Разработка усовершенствованной конструкции заднего бампера автомобиля ВАЗ 2110

Содержание

Стр.

Аннотация

Введение

1. Состояние вопроса

1. Структура полипропилена

2. Свойства полипропилена

3. Анализ способов соединения деталей из полипропилена

4. Формулировка задач дипломного проекта

2. Разработка усовершенствованной конструкции заднего бампера

автомобиля ВАЗ 2110

3. Анализ материалов для изготовления заднего бампера

автомобиля ВАЗ 2110

4. Оборудование для сварки заднего бампера

автомобиля ВАЗ 2110

5. Технологический процесс изготовления заднего

бампера автомобиля ВАЗ 2110

6. Безопасность и экологичность проекта
7. Патентные исследования
8. Экономический раздел

Заключение

Литература

Аннотация

Цель дипломного проекта –  повышение производительности труда и снижение себестоимости изготовления заднего бампера автомобиля ВАЗ 2110.

Поставленная цель достигается  за счёт решения следующих задач:

1. Разработать усовершенствованную конструкцию заднего бампера автомобиля ВАЗ 2110, снижающую его коробление в процессе производства;
2. Произвести и обосновать замену материала ХАЙФКС на более дешёвый;
3. Разработать технологический процесс изготовления заднего бампера автомобиля ВАЗ 2110;
4. Выявить и устранить опасные и вредные производственные факторы, возникающие в процессе осуществления предложенной технологии;
5. Произвести экономическое обоснование данного дипломного проекта

Произведена замена материала ХАЙФАКС на ТОПЛЕН, усовершенствована конструкция бампера, позволяющая уменьшить его деформацию при сварке. Применен процесс виброконтактной сварки в автоматическом режиме. Это позволило улучшить качество изделия, снизить процент брака на 90%, повысить производительность труда на 10% и снизить себестоимость на 25%. Условно-годовая экономия составляет 131 млн. руб.

Объём графической части проекта:  9 листов

Объём пояснительной записки:     листов

Введение

Актуальность работы: пластмассы относятся к группе полимерных соединений, которые обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств.  Важнейшее из этих свойств – способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и плёнки, способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям, способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением, высокая вязкость растворов.

Машиностроение – главный потребитель  полимеров в настоящее время. Использование полимерных материалов в этой отрасли растёт высокими темпами, не знающими претендента в человеческой истории. Однако сложность внедрения пластмасс в производство состоит в их низкой (по сравнению с марочными сталями) теплостойкости и прочности. Эту сложность возможно преодолеть путём перехода к композиционным материалам (стекло и углепластик), какими, например, являются применяемые в настоящее время ТОПЛЕН, ХАЙФАКС и др. В настоящее время из полимеров изготавливают относительно мелкие, но конструктивно сложные и ответственные детали машин и механизмов, крупногабаритные корпусные детали, которые несут значительные нагрузки. Первое место по темпам роста применения пластмасс занимает автомобильная промышленность.

Актуальность выбранной темы проекта  определяется:

1. Экономией материалов (безотходное или малоотходное формирование больших блоков и узлов);
2. Использованием лёгких и облегчённых полимерных материалов, что позволяет снизить общий вес автомобиля, а значит, увеличить экономию горючих материалов при его эксплуатации, улучшить технические характеристики автомобиля;
3. Выполнением, как единое целое, блоков пластмассовых деталей, что существенно упрощает сборку и снижает трудоёмкость при их изготовлении.

Таким образом, тема данного дипломного проекта «Технология и оборудования изготовления заднего бампера автомобиля ВАЗ 2110» является актуальной.

В качестве объекта исследования рассматривается процесс сварки пластмасс, в котором предметом исследования выступают свойства заднего бампера и балки автомобиля ВАЗ 2110.

За базовый вариант принимаем сварку бампера из пластмасс с использованием материала «ХАЙФАКС», в качестве основного своего недостатка, имеющий высокую цену. Так же при сварке бампера в базовом варианте наблюдается его коробление, что приводит к высокому проценту брака и лишним материальным затратам.

