Инновации бизнесу. «Основные принципы проектирования процессов горячей объемной штамповки и разработанные на их основе технологии, внедренные в производство»

ПОДРОБНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Заявку на получение дополнительной информации по этому проекту можно заполнить здесь.

Наименование инновационного проекта

«Основные принципы проектирования процессов горячей объемной штамповки и разработанные на их основе технологии, внедренные в производство»

Рекомендуемая область пременения

Машиностроение

Назначение, цели и задачи проекта

Разработка основных принципов проектирования ГОШ для создания на их основе конкурентоспособных технологий, реализуемых на универсальном оборудовании машиностроительных предприятий.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Традиционные технологии изготовления поковок с использованием горячей объемной штамповки (ГОШ), применяемые в большинстве кузнечных цехов машиностроительных предприятий, основаны на принципах проектирования, которые, в большинстве своем, были разработаны в середине прошлого века . Они практически исчерпали резервы повышения качества производимых поковок и снижения норм расхода металла. Коэффициенты использования металла (Ки) и коэффициенты точности поковки (Кп), стандартизованные показатели эффективности использования металла и, в большой степени, показатели уровня технологий остаются традиционно низкими. Так, Ки часто находится на уровне 0,42-0,50, а Кп в среднем не превышает 0,60.

При отсутствии значительных денежных средств на закупку нового и модернизацию действующего оборудования большое значение приобретают ресурсосберегающие технологии, реализация которых возможна на имеющемся на заводах универсальном оборудовании. В этом случае затраты на внедрение новых процессов связаны только с разработкой технологий, проектированием и изготовлением оснастки. Именно этому направлению посвящена представленная работа.

В себестоимости поковок стоимость металла является главной составляющей. Его экономия достигается в первую очередь за счет совершенствования способов горячей объемной штамповки, которые в ближайшее время останутся основными технологиями производства заготовок с высокими эксплуатационными свойствами.

Другими важными направлениями совершенствования технологий являются снижение усилий деформации и перевод штамповки на менее мощное оборудование, а так же снижение затрат на нагрев, штамповую оснастку, термическую обработку и брак.

На технологию штамповки оказывают влияние: геометрические размеры и конфигурация детали (в основном определяющая поковку), марка штампуемого материала и температура его нагрева, граничные условия на контактной поверхности инструмента и заготовки (напряжение трения и теплообмен), форма и размеры предварительных ручьев, конструктивные особенности штампов и штамповых блоков. При таком количестве взаимосвязанных факторов формализация проектирования техпроцессов ГОШ связана со значительными трудностями. Разработка предварительных переходов все ещё «скорее искусство, чем наука». Удачные технические решения остаются уделом талантливых технологов одиночек.

Поэтому разработка принципов проектирования ГОШ, на основе которых любой инженер мог бы создавать новые эффективные технологии, в настоящее время весьма актуальна.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Каждый базовый принцип предполагает осуществление определенных проектных решений, реализация которых направлена на построение высокоэффективного технологического процесса.

1. Принцип сквозного анализа технологий изготовления деталей.

Принцип предполагает ещё на стадии проектирования детали проведение анализа всей технологии её получения: от исходного материала (металлургический передел) до изготовления готовой детали (передел механической обработки) и её эксплуатации. Принцип может использоваться как конструкторам машин, так и технологами.

Например, при проектировании деталей с внешней необрабатываемой поверхностью, как правило, закладывают штамповочные уклоны до 5°, с внутренней - до 7°. Совершенствование технологий получения таких и подобных поковок требует отдельного согласования с конструкторами деталей и, как правило, проведение прочностных испытаний, что значительно удлиняет внедрение ресурсосберегающих техпроцессов.

Указанные уклоны допускаются ГОСТом на стальные штампованные поковки. Однако ГОСТ регламентирует только максимально возможную величину уклона. Упоминаемые способы ГОШ позволяют получать поковки с минимальными, технологически неизбежными напусками, минимальными штамповочными уклонами (0°...1° на наружных поверхностях и 1°...2° - на внутренних) и минимально необходимыми припусками. Вследствие этого значительно снижаются затраты на механическую обработку. Коэффициент использования металла в среднем повысился до 0,65. В отдельных случаях при благоприятной конфигурации и наличии необрабатываемых поверхностей Ки достиг 0,797, при этом Кп составил 0,974.

Другим примером успешного использования принципа может служить работа, выполненная под руководством автора на ОАО НЛМК. В результате внедрения рекомендаций повысилось качество поковок и значительно снизились затраты на нагрев материала.

2.Принцип регламентирования боковой поверхности заготовки.

