Повышение эффективности технологического процесса обработки детали "крестовина карданного вала"

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 11 Апреля 2013 в 16:22, автореферат

Описание работы

Принцип действия карданного вала основан на принципе работе карданной
передачи, которая была впервые представлена в 16 веке и является изобретением
итальянского математика Джироламо Кардано.
Карданная передача - шарнирный механизм, обеспечивающий передачу
крутящего момента и вращение двух валов под переменным углом благодаря
подвижному соединению звеньев (жесткий кардан) или упругим свойствам
специальных элементов (упругий кардан).Оптимальные рабочие углы данных
передач, при которых обеспечивается наиболее высокий коэффициент полезного
действия, находятся в пределах 00 - 200. Если угол больше 200, значительно
возрастает нагрузка на шарниры. Карданный шарнир с крестовиной при больших
углах не способен обеспечить равномерное вращение ведомого вала. Шарниры
испытывают колоссальную знакопеременную нагрузку и в тоже время
обеспечивают плавность работы всего узла.

Скачать архив (1.93 Мб) Сколько стоит заказать работу?
Файлы: 1 файл

технол карта крестовины диссертация.pdf

— 2.01 Мб (Скачать файл)
Page 1
На правах рукописи
 Смирькин Алексей Андреевич
 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ
ДЕТАЛИ «КРЕСТОВИНА КАРДАННОГО ВАЛА»
 Специальность 150900 – Технология, оборудование и автоматизация
машиностроительных производств.
Специализация – Технология машиностроения
АВТОРЕФЕРАТ
Магистерской диссертации
Самара 2010
Page 2

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего
профессионального образования Самарском Государственном Техническом
университете на кафедре «Технология машиностроения».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Носов Николай Васильевич
Официальные рецензент:
директор ООО ТД «ВолгаАвтоПром»
Борисов Алексей Петрович
Ведущее предприятие:
Учебно-выставочный центр
«СамГТУ - EMAG»
Защита состоится «2» июля 2010 г. в 14.00 часов на заседании ГАК в
ГОУВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу:
443010 Самара, ул. Молодогвардейская, 133.
С
диссертацией
можно
ознакомиться
на
кафедре
«Технология
машиностроения»
ГОУВПО
«Самарский
государственный
технический
университет».
Секретарь ГАК
___________________ Карлова М.
 2
Page 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Наиболее острые вопросы касательно проектирования
и дальнейшего применения прогрессивных технологических процессов
производства
деталей
возникают
у
специалистов
занятых
в
автомобилестроительной промышленности. Данный сегмент машиностроительной
отрасли является наиболее бурно развивающимся. Специалисты отечественных
автомобильных
заводов
изучают
новые
технологические
возможности
металлообрабатывающего оборудования, возможности и сферы применения новых
инструментальных
материалов, осваивают программные продукты для
моделирования технологических процессов, ведут опытно-конструкторские
разработки новых узлов. Все эти действия направлены на улучшение отдельных
показателей,
как
эффективности
производства,
так
и
повышения
эксплуатационной и функциональной составляющей узлов и агрегатов
автомобилей.
После
тщательного
анализа
работ
по
проектированию
технологических процессов механической обработки было выявлено ряд
направлений заслуживающих всестороннего внимания. Наиболее востребованы
новые методы обработки деталей приводных механизмов и узлов ходовой системы
легковых и грузовых транспортных средств.
Одним из таких приводных узлов имеющих огромное распространение в
автомобильной промышленности является карданный вал. Главная задача
карданного вала - передать крутящий момент от одного агрегата к другому, оси
валов которых между собой могут не только не совпадать, но и работать при
постоянно изменяющихся межосевых расстояниях.
Кардан состоит из вала, скользящей вилки, двух крестовин (шарниров), двух
фланец-вилок, уплотнений и деталей крепления. С одной стороны к нему
приваривается неподвижная вилка шарнира, а с другой шлицевая втулка, на
которую посажена подвижная скользящая вилка с шарниром. Шлицевое
соединение кардана обеспечивает изменение его рабочей длины при работе
подвески. Шарниры в свою очередь состоят из вилок и их фланцев, крестовины с
игольчатыми подшипниками, а также крепежных деталей. Типовая конструкция
карданного вала приведена на рис. 1.
Рис.1. Конструкция карданного вала с разнесенными компонентами.
 3
Page 4

Принцип действия карданного вала основан на принципе работе карданной
передачи, которая была впервые представлена в 16 веке и является изобретением
итальянского математика Джироламо Кардано.
Карданная передача - шарнирный механизм, обеспечивающий передачу
крутящего момента и вращение двух валов под переменным углом благодаря
подвижному соединению звеньев (жесткий кардан) или упругим свойствам
специальных элементов (упругий кардан).Оптимальные рабочие углы данных
передач, при которых обеспечивается наиболее высокий коэффициент полезного
действия, находятся в пределах 00 - 200. Если угол больше 200, значительно
возрастает нагрузка на шарниры. Карданный шарнир с крестовиной при больших
углах не способен обеспечить равномерное вращение ведомого вала. Шарниры
испытывают колоссальную знакопеременную нагрузку и в тоже время
обеспечивают плавность работы всего узла. Следовательно, производство
компонентов входящих в узел шарнира, а именно, крестовины карданного вала
требует самой совершенной технологии их изготовления.
Цель работы.
Повышение эффективности технологического процесса изготовления детали
«Крестовина карданного вала».
Решаемые задачи.
Проектирование прогрессивного технологического процесса обработки детали
«Крестовина карданного вала». Создание нового метода обработки деталей с
перекрещивающимися осями. Детальная проработка операции механической
обработки до ХТО детали «Крестовина карданного вала». Разработка
оригинальной конструкции технологической оснастки: зажимное приспособление
и инструментальная державка. Оценка экономической эффективности. Оценка
качества поверхностей и геометрических параметров. Моделирование горячей
объемной штамповки.
Методы исследования.
В основу исследований положены методики технологической подготовки
производств на базе CAD/CAM/CAE. В работе применены экспериментальные
методы исследования качества (параметров шероховатости) поверхностей и
точности образования поверхностей детали с перекрещивающимися осями.
Научная новизна.
Научная ценность заключается: в новом методе обработки деталей с
перекрещивающимися осями: в полностью разработанной конструкции
многоместного зажимного приспособления; в сформулированных научно-
обоснованных рекомендациях.
Практическая ценность работы.
Заключается в возможности практического использования: технологии
обработки деталей типа крестовина в производстве; метода закрепления деталей с
перекрещивающимися осями; полезных моделей технологической оснастки при
проектировании аналогичных техпроцессов; сформулированных и обоснованных
рекомендаций.
 4
Page 5

Практическая реализация.
Операция механической обработки до ХТО детали «Крестовина карданного
вала» на горизонтальном обрабатывающем центре EMAG SW BA 400-2 внедрена
на предприятие ООО ТД «ВолгаАвтоПром», которое занимается производством
автомобильных запчастей.
На защиту выносятся:
1. Прогрессивный технологический процесс обработки детали «Крестовина
карданного вала».
2. Метод закрепления и обработки деталей с перекрещивающимися осями.
3. Конструкция зажимной технологической оснастки.
4. Моделирование горячей объемной штамповки детали типа крестовина.
Апробация работы.
Основные положения данной диссертационной работы докладывались и
обсуждались на Студенческой научной конференции «Дни науки» в 2010 г.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из предисловия, 9 глав, выводов и приложений, содержит
66 страниц основного текста, 49 рисунков, 5 таблиц и 34 наименований
литературных источников.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель и
определено основное научное направление исследования, изложены основные
результаты, выносимые на защиту.
В первой главе представлен анализ конструктивных особенностей детали
«Крестовина карданного вала», выполнен анализ на технологичность.
К детали предъявляются следующие требования: неуказанные предельные
отклонения размеров отверстий Н14, валов h14, остальных
2
14
IT
 ±
 ; допуск
соосности
 01
,0
 725
,
14
 −
 ∅
 относительно базы Б составляет
 мм
01
,0
 ∅
 ; допуск
параллельности образующей
 01
,0
 725
,
14
 −
 ∅
 относительно базы Г составляет
 мм
005
,0
 ;
допуск перпендикулярности образующей
 01
,0
 725
,
14
 −
 ∅
 на перпендикулярно лежащем
шипе относительно базы Б составляет
 мм
2,
0
 ; допуск перпендикулярности торцев
шипов образуемых размером
 05
,0
 57
 −
 относительно базы Б составляет
 мм
1,
0
 ; допуск
округлости
 01
,0
 725
,
14
 −
 ∅
 составляет
 мм
005
,0
 ; допуск симметричности для размера
 05
,0
 57
 −
 составляет
 мм
01
,0
 . Можно отметить наиболее точные поверхности: шейка
цапфы под игольчатый подшипник
 01
,0
 725
,
14
 −
 ∅
 с шероховатостью Ra0,32; размер
между параллельными торцами цапф
 05
,0
 57
 −
 с шероховатостью Ra0,63.
 5
Page 6

Рис.2. Электронная модель дет. «Крестовина карданного вала».
В второй главе Проведен анализ заготовки, выбран и обоснован метод её
получения. Произведено моделирование горячей объемной штамповки.
Заготовка для детали «Крестовина карданного вала» получается методом
горячей объемной штамповки на механических прессах.
Рис. 3. Электронная модель поковки.
Для моделирования горячей объемной штамповки были построены в SolidWorks
твердотельные электронные модели штамповой оснастки: вставки для
многоштучной штамповки (рис.4).
Рис.4. Электронная модель вставки нижней для многоштучной горячей
объемной штамповки.
 6
Page 7

Для операции обрезки облоя спроектированы матрица и пуансон
представленные на рис. 5.
Рис. 5. Электронные модели матрицы и пуансона для обрезки облоя.
Моделирование горячей объемной штамповки производилось в программном
пакете Qform 3D. Результаты этой работы представлены на рис.6.
Рис. 6. Модель операции горячей штамповки с конечно-элементным
представлением штамповых вставок и исходной заготовки.
Основные проблемы, с которыми сталкиваются металлурги на операции горячей
штамповки – износ формообразующих поверхностей рабочих вставок. После
завершения моделирования оценим картину износа рабочих вставок (рис.7).
Проанализировав результаты можно предложить ввести дополнительный
переход для осуществления пережима с целью перераспределения материал.
Введение дополнительного пережимного перехода позволит сократить величину
износа. На рис. 8 изображена электронная модель пережимной вставки.
 7
Page 8

Рис. 7. Вставка с указанием областей, подверженных наибольшему износу.
Рис. 8. Пережимная вставка.
Проведенные исследования горячей объемной штамповки позволили решить
технологические вопросы касательно достаточного количества переходов, выявить
зоны на штамповых вставках подверженных наибольшему износу, спроектировать
рабочие конструкции штамповой оснастки, включая матрицу и пуансон обрезки.
Данные мероприятия позволили получить качественную поковку, что позволит
стабилизировать процесс механической обработки детали «Крестовина карданного
вала», а также улучшит её эксплуатационные показатели в области дисбаланса.
 8
Page 9

Во третьей главе проведен анализ существующих методов механической
обработки деталей с перекрещивающимися осями. Наиболее эффективный
технологический процесс изготовления детали «Крестовина карданного вала», на
период середины 80-х и конца 90-х годов, был реализован на предприятии ОАО
«АвтоВАЗ». Технологический процесс использовал передовые технические
решения, и его реализация базировалась на использовании специализированный
автоматической линии. Техпроцесс представлен на рис. 9.
Рис. 9. Технологический процесса изготовления детали "Крестовина карданного
вала" на специализированной автоматической линии на предприятии ОАО
"АвтоВАЗ" г. Тольятти
Приведенная выше технология характеризуется высокой производительностью
(примерно 1100000 дет./год). Однако необходимо отметить недостатки:
- использование специализированного металлообрабатывающего оборудования;
- использование огромного количества станков на каждой операции (в среднем
по 6 штук на операцию);
- использование оригинального режущего инструмента;
- использование технологической оснастки, которая ограничивает режимы
обработки;
- точность обработки зависит от качества изготовления механизмов (копиров,
профильных кулачков) отвечающих за перемещение органов станка;
- использование большого количества шлифовального оборудования, которое
требует высококвалифицированного облуживания;
- необходимость в правке шлифовальных кругов;
- трудоемкая настройка оборудования и режущего инструмента;
- отсутствие возможности в быстрой переналадке
- сложная система автоматизации загрузки/выгрузки деталей;
- сложное техническое обслуживание автоматической линии.
 9
Page 10

В четвертой главе было произведено проектирование прогрессивного
технологического процесса изготовления детали «Крестовина карданного вала» на
оборудовании EMAG (Германия). Фрагмент технологии с демонстрацией основных
положений представлен на рис. 10.
Рис.10. Технология обработки детали «Крестовина карданного вала» на
оборудовании EMAG (Германия)
Спроектированная технология имеет ряд преимуществ:
- технология может использоваться для большинства деталей с
пересекающимися осями;
- использование стандартного оборудования, оснащенного встроенными
системами автоматизации загрузки/выгрузки детали
- возможность использования средств автоматизации для предварительного
ориентирования заготовок;
- высокая концентрация различных переходов на одной операции;
- сокращение времени обработки деталей до ХТО на горизонтальном
обрабатывающем центре EMAG SW BA 400-2, оснащенным многоместным
зажимным приспособлением;
- использование стандартного режущего инструмента;
- использование современных материалов для обработки легированной стали;
- простая и точная настройка режущего инструмента вне станка;
- использование надежной технологической оснастки;
- низкие требования к квалификации операторов в виду высокой автоматизации
операций;
 10
Page 11

- замена предварительного шлифования на твердое точение и объединение с
операцией окончательного шлифования на токарно-шлифовальном станке EMAG
VTC 250 DS
- высокая точность позиционирования рабочих органов оборудования;
- отсутствие факторов ограничивающих скорость резания и др. технологические
параметры;
- удобное программное управление станков;
- возможность переналадки оборудования на другую номенклатуру деталей.
На операции механической обработки до ХТО детали «Крестовина» происходит
удаление основного припуска и напуска, происходит формирование взаимного
пространственного расположения цапф, а также закладывается будущая точность и
надежность при обработке после ХТО на вертикальном токарно-шлифовальном ОЦ
EMAG. Фрагмент инструментальной наладки с демонстрацией основных
положений представлен на рис. 11.
Рис. 11. Операция мехобработки до ХТО детали «Крестовина карданного вала»
на горизонтальном обрабатывающем центре EMAG SW BA 400-2
В пятой главе представлено обоснование выбора металлообрабатывающего
оборудования, исходя из технологических требований заложенных в операциях, а
также выбора режущего инструмента – геометрии зачистных пластин и сплавов
для обработки сталей.
 11
Page 12

В шестой главе производилось проектирование многоместного зажимного
приспособления. Приведено обоснование выбора конструкции приспособления в
соответствии с точностным и силовым расчетами.
Для успешного выполнения мехобработки до ХТО детали на ОЦ EMAG SW BA
400-2 спроектировано автоматическое гидравлическое зажимное приспособление с
12-ю позициями закрепления заготовок. На рис. 12 показана электронная модель
приспособления.
Рис. 12. Электронная модель многоместного зажимного приспособления.
На рисунке 13 приведены принципиальные схемы движения установочных
элементов приспособления.
Рис. 13. Принципиальная схема движения установочных элементов
многоместного зажимного приспособления для горизонтального обрабатывающего
центра EMAG SW BA 400-2.
 12
Page 13

В седьмой главе производилось комплексный анализ зажимной
технологической оснастки для закрепления деталей типа крестовина.
При токарной обработки деталей с перекрещивающимися осями используют
индексные патроны (рис. 14), позволяющие производить обработку за один
установ, т.к. имеют механизм индексирования.
Рис. 14. Индексный токарный патрон.
Технологические особенности индексных токарных патронов:
1. Одноместный зажимной токарный патрон диаметром 250 мм.
2. Индексный токарный патрон имеет ограничение мах числа оборотов.
3. Падение усилия зажима на высоких оборотах в 2 раза (рис. 15).
4. Сложная и быстроизнашиваемая механика индексного токарного патрона.
5. Сложная балансировка данного типа патрона.
6. Точность поворота 0°01' 00''.
Рис. 15. Диаграмма потери усилия зажима индексного патрона.
Недостатки, отмеченные у индексного патрона полностью отсутствую в
многоместном зажимном приспособлении (рис. 12).
Рис. 16. Зубчатое зацепление Хирта.
Высокоточное зубчатое зацепление Хирта отвечает за угловое
позиционирование многоместного зажимного приспособления. Точность
позиционирования составляет 0°00''8'.
 13
Page 14

В восьмой главе Проведен анализ экономической эффективности
использования техпроцесса механической обработки до ХТО детали «Крестовина
карданного вала» на горизонтальном обрабатывающем центре EMAG SW BA 400-2
в сравнении с техпроцессом обработке на токарном обрабатывающем центре
EMAG VSC 250. Произведем сравнение производительности двух техпроцессов на
основе времени обработки.
Суммарное машинное время при выполнении операции вертикальном токарном
обрабатывающем центре EMAG VSC 250:
Тм = 1 мин/дет.
Суммарное машинное время при выполнении операции горизонтальном
обрабатывающем центре EMAG SW BA 400-2:
Тм = 0,35 мин/дет.
Представим полученные данные в виде гистограммы (рис. 17).
Рис. 17. Гистограмма сравнения времени выполнения операции на различном
виде оборудования.
Как видно на гистограмме время обработки при выполнении операции на
горизонтальном ОЦ EMAG SW BA 400 сократилось на 65%. Это подтверждает
высокую производительность спроектированного техпроцесса обработки детали
«Крестовина карданного вала».
 14
Page 15

Для расчета себестоимости механической операции был рассчитан станко-часа в
программном комплексе Тейлор.
Произведем расчет стоимости станко-часа для каждого выбранного станка,
предварительно поставив галочку «Расчет по амортизации», следуя тем самым
рекомендациям законодательства и нормативным актам. Полученные данные
представлены на рис. 18.
а)
б)
Рис. 18. Результаты расчета станко-часа: а - вертикальный токарный ОЦ EMAG
VSC 250; б - горизонтальный ОЦ EMAG SW BA 400-2.
Стоимость станко-часа составила:
Станок EMAG VSC 250 - 548 руб/час.
Станок EMAG SW BA 400-2 - 772 руб/час.
 15
Page 16

Рассчитаем технологическую себестоимость обработки детали «Крестовина
карданного вала».
Расчет технологической себестоимости изготовления детали будут производить
на основе учета затрат, обусловленных 1 часом работы станка на каждой ТО.
Себестоимость вычисляется по формуле: С=С
 мч
 ·Т
 м
 ·У·К
 0
 ·К
 и
 , (2.16) [2]
где У- коэффициент, зависящий от вида типа производства и вида станка;
К
 0
 - коэффициент, учитывающий условия выполнения ТО;
К
 и
 - коэффициент инфляции.
Рис. 19. Гистограмма технологической себестоимости обработки детали.
Как видно на гистограмме себестоимость обработки при выполнении операции
на горизонтальном ОЦ EMAG SW BA 400-2 ниже на 50%. Это подтверждает
высокую экономическую эффективность спроектированного техпроцесса
обработки детали «Крестовина карданного вала».
 16
Page 17

В девятой главе выполнена оценка качества поверхности и геометрической
точности размеров получаемых после механической обработки детали «Крестовина
карданного вала» на горизонтальном ОЦ EMAG SW BA 400-2, проведены
измерения выборки обработанных деталей.
Качество поверхности шеек цапф оценим при помощи показателя
шероховатости Ra. Известно, что качество финишной операции шлифования
напрямую зависит от качества обработки на предшествующих операциях.
Принимая это во внимание, обработку шеек будем производить пластинами с
зачистной геометрией Wiper. Это позволит, не уменьшая подачи, а значит, не
увеличивая время операции получить более качественную микрогеометрию
поверхностного слоя. Замеры показателя шероховатости проведем по схеме
изображенной на рисунке 20.
Рис. 20. Схема измерения шероховатости шеек цапф.
Результаты замеров шероховатости (рис. 21) подтвердили сделанные ранее
предположения и показали уменьшение значения параметра Ra на -60%, что
отображено на рисунке 22.
17
Page 18

Рис. 21. Результаты замеров шероховатости.
Рис. 22. Гистограмма сравнения шероховатости поверхности шеек,
обработанных по различным технологиям.
 18
Page 19

Результаты замеров шероховатости подтверждают, что спроектированный
техпроцесс обработки детали «Крестовина карданного вала» обеспечивает
требования указанные в конструкторском чертеже детали.
Оценка точности геометрических размеров.
Измерение геометрических размеров произведем на координатно-
измерительной машине в соответствии со схемой измерения (рис. 23).
Рис. 23. Проведение измерений на координатно-измерительной
машине ETALON DERBY.
По результатам замеров было установлено полное соответствие полученных
размеров техническим требования конструкторского чертежа.
 19
Page 20

Рис. 24. Значение отклонения от перпендикулярности в зависимости от
используемой зажимной технологической оснастки.
На рис. 24. представлен один из наиболее важных параметров отклонения от
перпендикулярности. Результаты ярко демонстрируют что детали, обработанные
по спроектированной технологии в оригинальном зажимном приспособлении,
имеют отклонение от перпендикулярности цилиндрических образующих цапф друг
относительно друга 0,014 мкм. Это говорит о 10 кратном увеличении точности
выполнения данного требования.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
В ходе разработки магистерской диссертации был спроектирован
прогрессивный технологический процесс изготовления детали «Крестовина
карданного вала».
Выполнена работа по комплексному анализу возможных методов обработки
деталей с перекрещивающимися осями. Впервые предложен метод обработки
деталей типа крестовина на фрезерных обрабатывающих центрах с ЧПУ.
По результатам моделирования горячей объемной штамповки выявлены
причины износа и предложены полезные модели штамповой оснастки для
пережимной операции, призванные увеличить стойкость матриц и пуансонов.
20
Page 21

Произведена подробная разработка операции механической обработки до ХТО
детали «Крестовина карданного вала» на горизонтальном обрабатывающем центре
EMAG SW BA 400-2.
Разработана оригинальная конструкция многоместного зажимного
приспособления и многорезцовой инструментальной державки для обработки
цапф. Произведено сравнение имеющейся зажимной технологической оснастки для
закрепления деталей с перекрещивающимися осями и обработки за один установ.
Выбрана зачистная геометрия пластин и обосновано применение сплавов для
режущих инструментов.
Выполнен анализ экономической эффективности использования предложенной
технологии в современном производстве. Проведены контрольные измерения
геометрических размеров, формы и расположения поверхностей и качества
поверхностного слоя. Результаты измерений констатировали увеличение точности
исполнения геометрических параметров и улучшение качества шероховатости
поверхностного слоя.
Операционная технология механической обработки до ХТО детали «Крестовина
карданного вала» на горизонтальном ОЦ EMAG SW BA 400-2 была успешно
внедрена на предприятии ООО ТД «ВолгаАвтоПром», что подтверждено актом
внедрения.
Апробация работы:
Основные положения данной диссертационной работы докладывались и
обсуждались на Студенческой научной конференции «Дни науки» в 2010 г.
 21

Информация о работе Повышение эффективности технологического процесса обработки детали "крестовина карданного вала"