разработка и моделирование процесса горячей штамповки поковки квадратного фланца подшипникового узла сельскохозяйственных машин

Введение

За последние 15 лет урожайность сельскохозяйственных культур и, в частности зерновых, выросла в несколько раз. Увеличилась нагрузка на машины и повысились требования к стабильности их работы. Сельскохозяйственные машины в настоящее время ориентированы на срок службы 20 лет, а не как легковые автомобили на 5 лет, и должны быть доступны для стран с высокой урожайностью зерновых культур, но не с высоким национальным доходом, например, Индии.
Для России это тоже важно, т.к. эти детали были импортными и сейчас необходимо обеспечить импортозамещение.
Цель работы - повысить работоспособность подшипникового узла, используемого во многих машинах. Особенно актуальная эта задача для сельскохозяйственных машин. Задача решается путем изменения технологии изготовления узла, т.е. заменой литья на горячую штамповку.
Горячая объемная штамповка - процесс получения поковок, при котором формообразующую полость штампа принудительно заполняют металлом исходной заготовки и перераспределяют в соответствии с заданной конфигурацией. Горячая объёмная штамповка (ГОШ) представляет собой востребованный вариант обработки металлов давлением, в ходе которой поковка из определенной заготовки оформляется в окончательную конструкцию детали при помощи штампа (при изменении температуры до ковочной). Выступы и поверхностные полости (они находятся в отдельных зонах штампового инструмента) ограничивают течение металла. На финальной стадии штамповки они создают замкнутый единый ручей (полость), соответствующий конфигурации поковки.
Исходным материалом для горячей объемной штамповки являются сортовой прокат, прессованные прутки, литая заготовка.
Метод достижения цели работы:
- выбор материала корпуса подшипника,
- выбор конструкции детали корпус подшипника,
- обоснование и выбор метода получения заготовки,
- расчеты припусков и допусков детали,
- оформление чертежей холодной и горячей поковки,
- определение параметров основного и вспомогательного оборудования,
- конструирование штампа для окончательной штамповки,
- конструирование штампа для обрезки облоя и пробивки перемычки,
- составление технологической карты.
В первой главе рассмотрена конструкция Подшипникового узла, сделан анализ конструкции детали Корпус подшипника, произведена разработка техпроцесса производства нашей детали.
Во второй главе рассмотрено выполненное компьютерное моделирование процесса горячей штамповки.
В третьей главе рассмотрены вопросы автоматизации процесса штамповки и проектирования штамповочного участка.
В четвертой главе рассмотрены особенности экономического расчета процесса изготовления поковки.
В пятой главе рассмотрены вопросы безопасности на кузнечно-штамповочном производстве.









Глава 1. Разработка технологии много переходной горячей штамповки поковки Подшипникового узла
1.1 Описание конструкции подшипникового узла
Подшипниковый узел UCF211 состоит из шарикового радиального подшипника UС211, который имеет вытянутое внутреннее кольцо для осуществления посадки на вал, и квадратного фланцевого корпуса F211 с четырьмя отверстиями. Они могут входить и в состав других подшипниковых узлов (тот же подшипник в другом корпусе и наоборот), поэтому поставляться узел может как в собранном виде, так и в виде составных частей, достаточно заменить выработавший ресурс подшипник, а не узел целиком. Материал корпуса - чугун (реже, для особых условий эксплуатации, например, в химической промышленности, используется сталь, каучук, пластик, нержавейка и др.).
Крепление на валу осуществляется при помощи стопорных винтов под шестигранник, что отличает серию UC от UK (закрепительная втулка), и HC (эксцентрик) и их аналогов. Монтаж в корпус происходит относительно легко за счет сферической поверхности наружного кольца (самоустанавливающийся).

Рисунок 1.1 – Подшипниковый узел UCF211 и подшипник UC211 (ISO)

Размеры подшипника: 55х100х55,6 мм; d = 55 мм; D = 100 мм; В = 55,6 мм; С = 25 мм; S = 22,2 мм; S1 = 33,4 мм; F = 7 мм; G = 10 мм; М = М10х1 мм, есть уплотнение, масса 1,11 кг.

1.2 Выбор материала корпуса подшипника
При крупносерийном производстве наиболее рациональным, дешевым является метод получения заготовок корпуса для подшипников методом литья. Но за последние 15 лет урожайность сельскохозяйственных культур и, в частности зерновых, выросла в несколько раз.
Увеличилась нагрузка на машины и повысились требования к стабильности их работы. Сельскохозяйственные машины в настоящее время ориентированы на срок службы 20 лет, а не как легковые автомобили на 5 лет, и должны быть доступны для стран с высокой урожайностью зерновых культур, но не с высоким национальным доходом, например, Индии.
Для России это тоже важно, т.к. эти детали были импортными и сейчас необходимо обеспечить импортозамещение.
Поэтому я выбираю штамповку недорогой, но достаточно прочной среднеуглеродистой стали. Для изготовления детали корпус выбрана сталь 25 ГОСТ 1050-2013.
Я буду применять квадратный прокат, что, как я считаю, обеспечит сокращение подготовительных операций.