После нагрева заготовки её подвергают деформации путем приложения нагрузки к торцовой или боковой поверхности. На первом переходе важно удалить окалину и рациональным образом сформировать полуфабрикат осадкой (вдоль или перпендикулярно оси заготовки) или вальцовкой.

Свободная осадка на плоских бойках приводит к несимметричной бочке. Для повышения симметрии используют осадку в кольцах с различной конфигурацией рабочей боковой поверхности. Однако колебание технологических параметров процесса осадки и объема исходных заготовок не позволяют сформировать стабильную базу по прилегающей к нижнему торцу боковой поверхности осаженной заготовки.

Лучшие результаты получены при использовании колец с чередующимися наклонными и вертикальными участками рабочей поверхности кольца. При этом размеры, примыкающего к нижнему торцу кольца вертикального участка рабочей полости, должны быть равны соответствующим размерам формообразующего элемента нижнего штампа следующего перехода. По этим кольцевым поверхностям производят базирование осаженной заготовки в штампе.

В ряде случаев, когда конфигурация нижнего штампа второго перехода позволяет базировать шар, осуществляют осадку в шар. Это эффективный способ осадки заготовок, обеспечивающий высокую симметрию осаженной заготовки без применения подвижных колец, что упрощает конструкцию штампов. Такое техническое решение успешно использовано в работах .

При вальцовке, кроме рационального перераспределения металла по сечениям, необходимо предотвратить образование утяжины на торце.

С помощью мероприятий по регламентированию боковой поверхности заготовки достигается экономия металла до 5%.

3. Принцип отложенной корректировки.

Сущность принципа заключается в целенаправленном исправлении нежелательных предыдущих операционных погрешностей (отклонений), причем эти погрешности могли быть исправлены раньше, но для этого требовались большие затраты.

Для успешной реализация принципа следует установить нежелательные погрешности, которые можно исправить на последующих операциях с меньшими затратами.

Например, при резке заготовок с помощью большинства способов трудно добиться стабильного объёма исходной заготовки, что затрудняет использование закрытых штампов. Проведение мероприятий по повышению точности получения исходных заготовок связано с дополнительными затратами и снижением производительности. Целесообразнее провести открытую штамповку осаженной заготовки обычной точности с вытеснением избытка металла в облой и, тем самым, в процессе штамповки произвести дозирование объема, а затем обрезать облой и отштамповать полуфабрикат в закрытом штампе.

В качестве другого примера применения принципа отложенной корректировки можно привести разработку и внедрение качествоповышающей технологии термической обработки поковок. Наличие поверхностных дефектов металлургического происхождения нередко приводит к браку по трещинам при термической обработке поковок. Использование в качестве исходного материала обточенных прутков значительно повышает затраты на металл и его нагрев перед резкой из-за высокой отражательной способности поверхности обточенного металла. Отложенная корректировка в виде нагрева поковок, полученных из обычных прутков, в окислительной атмосфере переводит дефектный слой металла в окалину и решает задачу снижения брака при термообработке.

4. Принцип поэлементной штамповки.

Принцип заключается в формировании заданной поковки за несколько следующих друг за другом, переходов (операций), при этом на каждом этапе окончательно формируется один из элементов поковки. Сформированный элемент поковки на следующем переходе перемещается как «жесткое» тело.

Это принципиально отличается от классического подхода проектирования технологических переходов ГОШ, согласно которому осуществляют последовательное приближение конфигурации заготовки к форме окончательно отштампованной поковки. При этом практически весь объём заготовки на каждом переходе подвергается пластической деформации или даже при отсутствии относительных перемещений в отдельных объемах заготовки схема напряженного состояния этих объемов соответствуют пластическому состоянию.

С помощью основного энергетического уравнением теории пластичности можно показать, что мощность N_G нормальных сил ?, приложенных к контактной поверхности S_k деформируемого тела, равна мощности внутренних сил N_b и мощности сил трения N_t.

Здесь первый интеграл по объему деформируемого тела V равен произведению интенсивности скоростей деформации сдвига Н на интенсивность касательных напряжений Т.

Второй интеграл по поверхности скольжения Ss деформируемого металла относительно инструмента равен произведению касательных напряжений ?_i на скорости скольжения V_iметалла относительно инструмента. Это мощность сил трения, которые для большинства процессов ГОШ являются вредными. Переходя от уравнения мгновенных мощностей к работам, получим, что работа нормальных поверхностных сил а равна алгебраической сумме работ внутренних Ав сил и сил трения Ат.

Любую заготовку, полуфабрикат или поковку можно представить как сумму элементарных объемов ?V_i (элементов). Таким образом, исключая из пластического деформирования определенный объем заготовки, можно снизить необходимую работу, мощность и усилие пластической деформации. Реализация принципа для различных способов получения поковок позволяет за счет последовательного поэлементного формирования получить значительную экономию металла. Кроме этого, в ряде случаев достигается значительное снижение максимального усилия штамповки, что позволяет перевести штамповку на пресса с меньшим номинальным усилием.