Цель работы – повышение производительности труда и снижение себестоимости изготовления заднего бампера автомобиля ВАЗ 2110.

1. Состояние вопроса

Полимер – химическое соединение с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены  друг с другом силами главных и координационных валентностей.

По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например, белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные и на синтетические, например, полиэтилен, полипропилен, фенолоформальдегидные смолы. Атомы или атомные группы располагаются в макромолекуле в виде:

• открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные полимеры, например, каучук натуральный);
• цепи с разветвлением (разветвлённые полимеры, например, амилопектин);
• трёхмерной сетки (сшитые полимеры, например, отвержёднные эпоксидные смолы).

В базовом варианте используется материал «ХАЙФАКС», выпускаемый на основе композиции пропилена с этиленом и обладает повышенной ударопрочностью. Этот материал поставляется из Италии, что приводит к повышению себестоимости изготовленных из него деталей. Для дальнейшей работы необходимо провести анализ свойств полимерных материалов, применяемых при изготовлении деталей кузовов автомобилей в современной промышленности.

1.1. Структура полипропилена

Полипропилен содержит значительное количество стереорегулярного полимера, представляет собой жёсткий нетоксичный продукт без запаха. Он отличается хорошей прозрачностью и блеском, а его механические свойства (предел прочности при растяжении и статическом изгибе) и теплоёмкость являются лучшими среди термопластов. К недостаткам этого полимера можно отнести чувствительность к окислению и невысокая морозостойкость, однако, в последние годы удалось добиться значительного успеха как в стабилизации полипропилена, так и в придании ему эластичности при низких температурах.

Линейные полимеры пропилена (с соединением звеньев по схеме  «голова к хвосту») обладают высокой  пространственной регулярностью и  способны кристаллизоваться. Большинство  кристаллических модификаций, устойчивых в интервале температур от комнатной  до температуры плавления, имеют спиралевидную моноклинную структуру (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Пространственная структура участков цепи линейного  полипропилена

Цепь 1 имеет левосторонне вращение спирали. Цепь 11 имеет два  участка цепи, различающихся по пространственному расположению метильных групп: нижний участок имеет левое вращение, а верхний – правое. Цепь 111 представляет собой одну из возможных форм цепи, имеющей атактическую структуру.

Полимеры пропилена, обладающие высокой степенью кристалличности, могут быть отделены от аморфных или частчно кристаллизованных полимеров экстрагированием смечи полимеров кипящим н-гептаном или другими углеводородами, имеющими температуру кипения 40…80 ⁰С ниже температуры плавления кристаллических полимеров; при этом экстрагируются лишь аморфные или частично кристаллические полимеры. Неспособность отдельных участков цепи полипропилена кристаллизоваться связана с тем, что они имеют атактическую структуру, а так же с тем, что короткие изотактические цепи обладают различным пространственным положением.

1.2. Свойства  полипропилена

  Теплофизические, термические и физические свойства

Таблица 1.1

Теплофизические свойства полипропилена 

Вследствие стерической неоднородности молекул и различных размеров кристаллитов температура плавления полипропилена изменяется в пределах 160…175 ⁰С. При отсутствии внешнего механического воздействия изделия из полипропилена сохраняют форму вплоть до 150 ⁰С. Результаты сравнительных испытаний на растяжение полипропилена и других материалов (рис. 1.2) при скорости повышения температуры 50 ⁰С/час под нагрузкой 15 кг/см² показывают, что полипропилен выгодно отличается от таких материалов, как поливинилхлорид, полиэтилен низкой и высокой плотности, полиметилметакрилат.

Под нагрузкой и при 140 ⁰С стабилизированный полипропилен может выдерживать 60…80 дней без термического разрушения, а при 120 ⁰С до полутора лет. На термостойкость материала оказывает большое влияние наличие примесей и контакт с такими металлами, как медь, марганец и их сплавы. Поэтому следует избегать контакта полипропилена с этими материалами при повышенных температурах, а так же снижать содержание примесей в полимере.