Таблица 1.1 – Механические свойства стали 25 ГОСТ 1050-2013 в интервале ковочных температур и при 20°С

Температура испытаний,°С σ_0,2,
МПа σ_в,
МПа δ_5,
% Ψ,
%
20 275 450 23 50
700 131 150 42 76
800 70 98 57 78
900 48 81 53 95
1000 41 55 60 100
1100 24 39 60 100
1200 14 23 101 100
1300 20 25 67 100



1.3 Конструкция детали Корпус подшипника
Форма детали в плане – квадратная. Деталь имеет ступенчатый выступ – 26 мм и 4 выступа по диагонали – высотой 2 мм. Центральное отверстие сквозное ступенчатое. По диагонали деталь имеет 4 отверстия диаметром 17 мм. В центральном выступе имеется боковое резьбовое отверстие для смазки М6-7Н.
За оптимальный способ штамповки выбирается такой способ, который отвечает основной технологической задаче, а именно обеспечение требуемого качества при минимальной себестоимости. Деталь Корпус подшипника можно штамповать на молотах и КГШП в открытых и закрытых штампах.
В закрытых штампах надо очень точно рассчитывать объем заготовки, а это очень трудоемко, поэтому выбираем штамповку в открытом штампе.
Преимущества штамповки на КГШП:
- повышенная точность размеров (применяются колонки и втулки);
- увеличенный коэффициент использования металла (возможность уменьшить штамповочные уклоны и припуски: наличие выталкивателей);
- улучшенные условия труда (меньше шума и вибраций);
- возможность применения автоматических перекладчиков заготовок;
- более высокая производительность;
- более высокий КПД;
- снижение себестоимости продукции эксплуатационной стоимости.
Недостатки штамповки на КГШП:
- более высокую стоимость КГШП при сопоставимых мощностях КГШП и молота;
- возможность заклинивания и поломки прессов при крайнем нижнем положении ползуна;
- меньшая универсальность – из-за жесткого хода ползуна не применяют протяжку и подкатку заготовок;
- необходимость очистки заготовок перед штамповкой от окалины (окалина может быть заштампована в поверхность поковки);
- необходимость применения большего числа ручьев;
- боле сложные конструкции штампов и их регулирование.
Выбираем штамповку на КГШП из-за повышенной точности размеров, улучшений условий труда, боле высокой производительности.
По классификации поковок [3], штампуемых на КГШП нашу поковку можно отнести к группе I (осесимметричные поковки, изготавливаемые осадкой в торец или осадкой с одновременным выдавливанием, т.е. поковки круглые в плане или близкие к этой форме, в том числе и квадратные и близкие к квадратным в плане), подгруппе 2. Поковки второй подгруппы штампуют за два перехода с применением площадки для осадки и окончательного ручья. Заготовку укладывают в ручей вертикально на торец.
Второй вариант получения штампованной детали: осадка, выдавливание цилиндрической части, а затем оформление квадратного фланца в окончательном ручье.
Выбираем первый вариант: осадка и штамповка в окончательном ручье.


1.3 Выбор КГШП и соответствующий способ изготовления детали
1.3.1 Определение исходного индекса
Для определения исходного индекса использована методика, приведенная в [5].

Рисунок 1.2 – Блок – схема определения исходного индекса поковки U

Начертим чертеж и построим чертеж детали и 3D модель детали.




Рисунок 1.3 – 3D модель Корпуса подшипника

Снимаем с бобышек слой металла 20 мм на длину 32 мм торцовой фрезой или крупной концевой фрезой диаметром более 32 мм. Приспособление – поворотный стол. Станок – вертикально фрезерный 6Р11 или с ЧПУ 6Р11Фз-1. Слой снимается под шайбу или под головку болта.
Объем заготовки V=0,00033 м^3
Масса заготовки М=V∙ρ=0.00033∙7860=2,58 кг.

Расчетная масса поковки:
G_п=G_д∙К_р
где G_п – расчетная масса поковки, кг;
G_д – масса детали, кг;
К_р – расчетный коэффициент.
Выбираем деталь группа 2.2 – квадратная, К_р=1,3…1,7.
G_п=2,58∙1,6=4,2 кг.
Назначаем класс точности поковки: для КГШП предлагаются классы точности Т4 и Т5. Принимаем класс точности Т4.
Группа стали: М1 – сталь с массовой долей углерода до 0,35% и суммарной массовой долей легирующих элементов до 2,0%.
Степень сложности определяется путем вычисления отношения массы поковки к массе геометрической фигуры, в которую вписывается деталь:
С=G_п/G_ф
Длина стороны параллелепипеда простой фигуры равна:
В_ф=В_max∙1.05=162∙1,05=170,1 мм
Высота параллелепипеда:
Н_ф=Н_max∙1.05=43∙1,05=45,15 мм
Масса простой фигуры:
G_ф=В_max∙В_max∙Н_max∙ρ=〖0,1701〗^2∙0,04515∙7860=10,3 кг.
С=4,2/10,3=0,41
Следовательно, степень сложности: С2.
Исходный индекс – условный показатель, учитывающий в обобщенном виде суммы конструктивных характеристик и массу поковки.
Определим по формуле и номограмме.
U=N+V+C+2∙(T-1)-2=5+1+2+6-2=12.
По номограмме: также исходный индекс равен 12.
Принимаем: плоскость разъема штампа – П (плоская).

