Анализ и обеспечение высокой точности холодной объемной штамповки на прессах научно обоснованным выбором жесткости элементов технологической системы

Основные направления совершенствования технологических процессов и повышения экономической эффективности машиностроения обусловлены анализом технико-экономических показателей производства. Известно, что затраты на основные материалы в структуре технологической себестоимости изготавливаемых деталей составляют 60.65% для черных металлов и 80.85% для цветных металлов и сплавов. Такие показатели диктуют необходимость резкого снижения металлоемкости выпускаемой продукции, которое может быть достигнуто двумя путями. Первый путь — уменьшение отходов за счет приближения формы, размеров и качества поверхности заготовок к аналогичным параметрам готовых деталей. Второй — повышение комплекса механических свойств материала заготовок, что позволяет уменьшить размеры и массу деталей. Такой путь может быть реализован без изменения химического состава материала в результате технологического воздействия на его структуру, в частности, вследствие холодной пластической деформации.

Повышение точности заготовок приводит к сокращению объема лезвийной обработки, которая относится к наиболее ресурсоемким способам обеспечения высокой точности деталей. Степень приближения массы заготовки к массе готовой детали, а также величину отходов в стружку оценивают величиной коэффициента весовой точности (КВТ). Анализ производства показывает, что наиболее низким КВТ (30.50%) характеризуется изготовление деталей средних и особенно малых размерно-весовых групп. В частности, когда масса деталей становится менее 1.2 килограмм, количество отходов в стружку и объем механической обработки резко возрастают [75, 96].

Отмеченное приводит к необходимости освоения во все более широких масштабах так называемых малоотходных технологий получения заготовок. К ним относят такие технологии, которые обеспечивают достижение коэффициента использования материала (КИМ) более 85% [5]. Тенденцию перехода к малоотходным технологиям подтверждает тот факт, что в ряде промышленно развитых стран в отдельных отраслях за последние два десятилетия удельный вес обработки со снятием стружки в суммарной трудоемкости изготовления деталей снизился с 55% до 30.35% [101, 104].

В кузнечно-штамповочном производстве малоотходность и ресурсосбережение в наибольшей степени реализуется за счет применения технологических процессов холодной объемной штамповки (ХОШ). Поковки, полученные холодной пластической деформацией по точности размеров и качеству поверхности в ряде случаев соответствуют готовым деталям. Точность их диаметральных размеров соответствует 8.9 квалитетам точности, а высотных 12. 14. Микрогеометрия поверхности поковок характеризуется наряду с малой высотой неровностей профиля (11а=0,6.2,5 мкм) также значительно большей по сравнению с процессами резания относительной опорной длиной профиля. Все это позволяет свести до минимума, а в некоторых случаях и полностью исключить необходимость последующей обработки резанием. В результате трудоемкость изготовления деталей снижается в 3.5 раз, а коэффициент использования материала достигает 90. 95% [75, 109, 110].

Повышение твердости, пределов текучести и прочности материала в 1,5.2,5 раза вследствие его деформационного упрочнения дает возможность не только исключить упрочняющую термическую обработку, но и, как уже указывалось, снизить металлоемкость (размеры и массу) упрочненной детали. К несомненным преимуществам ХОШ следует отнести отсутствие надрезов волокна в благоприятно направленной вдоль конфигурации поковки волокнистой структуре, повышающей эксплуатационные показатели детали.

Основным ограничением ХОШ является величина удельных деформирующих сил (2000.2500 МПа), допускаемых прочностью и экономически целесообразной стойкостью рабочих деталей штампов. Вследствие этого ограничена номенклатура материалов штампуемых поковок и в первую очередь такими сплавами, прочность которых превышает 600.650 МПа. Следует отметить, что на протяжении последних 20.30 лет проведены обширные исследования, в том числе и в МГТУ им. Н. Э. Баумана, по разработке способов деформирования, позволяющим уменьшить удельные силы, в частности, при выдавливании и тем самым расширить область применения этой эффективной технологии. К таким способам относятся выдавливание с наложением вибраций в деформирующем инструменте, выдавливание в условиях жидкостного трения и выдавливание с активным действием сил контактного трения [12, 28, 68].

Наряду с этим, область применения ХОШ может быть значительно расширена за счет обработки (применения) цветных металлов и сплавов, обладающих высокой пластичностью и относительно низким сопротивлением деформированию. Их высокая стоимость обеспечивает получение значительного экономического эффекта даже в условиях мелкосерийного производства с объемом партий свыше 1000 штук поковок [53].

Несмотря на высокие технико-экономические показатели ХОШ доля точных поковок в нашей стране остается недостаточной и при сопоставимых объемах производства она значительно ниже, чем в промышленно развитых странах. По экспертным оценкам производство поковок только из цветных металлов и сплавов может быть увеличено в 3,5.5 раз, при этом на долю предприятий с мелкосерийным и серийным производством должно приходиться до 40.45% указанных объемов [53, 76].

Происходящие в нашей стране рыночные преобразования экономики производства привели к созданию в том числе в машиностроении так называемых малых предприятий. Они чаще всего специализированы по технологическому признаку, а их конкурентоспособность определяется, эффективностью применения технологий.

Такие предприятия, как показывает анализ их деятельности, более высокими темпами по сравнению с крупными предприятиями успешно осваивают технологические процессы ХОШ, применяя с этой целью универсальные кривошипные и гидравлические прессы. Таким образом, рыночные отношения, складывающиеся в нашей стране, приводят к возникновению действенных экономических рычагов технологического развития производства на основе высокоэффективных технологий, в том числе ХОШ.

Реальность положительных экспертных прогнозов по возможному увеличению объемов производства поковок с применением различных операций ХОШ, наряду с экономическими факторами основывается на следующих весьма важных обстоятельствах. Первое — усилиями научных коллективов, в том числе МГТУ им. Н. Э. Баумана, МГТУ (Станкин), научными организациями (НИИТАвтопром, НИИтракторсельмаш и др.), а также работами В. А. Головина, А. З. Журавлева, Л. И. Живова, В. А. Евстратова, А. Г. Овчинникова, Е. А. Попова и др. отечественными и зарубежными учеными создана обширная научная и теоретическая база для успешной разработки различных операций ХОШ, а также проектирования надежных конструкций штампов. Второе обстоятельство связано с тем, что за последние три десятилетия в отечественном машиностроении накоплен значительный опыт успешного освоения ХОШ, создания специализированных цехов, участков и производств (ВАЗ, КАМАЗ, ЗИЛ, ГАЗ и др.). Указанный опыт обобщен, систематизирован и отражен в специальной справочной литературе и различного рода руководящих и нормативных материалах [41, 42, 92].

Вместе с тем, дальнейшее развитие и освоение ХОШ неразрывно связано с необходимостью теоретического и экспериментального исследования ряда проблем, к которым можно отнести анализ, прогнозирование и управление точностью поковок при выполнении различных технологических операций ХОШ.

Указанная проблема тесно соприкасается с экономическими показателями, достигаемыми в производстве.

Так практика большого количества предприятий показывает, что необходимость введения отделочных операций механической обработки существенно снижает экономическую эффективность от внедрения ХОШ [42, 96].

Кроме того, имеющиеся научно-производственные данные, относящиеся к данной проблеме, до настоящего времени не позволяют обоснованно назначить точность высотных размеров поковок из-за противоречий и расхождений в рекомендациях, отсутствия конкретных данных об условиях, при которых возможно достижение требуемой точности поковок [41, 92].

Известно, что точность размеров отдельных конструктивных элементов поковок, штампуемых на кривошипных прессах зависит от их расположения по отношению к поверхности разъема штампа. Условно диаметральные размеры поковок, расположенные в плоскостях, перпендикулярных к направлению перемещения ползуна и оформляемые практически абсолютно жесткими деталями штампа (бандажированные матрицы, контейнеры и т. п.), чаще всего соответствуют 8.9 квалитетам точности. Такая точность присуща деталям, обрабатываемым со снятием стружки и поэтому поковки не требуют дальнейшей доработки. Вместе с тем, точность размеров поковок, перпендикулярных плоскости разъема штампа, оформляемых подвижной и неподвижными частями штампа — на 3.5 квалитета грубее. Это объясняется тем, что направление действия деформирующей силы связано с большой длиной деталей кривошипного пресса, а значит с их большой упругой деформацией. Указанные высотные размеры поковок зачастую требуют дальнейшей обработки для повышения их точности, что как известно, снижает экономическую эффективность процессов ХОШ. Таким образом, обеспечение требуемой точности высотных размеров поковок (9. 10 квалитеты) в процессе их штамповки является актуальной задачей, неразрывно связанной с экономическим аспектом производства. Надежное прогнозирование достижимой точности поковок предполагает выявление комплекса факторов, позволяющих управлять указанной точностью.

Известно, что отклонения от номинальных значений высотных размеров поковок вызвано наличием случайных и систематических (постоянных и закономерно изменяющихся) погрешностей. К первым относятся погрешности формы и размеров исходных заготовок, разброс механических свойств их материала, а также непостоянство условий трения в полости штампа. Ко вторым — изменение размеров рабочих деталей штампа вследствие износа, изменение температуры обработки, погрешности наладки и т. д. Кроме того, погрешность высоты поковок зависит от жесткости системы пресс-штамп С (в дальнейшем, для краткости — жесткость пресса) и жесткости поковки — важнейшей характеристики силового режима ее деформирования. Последняя определяется скоростью изменения силы сопротивления поковки деформированию по перемещению деформирующей поверхности, взятой в конечный момент штамповки, когда высота поковки достигает номинальной величины.

В реальных условиях производства при прогнозировании достижимой точности поковок и выборе пресса с той или иной жесткостью, необходимо независимо от особенностей технологических операций анализировать жесткость каждой конкретной поковки, которая может быть как существенно большой, так столь же малой. Например, жесткость относительно низкой поковки при осадке соразмерна с ее жесткостью при штамповке в закрытом штампе и т. д. Таким образом, при заданной величине исходных погрешностей, сопоставляя жесткость поковки с жесткостью выбираемого для выполнения операции кривошипного пресса, можно оценить достижимую точность.

Повышение точности высотных размеров поковок до 9. 11 квалитетов, вызывает необходимость исследования влияния погрешности регулирования штамповой высоты в процессе наладки пресса на погрешность размеров поковок. Влияние погрешностей наладки, как показывает анализ, также зависит от особенностей силового режима деформирования и жесткости системы пресс-штамп [53].

Управление точностью штампуемых поковок может осуществляться не только выбором пресса с необходимой жесткостью, но наряду с этим, и уменьшением жесткости поковок. Необходимо в каждом случае, учитывать факторы, влияющие на жесткость поковок, а значит и точность их вертикальных размеров. При заданных размерах поковок, в зависимости от специфических особенностей той или иной операции, может быть определен один или несколько конструктивно-технологических элементов (факторов) управления жесткостью поковки. Так например, при осадке таким фактором является степень деформации исходной заготовки, материал которой испытывает деформационное упрочнение [85]. При обратном выдавливании поковок типа стакан, таким фактором может быть толщина его дна, а при штамповке в закрытом штампе — радиус на внешних кромках поковки, величина которого влияет как на силу сопротивления деформированию, так и на жесткость поковки, а значит возможность компенсировать некоторую часть погрешности объема заготовки естественным компенсатором.

Точность поковок при определенных условиях может быть существенно повышена также путем введения в технологическую систему элемента с высокой жесткостью. В некоторых случаях это может быть жесткий упор, а в других достаточно жесткий элемент конструкции поковки, оформленный с относительно высокой точностью на предварительном переходе.

Научной основой для исследования точности операций ХОШ является системный анализ, заключающийся в рассмотрении технологической системы (ТС) пресс-штамп-поковка как интегрального целого, объединенного единством функционирования и цели. С помощью математического моделирования ТС и применения теории параметрической чувствительности систем можно определить функции чувствительности выходной характеристики ТС — высотного размера штампуемых поковок к погрешностям входных параметров. Функции чувствительности, отражая связь между погрешностями высоты поковок и погрешностями технологического процесса позволяют не только выполнить расчет точности поковок, но и на основе анализа факторов, влияющих на указанную точность определить возможные способы ее повышения.

С учетом изложенного, на защиту выносятся следующие основные положения работы:

1. Методика анализа и расчета точности высотных размеров поковок, изготавливаемых ХОШ, основанная на математическом моделировании совместной деформации упругих и пластических звеньев технологической системы пресс-штамп-поковка с учетом особенностей технологических операций и характера действующих погрешностей.

2. Результаты анализа точности высотных размеров поковок, изготавливаемых осадкой-калибровкой, обратным выдавливанием и штамповкой в закрытых штампах с учетом действующих погрешностей.

3. Результаты анализа позволяющие выявить факторы, влияющие на точность операций осадки-калибровки, обратного выдавливания стаканов и штамповки в закрытых штампах, с помощью экспериментально-статистических моделей, построенных по результатам многофакторных экспериментов с применением регрессионного и дисперсионного анализов.

4. Методика выбора кривошипного пресса по критерию точности штампуемых поковок с обеспечением рациональных условий его эксплуатации.

5. Результаты сравнительного анализа точности поковок, штампуемых на универсальных прессах, более жестких специальных и на универсальных прессах с применением жестких упоров.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований повышения точности высоты поковок, штампуемых в закрытых штампах, введением дополнительного перехода.

7. Разработанные технологические и технические решения, позволяющие повысить точность высотных размеров поковок.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В представленной работе содержатся научно обоснованные технологические решения, состоящие в повышении эффективности технологических процессов ХОШ за счет повышения точности штампуемых поковок, способствующие развитию промышленности, что выражается в повышении производительности труда и уменьшении металлоемкости выпускаемой продукции.

2. На основе системного анализа с применением математического моделирования и теории чувствительности систем разработана методика расчета и анализа точности высотных размеров поковок. Критериями точности являются коэффициенты преобразования исходных погрешностей в погрешность высоты поковок. Они позволяют не только количественно оценить величину ожидаемой погрешности, но и установить степень влияния жесткости системы пресс-штамп и жесткости штампуемых поковок на указанную погрешность с учетом особенностей технологической операции и характера действующих погрешностей.

3. На основе анализа с применением коэффициентов преобразования определено, что повышение жесткости системы пресс-штамп применением прессов с большей жесткостью уменьшает влияние случайных погрешностей и увеличивает влияние систематической постоянной погрешности наладки. Степень такого влияния зависит от жесткости штампуемых поковок, с увеличением которой возрастает влияние на погрешность высоты поковок случайных погрешностей и уменьшается влияние погрешности наладки.

4. В результате выполненного анализа и экспериментальных исследований установлено, что при осадке-калибровке и обратном выдавливании стаканов доминируют погрешности, вызванные рассеянием механических характеристик поковок и погрешностью наладки. При выполнении этих операций на менее жестких универсальных прессах повышение точности может быть обеспечено, в первую очередь, уменьшением погрешности наладки. При штамповке на более жестких специальных прессах — применением партионной наладки для уменьшения величины исходных случайных погрешностей.

5. В результате выполненного анализа и экспериментальных исследований установлено, что при штамповке в закрытых штампах доминирующая погрешность обусловлена погрешностью объема исходных заготовок, а влияние рассеяния их механических характеристик пренебрежимо мало. Точность высоты поковок зависит от их жесткости. Так, если жесткость поковок более чем в два раза превышает жесткость системы пресс-штамп, тогда точность их высоты не зависит от жесткости упругих звеньев и может быть повышена уменьшением величины случайной погрешности, например, применением партионной наладки.

6. На основе выполненных многофакторных экспериментов с применением регрессионного и дисперсионного анализов выявлено влияние погрешностей исходных заготовок и технологического процесса, а также жесткости системы пресс-штамп на точность поковок. Установлено, что наряду с применением более жесткого пресса и уменьшением величины исходных погрешностей, точность может быть повышена уменьшением жесткости штампуемых поковок. Определено, что при осадке-калибровке относительно низких поковок это достигается увеличением степени осадки исходных заготовок, при обратном выдавливании стаканов — увеличением толщины их дна, а при штамповке в закрытых штампах — увеличением радиусов на кромках поковки.

7. На основе анализа с использованием коэффициентов преобразования установлено, что соотношение погрешностей высотных размеров поковок, штампуемых на универсальных и более жестких специальных прессах, достигает 3,0. .3,5, так как точность наладки специальных прессов в 5 раз выше, чем универсальных. Если для указанных типов прессов обеспечивается одинаково высокая точность наладки, характерная для специальных прессов, тогда соотношение погрешностей высотных размеров при осадке-калибровке и обратном выдавливании стаканов составляет 1,3. 1,5, при штамповке в закрытых штампах- 1,1.1,25.

8. На основе анализа с использованием коэффициентов преобразования определено, что установка упоров при штамповке на универсальных прессах позволяет уменьшить влияние на погрешность высоты поковок как случайных погрешностей, так и систематической погрешности наладки. Установлено, что применение упоров на универсальных прессах позволяет уменьшить погрешность высотных размеров поковок при осадке-калибровке в 3 раза, и при выдавливании стаканов и штамповке в закрытых штампах в 1,5.2,0 раза по сравнению со штамповкой без упоров.

9. На основе анализа с использованием коэффициентов преобразования установлено, что эффективное использование номинальной силы кривошипного пресса, исключающее его возможную перегрузку по этому параметру, определяется величиной диапазона колебания деформирующей силы под влиянием случайных и систематической погрешностей наладки. Увеличение последней при применении пресса с большей жесткостью приводит к увеличению диапазона колебания силы деформирования и, вследствие этого, к уменьшению коэффициента использования номинальной силы пресса. Установлено, что увеличение жесткости применяемого пресса должно сопровождаться уменьшением погрешности наладки для повышения эффективности использования его номинальной силы.

10. Разработаны функциональные зависимости для расчета технологических параметров процесса штамповки поковок в закрытом штампе введением предварительного перехода, на котором повышение точности высоты поковок в 1,25. 1,7 раза (по сравнению с однопереходной штамповкой) обеспечивается уменьшением жесткости поковок за счет увеличения радиусов на их внешних кромках. На втором переходе точность высоты, достигнутая на предварительном, не изменяется, так как поковка выполняет функцию естественного упора при заполнении углов закрытого штампа.

11. Представленные в работе технологические процессы, технологические решения и организационно-технические мероприятия применяются на машиностроительных предприятиях. При этом обеспечивается повышение точности высотных размеров поковок, изготавливаемых ХОШ на 3.6 квалитетов точности. Основные результаты работы используются в курсе лекций «Малоотходные технологии изготовления заготовок», читаемом в КФ МГТУ им. Н. Э. Баумана.