Разработка алгоритма проектирования технологии изготовления изделия типа «Кран»

Введение 

       Технологической подготовке производства принадлежит  ведущая роль в решении задачи дальнейшего ускорения технологического прогресса, так как информация, формируемая  на этом этапе, является причиной для  принятия решений в сфере управления. При рассмотрении с этих позиций особенно актуально решение проблемы обеспечения высокого качества и эффективности принимаемых технологических решений.

       Проведенные на протяжении последних лет научно-исследовательские  работы по использованию ЭВМ в  технологической подготовке холодноштамповочного производства показали необходимость комплексного подхода к решению проблемы. Однако многообразие средств и методов холодной листовой штамповки затрудняет автоматизацию технологической подготовки в полном объеме.  Этим объясняется специализация по системам автоматизированного проектирования холодной листовой штамповки. В условиях автоматического проектирования совершенствование технологической подготовки производства направлено в первую очередь на типизацию отдельных составляющих элементов, из которых формируется входная информация для автоматизации проектирования; на ограничение используемой номенклатуры технических средств; на стандартизацию технологических решений применительно к конкретным способам и средствам холодной листовой штамповки.

       Системы автоматизированного проектирования требуют наличие: достоверной входной  информации, обладающей минимальной  избыточностью; научно обоснованных количественных критериев выбора наиболее рациональных технологических решений из ряда допустимых; четких алгоритмов оптимизации параметров или их совокупностей при разработке технологических процессов и проектирование штампов.

       Процессы  автоматизированного проектирования и автоматизированного производства объединяют не только  функции конструирования изделий, выполнения необходимых чертежей и разработки программ для оборудования с числовым программным управлением (основные функции систем САПР), но также целый набор функций, связанных непосредственно с управлением технологическим  процессами и производством. Объединение функций проектирования и управления технологическими и производственными процессами особенно эффективно при создании гибких производственных систем.

                Среди информационных технологий автоматизация проектирования занимает особое место. Во-первых, автоматизация проектирования – синтетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные информационные технологии. Техническое обеспечение САПР основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий. Математическое обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. Во-вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически любому инженеру-разработчику. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Разработка  алгоритма проектирования технологии  изготовления изделия типа «Кран» 
 

1. Математическая  модель и укрупненный алгоритм проектирования альтернативных технологических процессов.

 

Требуется составить макросхему разработки технологического процесса детали с помощью ПЕВМ согласно эскизу (рис. 1.1). 

Материал  – Бронза  БРАНЖ 10 – 10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Неуказанные радиусы  - до 0,5 мм. 

Рис.1.1. Кран 

     Учитывая  размеры и марку материала, изготовление данной детали, возможно, несколькими альтернативными вариантами [2], таб.1, с. 211.

 

     Рассмотрим  первый вариант технологического процесса изготовление детали типа «Кран».

Кодировка данных по эскизу детали типа «Кран» (см. рис. 1.1.). 

    Ø 12 – DG;         10 – DLG;        4 – DLG;          Ø 7 – DOT;

      Ø 10 – DP;          34 – DLD;        16 – DLOT;

      

БРАНЖ 10 – 10 – MARK;      0.5мм – RNN;    - SHY. 

     Первым  альтернативным вариантом технологического процесса изготовления данной детали принимаем технологический процесс  высадки на ГКМ (KVT=1).

 

Возможен  следующий перечень операций и переходов:

1. Контроль исходного материала по марке и профилю;
2. Резка прутка на мерные заготовки;
3. Нагрев материала для повышения его пластичности;
4. Высадка изделия за несколько или один переход;
5. Обрезка облоя;
6. Очистка поверхности;
7. Контроль.

 

     С учетом высоких требований к точности размеров и качеству поверхности выбираем группу контроля, которая проверяет наличие неточностей.

     Контроль  материала (код KIMAT) производится согласно клейму и диаметру DP штангенциркулем. 

Определяем  объем высаживаемой части заготовки  с учетом размеров изделия (см. рис.1.1). 

Объем VZ высаживаемой заготовки определяют с учетом заусенца и угара металла:

,                                                                           (1.1) 

где VD – объем поковки (детали);

VО – объем технологического отхода;

YG- угар металла в %.  

