходе производят выдавливание полуфабриката на удаляемой оправке, на втором окончательном переходе радиальным выдавливанием формируют утолщение. Для выдавливания используют гидравлический пресс мод. П2940 силой 10000 кН.
Технология изготовления поковки группы 11 следующая. Предварительно подготовленные к ХОШ заготовки диаметром 50-1,0 мм и высотой 25+0,5 мм штампуют за один переход. В дальнейшем технология изготовления этой детали будет скорректирована с ориентацией на трубную заготовку.

Рассмотрим еще одну выборку деталей с более сложной геометрией, перспективных с точки зрения их изготовления методами ХОШ и ПГОШ. На основе анализа производственной программы 10 автомобильных заводов сформирована выборка, в которую были включены 500 наименований деталей.

Для осуществления возможности обработки выборки с помощью созданных программных комплексов формировались образы деталей, описываемые конструктивно-технологическими признаками, из значений которых создана база данных. Распределение значений некоторых признаков отражают представленные на рис. 3.48 гистограммы.

Применение программных комплексов классификации и группирования позволили включить, например, в класс стержневых деталей с односторонним утолщением 50 деталей, в котором сформировано 18 групп близких по типоразмерам деталей.

Основная часть деталей имеет массу до 3-х кг, что вполне приемлемо для ХОШ и ПГОШ. Коэффициент сложности формы, изменяющийся в диапазоне Ф = 0,005...0,4, свидетельствует о достаточно сложной геометрии анализируемых деталей, что обуславливает необходимость выполнения формоизменения за 4—5 переходов. В табл. 3.22 представлены характеристики 6 деталей легкового автомобиля "Москвич" для изготовления ПГОШ. На рис. 3.49 показана деталь "корпус наружного шарнира".
В настоящее время для ряда автомобильных деталей (корпусов внутреннего и наружного шарниров, фланца и др.) ведущими зарубежными фирмами, такими как Schuler, Hasenclever (Германия), Komatsu (Япония), разработаны различные варианты штамповки. Структурная схема возможных технологических переходов представлена на рис. 3.50.

В современных комплексах для многопозиционной ПГОШ, выпускаемых рядом зарубежных фирм, штамповка выполняется из штучных заготовок, полученных отрезкой пилами или на сортовых ножницах. Предпочтение отдается относительно дешевому горячекатаному прокату (ПГ) повышенной точности и точной отрезке на ножницах.

В ПО "Москвич" для ПГОШ на комплексе фирмы Hasenclever используется предварительно обточенный горячекатаный прокат (ПО), что позволяет снизить вероятность появления у поковок поверхностных дефектов. Более точный холоднокатаный прокат (ПХ) применяется крайне редко из-за его высокой стоимости и дефицитности.

Для деталей типа корпуса внутреннего шарнира, имеющих глубокую полость с вертикальными канавками постоянного сечения, наиболее перспективен процесс фирмы Schuler, включающий следующие технологические переходы: (2.2)-(2.3)-(2.4)-(2.5)-(2.6) (см. рис. 3.50).

Особенностью данного процесса является использование на 3, 4 и 5 переходах открытой схемы деформации со свободным истечением металла. Благодаря изменению формы поперечного сечения полуфабриката в процессе редуцирования на 5-ом переходе обеспечивается высокое качество функциональной поверхности поковки.

Фирмой Komatsu для аналогичных деталей предложен четырехпереходной процесс: (2.2.1)-(2.2.2)-(2.4)-(2.5); в этом случае прямое выдавливание стержня с двумя ступенями выполняется в два перехода (2.2.1 и 2.2.2), что повышает стойкость матриц на данных позициях штамповки. Однако инструмент оказывается более перегруженным на 3 и 4 переходах, что отрицательно влияет на его стойкость. В процессе моделирования технологии синтезирован новый процесс по схеме: (2.2.1)-(2.2.2)-(2.4)-(2.5)-(2.6); для повышения размерной точности операцию калибровки или повторного редуцирования можно выполнить в холодном состоянии, но в этом случае потребуется отжиг и фосфатирование поковки после ПГОШ.

Для деталей типа корпус наружного шарнира (см. рис 3.49), имеющих полость сложной формы со сферическими канавками, наряду с упомянутыми переходами ПГОШ, требуется обжим на оправке. Известен пример выполнения окончательного формоизменения полости в холодном состоянии в два перехода на отдельном прессе.

На комплексе фирмы Hasenclever на базе гидравлического пресса силой 12,5 MH применяют два процесса ПГОШ для деталей типа корпуса наружного шарнира ((2.1)-(2.2)-(2.3)-(2.4)-(2.5)). Эти процессы отличаются от рассмотренных. На 1-м переходе заготовку калибруют по высоте и диаметру, а также выполняют галтели на торцах с целью обеспечения надежного центрирования заготовки и создание более благоприятных условий для работы матрицы 2-го перехода. На 2-м переходе штамповка производится в закрытой полости с противодавлением, что позволяет уменьшить влияние колебаний объема заготовки и стабилизировать длину стержневой поковки. На последнем переходе штамповка выполняется в закрытой полости с калибровкой верхнего торца поковки или ее фланцевой части. Это сводит к минимуму колебания размеров по высоте поковки, что соответствует жестким ограничениям при дальнейшей механической обработке на автоматической линии.

В качестве примера приведем результаты моделирования и синтеза технологического процесса ПГОШ поковки корпуса наружного шарнира. В качестве альтернативных анализировались 5 вариантов технологии — два известных процесса фирм Schuler и Hasenclever, а также три новых варианта, предложенных НПО "Темп", МГТУ "Станкин" (при участии автора), ЗАО "Тяжмехпресс" и НПО "ЭНИКмаш". Принятие решений по выбору рационального варианта осуществлялось на основе многокритериальной оптимизации. Из рассмотрения исключены комплексные критерии оценки технического уровня и затрат на изготовление поковки, значения которых практически не изменяются для всех вариантов.

В качестве частных критериев у1 использованы следующие: у1 — эффективность использования металла; у2 — допустимость колебаний объема заготовки; у3 — стабильность размеров по высоте поковки; у4 — устойчивость процесса формоизменения; у5 — рациональность распределения сил по рабочим позициям; у6 — технологичность штамповой оснастки; у7 — устойчивость поковки при транспортировке.
В табл. 3.23 приведены значения частных критериев у1 и комплексного критерия F, полученного по методу линейной свертки с учетом весовых коэффициентов k, для частных критериев. Рациональным признан процесс № 4, для которого выполнен детальный анализ силового режима. Рис 3.51 иллюстрирует полуфабрикаты после каждого перехода штамповки поковки корпуса наружного шарнира.

Генерирование и синтез возможных вариантов технологических процессов ПГОШ на основе разработанной методики, а также принятие технологических решений на базе многокритериальной оптимизации осуществлялось и для других деталей группы. Схемы рациональных технологических процессов для 5 деталей номенклатуры ПО "Москвич" (см. табл. 3.22) приведены на рис. 3.52-3.56.

Поковки для них были спроектированы согласно требованиям и производственного опыта, накопленного кузнечно-литейным цехом ПО "Москвич".

Табл. 3.24 объединяет значения относительных степеней деформации по переходам при изготовлении анализируемой группы стержневых деталей. Отметим, что степени деформации рассчитаны для элементов поковок, которые оформляются на каждой рабочей позиции.
Для расчета удельных сил типовых технологических операций (осадка, высадка, закрытая осадка, прямое и обратное выдавливание) использованы аналитические зависимости, приведенные в табл. 3.13; рассчитанные значения силовых параметров по рабочим позициям сведены в табл. 3.25.

Таким образом, в результате моделирования технологий и процесса принятия решений на основе системного анализа получены рациональные технологические процессы ХОШ и ПГОШ деталей, вошедших в выборки.

Спроектированные на основе изложенных методик оптимальные индивидуальные и групповые технологические процессы ХОШ и ПГОШ внедрены на ряде машиностроительных заводов: Людиновском ПО "Агрегатный завод"; Кузнецком машиностроительном заводе; Самаркандском опытном заводе по разработке и производству твердосплавного бурового инструмента; Ступинском металлургическом комбинате, ЗАО "Тяжмехпрессе".
При изготовлении деталей гидроаппаратуры, вошедших в группы 2, 3, 4, 5, 6 в качестве унифицированных заготовок, используются горячекатаные прутки диаметрами 18 мм из стали 18Х2Н4МА, 22 мм из стали 40X13, 53 мм из стали 35, разрезаемые на штучные заготовки.

Поковки групп 4 и 5 штампуются в один переход с предварительным нагревом заготовки (рис. 3.57). Поковки групп 2, 3 и 6 - с использованием двухпереходных процессов, первый из которых реализуется в холодном состоянии, окончательный переход - с предварительным нагревом до температуры ПГОШ. Перед штамповкой заготовки из стали 40X13 предварительно отжигают, очищают от окалины и оксалатируют.

Заготовки и поковки после соответствующих переходов представлены на рис. 3.58.
Поковки группы 9 штампуются соответственно в один и два перехода. В однопереходном процессе используется схема прямого выдавливания для получения конической полости. В другом случае для облегчения формообразования использована предварительная калибровка заготовки с получением наметки полости. Окончательное формообразование проводится по схеме обратного выдавливания. Заготовки и поковки для деталей этой группы представлены на рис. 3.59.

Штамповка поковки корпуса наружного шарнира на ПО "Москвич" осуществляется в 5 переходов (см. рис. 3.51). Несмотря на большие перераспределения металла при его интенсивном течении нарушений в структуре металла в виде расслоений не происходит. Это подтверждается рядом экспериментов по выявлению дефектов макроструктуры. На рис. 3.60 показан один из вариантов макроструктуры поковки.





Яндекс.Метрика