Рис. 1.2. Данные испытаний  термопластов на растяжение при повышенной температуре:

1 – полиэтилен низкой  плотности;

2 – полиметилметакрилат;

3 – полиэтилен высокой  плотности;

4 – поливинилхлорид;

5 – полипропилен

Атмосферостойкость

Полипропилен при воздействии  кислорода воздуха, солнечного света и повышенной температуры подвергается деструкции, сопровождающейся резким снижением физико-механических и диэлектрических свойств. С целью предотвращения его деструкции при переработке и окисления при эксплуатации изделий требуется введение стабилизатора.

Под воздействием рассеянного  света (но не прямых солнечных лучей) нестабилизированный полимер пропилена  не изменяется в течение двух лет, однако прямой солнечный свет приводит к его быстрому (в течение одного месяца) охрупчиванию. Ультрафиолетовые лучи при этом оказывают сильное окислительное действие, а введение антиоксидантов обеспечивает при этом ингибирующий эффект в течение короткого (до одного года) времени.

Наиболее сильное действие на полипропилен оказывают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 297…370 мкм. При этом полимер теряет механическую прочность и ИК-спектры показывают появление в нём карбонильных групп. Повышение температуры на каждые 10 ⁰С почти вдвое усиливает его деструкцию.

Для стабилизации структуры  полипропилена на воздухе и солнечном свете в него вводят специальные химические добавки, позволяющие многократно повысить срок службы деталей из этого материала. При изучении старения полипропилена в комбинированном приборе, состоящем из флюоресцирующих ламп солнечного света  ламп ультрафиолетового света, было установлено, что нестабилизированные образцы становятся хрупкими через 59 часов после облучения, а образцы с 0,25% 2-окиси-4-октилоксибензофенона – через 1079 часов.

Стойкость полипропилена  к действию ультрафиолетовых лучей  увеличивается при введении в него 2% сажи. Изделия из полипропилена с добавкой сажи в течение 2-х лет могут находиться под прямыми солнечными лучами без значительных изменений физических свойств материала.

Для ингибирования окислительной  деструкции полипропилена также можно применять ди-(4-оксифенил)-сульфид и другие антиоксиданты, вводимые в количестве 1…2%.

Термоокислительная деструкция полипропилена может быть заметным образом замедлена при добавлении в него 0,5% диоктадециловых эфиров ди-, три- тетрасульфиддиуксусных кислот.

Период времени, по истечении  которого происходит излом плёнки при  её складывании, называемый временим хрупкости, при 140 ⁰С составляет от 24 до 40 суток. До 300 ⁰С полипропилен, содержащий стабилизатор, устойчив к окислению и деструкции даже после нагревания в течение нескольких часов в воздушной среде.

Химическая стойкость

При нормальной температуре  полипропилен нерастворим в органических растворителях даже при длительном пребывании в них, но набухает в ароматических и хлорированных углеводородах. При температурах выше 80 ⁰С полимер растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах. Стойкость к действию растворителей возрастает по мере увеличения степени кристалличности. При длительном контакте с полярными растворителями полипропилен становится хрупким и не изменяется.

Представленные в таблице 1.2 данные, позволяют судить о химической стойкости полипропилена к ряду растворителей, кислот и растворов  щелочей. Как видно из табл. 1.2, физико-механические свойства полипропилена мало изменяются при воздействии 80%-ной серной кислоты в течение 30 суток при 20 ⁰С, однако при 90 ⁰С через 7 суток полимер приобретает тёмно-коричневую окраску, становится хрупким и разрушается. Все типы полипропилена практически не поглощают воду, наблюдаемое водопоглощение (порядка 0,2%) можно объяснить поверхностной адсорбцией.

Таблица 1.2

Химическая стойкость полипропилена

3. Анализ способов соединения деталей из полипропилена

В процессе изготовления заднего бампера  автомобиля ВАЗ 2110 существует необходимость  соединения деталей из полипропилена, что может осуществляться различными способами, рассмотрим самые распространённые из них и выберем наиболее рациональный:

• соединение с помощью болтов;
• соединение с помощью заклёпок;
• склеивание;
• соединение с помощью сварки.