1.3.2 Определение припусков и допусков поковки

Для назначения размеров поковки воспользуемся блок – схемой для определения припусков [5].

Рисунок 1.4 – Блок – схема для определения припусков

Для наружного размера 162 х 162 мм - не подвергается механической обработке, просто устанавливаем допуск на размер 〖162〗_(-1,1)^(+2,1) мм.
Для толщины корпуса 43 мм – размер подвергается обработке только с одной стороны с шероховатостью Ra = 2,5 мкм: 43+1,8+0,3=45,1 мм. Принимаем 〖45〗_(-0,8)^(+1,4) мм.
Для толщины фланца корпуса 17 мм – размер подвергается обработке только с одной стороны с шероховатостью Ra = 2,5 мкм: 17+1,6+0,3=18,9 мм. Принимаем 〖19〗_(-0,7)^(+1,3) мм.
Для толщины фланца корпуса 19 мм – размер подвергается обработке только с одной стороны с шероховатостью Ra = 2,5 мкм: 19+1,6+0,3=20,9 мм. Принимаем 〖21〗_(-0,7)^(+1,3) мм.
Для внутреннего диаметра ∅142 мм, который не подвергается обработке, определяем только допуски на размер: 〖∅142〗_(-1,0)^(+1,8) мм.
Рассмотрим глубину отверстия диаметром Ø142 – 7 мм, отсчет данного размера идет от обрабатываемой поверхности с шероховатостью Ra = 2,5 мкм: 7+1,3+0,3=8,6 мм. Принимаем 9_(-0,7)^(+1,3) мм.
Штамповочные уклоны облегчают удаление поковки из ручья и не должны превышать величин, установленных ГОСТ 7505.
Принимаем штамповочные уклоны наружные - 5°, внутренние - 7°.
Радиусы закруглений наружных углов – 2,5 мм (минимальный).
Допускаемые отклонения линейных размеров поковок назначаются в зависимости от исходного индекса и размеров поковки.
Допускаемые отклонения внутренних размеров поковки должны устанавливаться с обратными знаками.
Допуск размеров, не указанный на чертеже поковки, принимается равным 1,5 допуска соответствующего размера поковки с равными допускаемыми отклонениями.

Таблица 1.3 – Результаты расчетов
Исходные данные детали Данные поковки, мм
Номи-нальный
Размер, мм Шеро-хова-тость,
Ra Припуски Оконч.
размер Допуск
Основ-ные, мм Дополнительные Общий
размер
Смещ. по пов-ти разъема Откло-
нение от плос-кост-ности
Ø96,3 1,6 1,7 0,3 2,0 Ø92 +0,8
-1,4
17 2,5 1,6 0,3 1,9 19 +1,3
-0,7
162 12,5 162 +2,1
-1,1
43 2,5 1,8 0,3 2,1 45 +1,4
-0,8
7 12,5 1,3 0,3 1,7 9,0 +1,3
-0,7
Ø142 12,5 Ø142 +1,0
-1,8
19 2,5 1,6 0,3 1,9 23 +1,3
-0,7
116 12,5 Ø116 +1,8
-1,0
Напуски
Штамповочный уклон Радиусы скругления
на наружной поверхности 5 Радиус закругления наружных углов 2,5
на внутренней поверхности 7 Радиус закругления внутренних углов 8

Допускаемая величина смещения по поверхности разъема штампа определяется в зависимости от массы поковки, конфигурации поверхности разъема штампа и класса точности, ее значение: 0,7 мм.
Допускаемая величина остаточного облоя определяется в зависимости от массы поковки, конфигурации поверхности разъема штампа и класса точности. При пробивке отверстия эта величина может быть увеличена в 1.3 раза. Допускаемая величина равна 0,9 мм.
Допускаемая величина высоты заусенца - 5,0 мм.
Допускаемое наибольшее отклонение от концентричности - 1,5 мм.
Допускаемые отклонения по изогнутости, от плоскостности -1,0 мм.
Допускаемое отклонение от соосности непробитых отверстий (наметок) в поковках принимается не более 1,0% глубины отверстия (наметки): 45∙0,01=0,45 мм.
Допуск радиусов закруглений внутренних и наружных углов поковок для класса точности Т4 для радиусов до 4 мм включительно – 1,0 мм, для радиуса свыше 6 до 10 мм – 3 мм.
Конструирование перемычек и наметок отверстий.
Воспользуемся блок – схемой проектирования наметки отверстия.