Значение  коэффициента угара определяется для  заданного кода материала(KIMAT), его температуры(TNO), выбирается из массива данных MASi1, i=1, N1. 

Объем VD детали, изображенной на  рис. 1.1, является суммой объемов отдельных элементов детали VD1, VD2, VD3,(см. рис. 1.2). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.1.2. Определение объемов 

                             (1.2) 

Параметры DG, DP, DLG, DLD, DOR, DLOT, DLC указаны на странице 3.

Объем технологического отхода вычисляем по формуле: 

,                              (1.3)

где С  и t – размеры заусенца, массив MASi2, i=1, N2, [5], с.625, табл.6. 

Определяем  площадь проекции поковки на плоскость  разъема: 

                                                                     (1.4) 

где  DG, DP, DLG, DLD, DOR, DLOT, DLC указаны на странице 3;

FP – площадь проекции поковки на плоскость разъема. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.1.3. Определение площади поковки 

ALFAR – коэффициент объемного расширения, выбирается из массива данных MASi3, i=1, N3 для заданного кода материала и его температуры. 

Находим массу детали (MD), массу заготовки (MZ), массу отхода (MO): 

                                                                      (1.5)

где ROM – плотность материала выбираем из массива данных MASi4, i=1, N4, [4],табл. 1.2, с.14. 

Находим число заготовок в прутке по формуле: 

 ,                                                                                      (1.6)  

где DZ -  диаметр заготовки выбирается ближайший из стандартного ряда , массив данных  MASi7, i=1, N7;

LZ – длина заготовки;

BZ - толщина прорезаемого материала, выбирается в зависимости от кода (KR) оборудования для раскроя из массива данных MASi5, i=1, N5.

LPR – торговая длина прутка, выбирается из массива данных MASi6, i=1, N6 по сортаменту материала (СМ), по коду материала (KIMAT), по марке материала (MARK), [4, табл.15, с.17]: LPR=f (MARK, KIMAT, CM). 

,                                                                                        (1.7) 

где PI – константа, PI=3.14159. 

Расчетный диаметр заготовки определяется по формуле:

.                                                                                       (1.8)

Значение  m необходимо выбирать в пределах m=1,2…1,8.

Для заданного  профиля прутка выбираем ближайшее  большее значение к расчетному из массива данных MASi7, i=1, N7 для диаметра заготовки, присваиваем ему значение DZ=DP. 

Определяем  норму расхода материала (NRM): 

,                                                       (1.9) 

где NZ – число заготовок в прутке (см. формулу 1.7). 
 

Относительный расход материала по статьям его  затрат: 

                                                                                   (1.10) 

                                                                                                     (1.11)

,                                                                                                                  (1.12)  

где  MD, MZ, MO – масса детали, заготовки и отхода соответственно;

 NRM - норма расхода материала, (см. формулу 1.9). 

Выход годного определим по формуле: 

, 

                                                                                                       (1.13) 

где  MD -  масса детали;

NRM – норма расхода материала (см. формулу 1.9). 

   Первой операцией разбираемого варианта технологического процесса изготовления детали типа «Кран» является резка материала на мерные заготовки [1], с. 170. 
 

Выбираем  оборудование для раскроя данной заготовки: 

 

     Если  выбрать ножницы KR=1, то края могут быть неровными так, что лучше выбрать два последующих вида, так как торцы перед высадкой должны быть ровными, поэтому:

- если  DZ 60, то KR=2;

- если DZ 60, то KR=3. 

Cила резки определяется по формуле [1], с. 175: 

USREZ= 1.25*PER*DZ*SIGCR,                                                     (1.14)

где PER – периметр среза; 

PER=PI*DZ;                                                                                      (1.15) 

SIGCR= (0.5…0.6)*SIGB,                                                                (1.16) 

где SIGCR – предел прочности металла при температуре резки, массив данных MASi8, i=1, N8 ;[3], табл. 13, с. 156

Следующая операция – нагрев заготовки.

Нагрев  происходит до температуры структурных  превращений. Параметры нагрева имеют следующую кодировку:

TNO – температура нагрева;

VNO – время нагрева;

SADO – величина садки. 