5. Принцип максимально возможного расположения поковки в одной части штампа.

При разработке технологии штамповки, в частности при выборе поверхности разъема штампов, следует стремиться к максимально возможному расположению поковки в одной половине. Это позволяет уменьшить, а в ряде случаев, полностью исключить влияние смещения частей штампа и упростить штамповую оснастку.

6. Принцип максимально возможной свободной от контакта с инстру-
ментом поверхности пластически деформируемого материала.

Принцип предполагает построение технологических переходов таким образом, чтобы на максимально возможном количестве переходов часть поверхности деформируемого материала оставалась свободной. Это позволяет значительно снизить усилия деформации и предотвратить перегрузку оборудования.

7.Принцип бесподпорной штамповки.

Сущность принципа заключается в получении окончательно отштампованной поковки в открытом штампе, с вытеснением избытка металла за пределы гравюры штампа без подпора со стороны облоя. В этом случае об-лойная канавка в классическом виде (с облойным мостиком шириной b и толщиной мостика h) отсутствует. Заполнение полости штампа осуществляется в основном за счет осадки рациональной конфигурации полуфабриката.

В работе показано, что при деформации поковки с облоем потребное усилие в 1,67-2.77 раза больше усилия деформации собственно поковки. Поэтому в ряде случаев возможно перевести штамповку на КГШП с меньшим номинальным усилием. При использовании одновременно принципов 5 и 6 такой переход, как правило, возможен и ограничивается только размерами штампового пространства пресса.

8. Принцип исключения встречного течения металла.

Отсутствие встречного движения металла в процессе деформации исключает образование зажимов. В этом случае макроструктура не имеет завихрений.

Рассмотрим принцип на примере штамповки кольцевой поковки. Традиционная технология заключается в осадке и окончательной штамповке. Реже применяют предварительную штамповку. При этом облой и перемычку располагают в средней по высоте части поковки. О.А. Ганаго одним из первых исследовал процесс образования зажимов при штамповке таких поковок. В результате были определены пути исключения зажимов, за счет подбора величины диаметра заготовки после осадки и выбора радиусов закруглений. При этом диаметр однозначно не определен, а выбирается по графикам из предложенного диапазона, кроме того необходимо решать вопрос базирования заготовки в штампе следующего перехода.

Избежать встречного течения металла можно применив новую схему штамповки построенную на основе выше упомянутых принципов. Осадка в шар до диаметра, обеспечивающего центрирование с натягом в матрице следующего перехода, обратное выдавливание со свободными поверхностями, окончательная штамповка с вытеснением избытка металла в облой в области верхнего торца поковки и перемычку без подпора.

9. Принцип максимально возможного устранения противонаправленного течения металла и приложения нагрузки.

Заключается в проектировании технологических переходов и штампов таким образом, чтобы направление течения металла и действующих на поверхности заготовки нормальных напряжений максимально совпадало. Штамповка с уклонами в большинстве случаев противоречит указанному принципу, так как при заполнении полостей штампа со стороны инструмента возникают нормальные силы вертикальная составляющая которых направлена против движения металла. При нулевом уклоне они равны нулю и действуют только силы трения.

10. Принцип взаимосвязи (соответствия) технологических решений и конструкции инструмента.

При проведении анализа возможных вариантов изготовления поковок особое внимание необходимо уделить вопросам соответствия проектируемых технологических переходов и конструкции соответствующей штамповой оснастки, включая штамповые блоки. Задаваемую точность получения поковок соизмерять с суммой зазоров в подвижных сочленениях кузнечной машины. В случае несоответствия предусматривать компенсирующие зазор механизмы.

11. Принцип управления температурным интервалом штамповки.
Температура оказывает большое влияние на механические свойства и способность металла затекать в зазор между пуансоном и матрицей. Это особенно важно при закрытой штамповке. По мере износа инструмента зазор увеличивается и начинает образовываться торцевой заусенец. Для его устранения следует уменьшить температуру нагрева исходных заготовок. При индукционном нагреве на первом этапе достаточно изменить установку заготовки таким образом, что бы в области зазора находилась часть заготовки выходящая из индуктора и поэтому имеющая в результате подстывания меньшую температуру.

12. Принцип проведение математического моделирования процесса
пластической деформации в обратном и прямом направления.

При проектировании технологий все большее значение приобретает компьютерное моделирование многопереходных процессов, позволяющее исследовать не только формоизменение, но и определять напряженно-деформированное состояние по всему объему заготовки. Это значительно снижает сроки внедрения, сводя до минимума дорогостоящую корректировку штамповой оснастки. Разработанная автором математическая модель, реализованная в виде блока программ позволяет проводить исследования в прямом и обратном направлениях.

В качестве примера использования принципов в реальных процессах, рассмотрим технологию изготовления поршня большегрузного автомобиля.

На рис. 1 представлены технологические переходы процесса штамповки. На рис. 2 - схема штампа для реализации данной технологии.

Рис. 1. Технологические переходы

Рис. 2. Схема штампа

Исходную заготовку 1 диаметром 70 мм и высотой 155 мм нагревают в индукционном нагревателе до ковочной температуры и подают в штамп го-рячештамповочного пресса на первую позицию. В результате осадки получают «бочку» 2 диаметром 125 мм.

Из-за ограниченности штампового пространства в данной технологии не использован принцип регламентирования боковой поверхности заготовки при осадке. Переводить штамповку на КГШП большего типоразмера, чтобы разместить кольцо, оказалось не- целесообразным.

Осаженную заготовку 2 перекладывают в открытый штамп и формируют полуфабрикат 3 с облоем 4 и отростками с размерами, равными размерам концевой части (труднозаполнимой) отростков закрытого ручья. Таким образом, окончательно формируют труднозаполнимый элемент поковки. Объем полуфабриката открытого ручья делают равным объему полуфабриката закрытого ручья, при этом избыток металла вытесняют в облой.

На второй операции реализованы принципы отложенной корректировки, в данном случае объема заготовки, принцип поэлементной штамповки (окончательно сформированы концы отростков) и принцип максимально возможного расположения поковки в одной части штампа.

Полуфабрикат второго перехода с облоем перекладывают в следующий штамп и за один ход пресса обрезают облой 4 и деформируют в закрытом штампе, получая полуфабрикат 5 с отростками окончательных размеров.

На практике по мере износа закрытого штампа и влияния различных технологических параметров возможно образование незначительного торцевого заусенца. Использование принципа отложенной корректировки позволяет спроектировать окончательный штамповочный переход таким образом, чтобы при формировании поковки 6 заусенец вытеснялся в облой 7, а не заштамповывался в тело поковки.

Штамп для реализации способа состоит из плоских вставок 8 и 9 первого перехода, матрицы 10, пуансона 11 и выталкивателя 12 второго перехода, матрицы 13, пуансона 14, съемника 15 и выталкивателя 16 третьего перехода, матрицы 17, пуансона 18, съемника 19 и выталкивателя 20 четвертого перехода.

Обрезку облоя выполняют обычным способом на обрезном прессе.

Разработанные способы штамповки могут использоваться практически на любом машиностроительном предприятии, имеющем собственное заготовительное производство. Их успешная реализация обеспечивается применением соответствующей штамповой оснастки. Получаемые поковки имеют повышенную геометрическую и размерную точность, обладают благоприятной макроструктурой и соответствуют требованиям Германского стандарта DIN.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

В результате внедрения рекомендаций повысилось качество поковок и значительно снизились затраты на нагрев материала.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Упоминаемые способы ГОШ позволяют получать поковки с минимальными, технологически неизбежными напусками, минимальными штамповочными уклонами (0°...1° на наружных поверхностях и 1°...2° - на внутренних) и минимально необходимыми припусками. Вследствие этого значительно снижаются затраты на механическую обработку. Коэффициент использования металла в среднем повысился до 0,65. В отдельных случаях при благоприятной конфигурации и наличии необрабатываемых поверхностей Ки достиг 0,797, при этом Кп составил 0,974.

Новые потребительские свойства продукции

снижение трудозатрат; рост производительности;
высокая эффективность, технологические процессы.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

Данная технология внедрена на заводе ОАО НЛМК.

Предлагаемые инвестиции

20 млн. руб.

Рынки сбыта

Россия, страны СНГ.

Возможность и эффективность импортозамещения

Возможна. Затраты на внедрение новых процессов связаны только с разработкой технологий, про¬ектированием и изготовлением оснастки, что во много раз снижает себестоимость и трудозатраты процесса. В себестоимости поковок стоимость металла является главной состав¬ляющей. Его экономия достигается в первую очередь за счет совершенство¬вания способов горячей объемной штамповки, которые в ближайшее время останутся основными технологиями производства заготовок с высокими экс¬плуатационными свойствами. Другими важными направлениями совершенствования технологий яв¬ляются снижение усилий деформации и перевод штамповки на менее мощное оборудование, а так же снижение затрат на нагрев, штамповую оснастку, термическую обработку и брак.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

Дата поступления материала

01.12.2006

ЗАПОЛНИТЬ ЗАЯВКУ НА ПОЛУЧЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

ПОДРОБНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Инновации и люди