Соединение с помощью  болтов (рис. 1.3 а) позволяет получать соединения высокой надёжности при низкой себестоимости их получения, однако получение такого соединения сопряжено с низкой производительностью процесса, что не допустимо в массовом производстве.

Соединение с помощью  заклёпок (рис. 1.3 б) позволяет получать надёжные соединения с низкой себестоимостью и простотой технологического процесса, однако требуют дорогое оборудование и обладают низкой производительностью, что недопустимо в условиях массового производства.

Склеивание (рис. 1.3 в) обеспечивает низкую себестоимость процесса и стоимость расходных материалов, однако требует  высокой трудоёмкости, обладает низкой производительностью и даёт соединения с низкой надёжностью.

Соединение с помощью  сварки (рис. 1.3 г) обладает высокой производительностью и низкой трудоёмкостью, этот способ получения соединения наиболее применим в условиях массового производства.

а) б)

в) г)

Рис. 1.3. Основные способы соединения деталей в современной промышленности

Анализ способов сварки деталей  из пластмасс позволяет предложить несколько наиболее подходящих для нашего случая:

• сварка горячим воздухом;
• соединение деталей, разогретых горячим стержнем;
• использование электропаяльника;
• соединение скобами;
• соединение с помощью трения (вибросварка).

Сварка горячим  воздухом с присадкой специальной смеси (рис. 1.4)

Сварка может осуществляться с  помощью миниэкструдера «Электрон» (см. табл. 1.3). Это мощный аппарат  горячего воздуха со встроенной подачей  воздуха и плавной регулировкой температуры. Используется для процессов  сварки, нагрева, сушки, усадки, термообработки и т.д. Может устанавливаться в автоматическое технологическое оборудование или использоваться отдельно вручную.

Таблица 1.3

Технические характеристики аппарата для сварки пластмасс «Электрон»

Рис. 1.4. Сварка изделий из пластмасс горячим воздухом с присадкой специальной смеси

Данный способ прост в использовании, удобен в работе, не требует сложного оборудования, позволяет получать соединения с хорошим качеством. Однако обладает низкой производительностью, что  делает его невыгодным при массовом производстве. Так же при сварке этим способом происходит выделение паров и аэрозолей, вредных для организма рабочего.

Сварка с присадкой  материала в виде прутка (рис. 1.5)

Рис. 1.5. Сварка изделий из пластмассы горячим воздухом с применением присадочного прутка

Сварка осуществляется с помощью  миниэкструдера Велдмакс (табл. 1.4) или  аналогичного ему оборудования.

Таблица 1.4

Технические характеристики миниэкструдера «Велдмакс»

Миниэкструдер Велдмакс представляет собой ручной экструдер со встроенными в единый корпус системой подачи горячего воздуха, камерой пластификации, электронным блоком регулировки, системой подачи прутка. Существует возможность раздельной плавной регулировки температуры горячего воздуха и камеры пластификации. Аппарат применяется для соединения материалов ПЭВД, ПЭНД, ПП, ПФС, ПВХ. ПВДФ.

Способ обладает высокой экономичностью по сравнению со сваркой горячим  воздухом, не требует дополнительного  оборудования. Позволяет получить хорошее  качество шва. Однако требует больших навыков при своём использовании, низкая производительность процесса делает его применение невыгодным в условиях массового производства.

Сварка горячим стержнем (рис. 1.6)

Данный способ является самым дешёвым, т.к. не требует дорогого оборудования и расходных материалов. Прочность сварного шва меньше, чем у двух вышеперечисленных. Недостатком является низкая производительность процесса.

Рис. 1.6. Сварка изделий из пластмассы с применением горячего прутка

Сварка трением (вибросварка) (рис. 1.7)

Рис. 1.7. Соединение деталей из пластмасс  с применением сварки трением

Вибросварка полимерных материалов использует колебания, направленные нормально  к свариваемым поверхностям. Твёрдые  и мягкие материалы соединяют по схеме контактной точечной сварки. Суть сварки заключается в том, что при нагреве тепло проходит через полимеры, значительная его часть выделяется на границе раздела двух сред, где за счёт повышения температуры происходит размягчение полимеров и их взамопроникновение под воздействием сварочного усилия.

Вибросварка полимерных материалов позволяет:

• соединять детали из твёрдых пластмасс без дополнительного нагрева и присадочного прутка;
• отказаться от вредных для человека органических растворителей;
• исключить затраты на клей, растворитель, нитки и другие расходные материалы, используемые для соединения деталей традиционными методами;
• повысить производительность труда за счёт сокращения времени процесса.

Преимущества вибросватки полимерных материалов по сравнению с другими  способами заключается в:

• повышении экологической чистоты производственных процессов;
• повышении производительности труда;
• повышении качества изделий.

Недостатками вибросварки является:

• сложность конструкции и обслуживания оборудования;
• дороговизна оборудования.

1.4. Формулировка задач дипломного  проекта

Исходя из проведённого анализа  исходных данных, можно сформулировать ряд задач, решение которых приведёт к достижению цели, поставленной во введении:

1. Разработать усовершенствованную конструкцию заднего бампера автомобиля ВАЗ 2110, снижающую его коробление в процессе производства;
2. Произвести и обосновать замену материала ХАЙФКС на более дешёвый;
3. Разработать технологический процесс изготовления заднего бампера автомобиля ВАЗ 2110;
4. Выявить и устранить опасные и вредные производственные факторы, возникающие в процессе осуществления предложенной технологии;
5. Произвести экономическое обоснование дипломного проекта

2. Разработка усовершенствованной конструкции заднего бампера автомобиля ВАЗ 2110

Задний бампер автомобиля ВАЗ 2110 представляет собой два литых изделия из полипропилена (балки и бампера) (рис. 2.1а), соединяемые между собой при помощи вибросварки.

а) б)

Рис. 2.1. Задний бампер автомобиля ВАЗ 2110 в сборе (упрощённо):

а – общий вид сбоку, стрелкой обозначено перемещение при короблении;

б – введение ребра жёсткости, позволяющего уменьшить это коробление

Как было показано выше, при сварке бампера в базовом варианте происходит его коробление (рис. 2.1 а). Оно возникает  в результате того, что температура охлаждения бампера после литья нестабильна по поверхности вследствие флуктуаций температуры воздуха в цехе и неравных условий охлаждения различных поверхностей изделия. Это приводит к большому количеству бракованной продукции, достигающей 30 шт. за смену. Отсюда вытекает необходимость дополнительных материальных затрат переработку бракованной  продукции. Чтобы избежать этого дефекта, в проектном варианте конструкции бампера предлагается ввести ребро жёсткости на балке бампера (рис. 2.1 б), которое не допускает его коробления и снижает количество бракованной продукции до 1…2 шт. за смену. Отсюда следует, что уменьшаются затраты на ликвидацию бракованной продукции, понижается напряжённость труда для человека, повышается качество производимой продукции. Предлагаемое ребро жёсткости будет формироваться за счёт изменения литейной формы для получения заготовки балки бампера.

3. Анализ материалов для изготовления заднего бампера автомобиля ВАЗ 2110

Анализ литературных данных позволяет  предложить ряд полимерных материалов, которые можно использовать для изготовления заднего бампера автомобиля ВАЗ 2110:

1. ХАЙФАКС SP 1114 (используется на ВАЗе в настоящее время);
2. НОВОКОМ;
3. ТОПЛЕН.

Материал ХАЙФАКС SP 1114 выпускается на основе композиции пропилена с этиленом. Он обладает повышенной ударопрочностью. Этот материал поставляется из Италии, что приводит к большим затратам при его поставке и высокой стоимости бампера.

Преимущества материала ХАЙФАКС  перед аналогами:

1. Повышенная ударная прочность;
2. Пригоден к повторной переработке;
3. Может быть использован по истечении гарантийного срока хранения;
4. Малая пожароопасность.