Определим время нагрева:

,                                          (1.17) 

где MC – масса садки металла в печи, ;

CT – его средняя теплоемкость в интервале температур нагрева с учетом марки материала MARK;

ALP – коэффициент теплообмена поверхности металла с греющей средой в соответствии с видом нагревательного устройства;

FP – площадь проекции поковки;

TP – температура греющей среды, ;

TN и TO – температура нагрева металла и начальная; величина TN выбирается с учетом марки материала MARK, обычно ТО=20 ;

MPN – средняя производительность печи, задается проектировщиком;

TAUN – рекомендуемое время нагрева в печах согласно размерам изделия DZ и марке материала MARK. 

Параметры CT,TN,TAUN являются  функциями марки материала (MARK), сечения (DZ) и выбираются из массива данных MASi9, i=1, N9. 

Определяем  величину садки:

.                                                                                          (1.18) 

Объем высаживаемой части заготовки: 

                              (1.19)

LF – длина высаживаемой части «горячей» заготовки: 

,                                                                                      (1.20) 

где  DZ – номинальный диаметр «горячей» заготовки. 

     Для определения количества наборных переходов  и их размеров пользуемся правилами  высадки:

отношение PSI= LF/DZ, сравнение его с допустимым значением коэффициента PSId, установление числа переходов. 

     Необходимость применения наборных переходов устанавливают, сравнивая PSI и PSId. Предельный коэффициент высадки определяют из эмпирической формулы: 

.                                                                                 (1.21) 

     Если  , то высадка практически возможна для любой требуемой формы за один ход, т. е. без предварительного набора. Если , то необходим предварительный набор. 

     В зависимости от относительной длины  высадки PSI= LF/DZ и формы высаживаемой части поковки применяют набор металла:

     А) в конических полостях пуансона;

     В) в ручьях матрицы (цилиндрический или  ступенчатый набор);

     Г) в полостях, располагаемых одновременно в пуансонах и матрицах.

     Наиболее  интенсивный набор металла обеспечивается высадкой в конических полостях пуансонов, применение которой предпочтительно. 

Число конических наборных переходов определяется по формуле: 

                                                                    (1.22)

 

где Dsp – средний диаметр высаживаемой части поковки;  

;                                                                                      (1.23) 

m – число характеризующее устойчивость процесса высадки          (m= 0, 69…0, 79).

 

     При наблюдается потеря устойчивости и возможно образование зажимов, складок и одностороннего заусенца, при имеем место неоправданный запас устойчивости. 

Диаметр меньшего основания конуса:

                                                                (1.24) 

где - диаметр меньшего основания заготовки перед высадкой;

n – порядковый номер перехода. 

Диаметр большего основания конуса: 

                                                                  (1.25)

     Если  в результате расчета DB имеет малое значение, необходимо принимать

     При расчете второго и последующих  переходов за диаметр  принимают средний диаметр конуса, получаемого в предыдущем переходе.

     Величину  смещения определяем в месте наибольшего  смещения контуров поковки по формуле: 

,                                                                                     (1.26)

где naib и naim  - соответственно наименьший и наибольший размеры поковки, измеряемые параллельно и по обе стороны поверхности разъема штампа. 

,                                                                                     (1.27)

где DBcm – диаметр большого основания конуса со смещением.  

Длину наборного конуса определяют из выражения: 

                                                                     (1.28) 

где u – коэффициент запаса объема полости ручья, гарантирующего предотвращение образования заусенца при наборе, выбирается из массива данных MASi10, i=1, N10.

     Необходимость применения последующих наборных переходов  определяют по отношению полученной длины конуса к его среднему диаметру Dsp. Если , производят следующий набор в конической полости до тех пор, пока не станет меньше или равно 2,5. 

Потребную силу высадки можно определить по формуле: 

,                                                                               (1.29)

где FP –площадь проекции поковки на плоскость, перпендикулярную к направлению движения главного ползуна;

SIGB – предел прочности штампуемого металла при температуре штамповки;

К –  опытный коэффициент выбирается из массива данных MASi11, i=1, N11, [6], с. 285, рис.254.

. 

     Заключительным  переходом процесса штамповки на ГКМ является операция формовки, которая  осуществляется в окончательном  ручье штампа, размеры которого определяются размерами готовой поковки, с учетом облоя, типа канавки, скорости подстывания материала и усадки материала  при охлаждении.

     На  данной операции поковка принимает  свои окончательные размеры, смотри рис. 1.1.

 Код данного перехода (код OKRAZM) – окончательные размеры детали.

OKRAZM= f (размеры детали). 

Операция  обрезки облоя содержит следующие  коды:

TLN – толщина мостика;

TOB – толщина облоя; 

TOB= f (VIDKAN, MARK), 

где VIDKAN – вид облойной канавки;

MARK – марка материала. 

Для заданного  кода (KIMAT) материала, размеров заготовки выбираем значения из массива данных MASi12, i=1, N12 для выше перечисленных параметров.

Находится сила обрезки облоя: 

USPOB= (1.95…1.88)*PEROB*TOB*SIGB,                                  (1.30) 

где PEROB – периметр обрезки облоя: 

                                                          (1.31)

где TOB – толщина облоя выбирается из массива данных MASi13, i=1, N13 [2], с. 533;

SIGB – предел прочности металла.

Операция  очистки имеет следующие коды: 

VOZ – объем зачищаемой партии;

VIDZ – вид зачистки.

VOZ= f (KACH, PRO);

VIDZ= f (MARK, RACH, PRO),

где KACH – качество поверхности;

PRO – производительность

     Очистка поверхности от окалины для изделий  данной группы возможна двумя способами [3], т.2 ,с.544: механическим способом (код  OCI = 1) и травлением в ваннах  (OCI = 2). Режим процесса:  VIDR - состав раствора; VTRAV - время; SADTR - величина садки согласно типу ванны и размерам изделия. Для малой партии деталей целесообразно делать очистку механическим способом. Для большой партии деталей соответственно - очистка травлением в ваннах. Вид очистки OCI выбирается из массива ОСITi, i=1,N2, в зависимости от размера обрабатываемой партии ROPI, выбираемого из массива ROPITi, i=1,N10, а время очистки этой партии VO – из массива VOTj, j=1,M6.  

     Окончательный контроль изделия (код ОК) осуществляется:

-   по марке  материала (КММ) на стилоскопе - 3 изделия от партии;

-   на соответствие  размеров чертежу (код KRAZ): DG,DP,DLG,DLP,DLOT,DOT - штангенциркулем, RNN– радиусомером или трафаретом, SHY –угломером - 15 % изделий от партии;

-   на отсутствие  внешних дефектов (код DEF) - путем осмотра всех изделий партии с помощью увеличительной лупы. 

     Удаление  обнаруженных дефектов производится на заточном станке на глубину до половины припуска (допуска) с последующим травлением и контролем дефектных изделий (код UDEF). Режимы обработки выбираются из массива RDEFTi, i=1,N4 [2], т.2, с.346, в зависимости от габаритов, назначения поковки и вида дефекта.

Математические  модели разрабатываются для всех альтернативных вариантов, выбранных проектировщиком в начале выполнения проекта (работы). Каждая модель должна содержать критерии и функцию цели для выбора наиболее рационального варианта изготовления конкретного изделия. В их числе могут быть: NRM - норма расхода материала на одно изделие; TR - трудоемкость его изготовления по данному варианту технологии; RASE - стоимость расхода энергии для данного варианта; SED - себестоимость единицы продукции и другиеVIDZ=1 – очистка поверхности в гальтовочном барабане; 

       Рассмотрим второй альтернативный вариант технологического процесса изготовления детали типа «Кран» (KVT=2).

     Вторым  альтернативным вариантом технологического процесса изготовления данной детали принимаем выдавливание из мерной заготовки на специальном гидравлическом прессе. 

Возможен  следующий перечень операций:

1. Резка прутка на мерные заготовки,
2. Индукционный нагрев,
3. Выдавливание изделия за несколько или один переход,
4. Обрезка облоя,
5. Очистка поверхности,
6. Окончательный контроль.

 

     Если  , то данный вариант технологического процесса не применяется из–за возможности осевого изгиба, в противном случае продолжается разработка данного технологического процесса. 

Объем заготовки по второму варианту технологического процесса. 

Объем заготовки, получается, по формуле: