Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ уровня развития конструкций и технологий производства стоек стабилизатора и процессов прессования с наложением ультразвуковых колебаний 9
1.1 Анализ требований, предъявляемых к стойкам стабилизатора 9
1.2 Анализ технологий и конструкций производства стоек стабилизатора
1.3 Использование ультразвука для пластического деформирования и формирования неразъемных соединений 22
1.4 Теоретические методы исследования процессов деформирования материала 26
1.5 Постановка задач исследования 31
2 Создание математических моделей процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний и процесса вырыва пальца из корпуса 33
2.1 Влияние формы пуансона на усилие вырыва пальца из корпуса 33
2.2 Создание конечно-элементной модели процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний 37
2.3 Создание конечно-элементной модели вырыва пальца из корпуса 51
2.4 Выводы по главе 55
3 Разработка технологии процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний 56
3.1 Входные и выходные параметры процесса 56
3.2 Установление зависимости времени прессования с наложением ультразвуковых колебаний от параметров процесса 60
3.3 Выбор условия завершения процесса 71
3.4 Выводы по главе 75
4 Внедрение технологии производства стоек стабилизатора с использованием процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний 76
4.1 Установка прессования с наложением ультразвуковых колебаний в составе сборочной линии 76
4.2 Методики проведенных в работе измерений 80
4.3 Постановка на производство стоек стабилизатора для автомобилей Лада Веста, Рено Дастер, Ниссан Террано 83
4.4 Выводы по главе 87
Заключение 88
Список литературы 89
- Использование ультразвука для пластического деформирования и формирования неразъемных соединений
- Создание конечно-элементной модели процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний
- Установление зависимости времени прессования с наложением ультразвуковых колебаний от параметров процесса
- Постановка на производство стоек стабилизатора для автомобилей Лада Веста, Рено Дастер, Ниссан Террано
Введение к работе
Актуальность работы. Российская автомобильная промышленность имеет тенденции к импортозамещению и локализации производства автомобильной техники и базовых автокомпонентов. Это обуславливается как стратегией развития автомобильной промышленности Российской Федерации на период до 2020-го года, так и соглашениями о промышленной сборке, подписанными Министерством экономического развития и торговли и рядом иностранных автопроизводителей.
Одним из предлагаемых рядом предприятий к локализации изделий является стойка стабилизатора со сферическими шарнирами. Известно, что иностранные производители стоек стабилизатора часто используют конструкцию с формированием неразъемного соединения с помощью процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний, при котором пуансон сообщает деформируемому материалу ультразвуковые колебания, вызывая его нагрев и увеличивая пластичность для более эффективного формоизменения.
В России же такой процесс при производстве стоек стабилизатора ранее не применялся и не исследовался, и в связи с этим на одном из ведущих отечественных предприятий по производству автокомпонентов (шаровых шарниров шасси) встала проблема освоения производства стоек стабилизатора с разработкой и внедрением новой для России технологии – прессования пластмассового вкладыша с наложением ультразвуковых колебаний. Таким образом, в связи с возникшей необходимостью промышленного применения вопрос исследования процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний при производстве стоек стабилизатора является актуальной научно-технической проблемой.
Объектом исследования является процесс производства стоек стабилизатора поперечной устойчивости автомобиля.
Предметом исследования являются инструмент и технология прессования полимерных вкладышей с наложением ультразвуковых колебаний.
Целью работы является разработка инструмента и технологии прессования полимерных вкладышей с наложением ультразвуковых колебаний при производстве стоек стабилизатора автомобилей.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
- анализ технологий изготовления и конструкций стоек стабилизатора;
выбор формы пуансона, обеспечивающей максимально возможное для исследуемой конструкции стойки стабилизатора усилие вырыва шарового пальца из корпуса, с помощью математической модели процесса прессования с учетом реологических свойств материала под воздействием ультразвуковых колебаний;
исследование влияния параметров процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний на время протекания процесса и на прочностные характеристики получаемого соединения;
исследование и выбор возможных условий завершения процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний;
- апробация и промышленное внедрение разрабатываемой технологии
прессования с наложением ультразвуковых колебаний.
Научная новизна работы заключается в следующем:
получены новые научные знания о процессе прессования полимерных изделий с наложением ультразвуковых колебаний, заключающиеся в установлении зависимости времени прессования от амплитуды ультразвуковых колебаний пуансона и усилия прессования;
с использованием математической модели процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний выявлены закономерности формоизменения полимерного вкладыша стойки стабилизатора, обеспечивающие регламентированное усилие вырыва шарового пальца из корпуса.
Теоретическая и практическая значимость работы:
экспериментально получено значение температуры нагрева материала полимерного вкладыша в процессе прессования с наложением ультразвуковых колебаний;
предложена форма пуансона, обеспечивающая максимально возможные для данной конструкции прочностные показатели шарнира, использование этой формы позволило повысить усилие вырыва пальца из корпуса на 40%;
применение разработанных моделей процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний и процесса вырыва шарового пальца из корпуса позволило значительно сократить количество опытных работ по определению рациональной формы пуансона при освоении производства стоек стабилизатора;
на основании выявленных зависимостей между параметрами процесса сформулирован подход к выбору технологического режима процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний и к выбору условия завершения процесса;
получен патент на полезную модель (№157644) на форму корпуса стойки стабилизатора, являющегося матрицей в процессе прессования;
Экономический эффект от внедрения предложенных в работе решений составил 465 тыс. рублей (в ценах 2015-го года).
Степень достоверности результатов. Достоверность разработанных моделей подтверждается их адекватностью с доверительной вероятностью 0,95. Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечивается применением аттестованных приборов и средств измерения. Обоснованность теоретических выводов и результатов экспериментальных исследований подтверждена при постановке на производство стоек стабилизатора в условиях ЗАО НПО «БелМаг».
Положения, выносимые на защиту.
зависимость времени прессования от амплитуды ультразвуковых колебаний и усилия прессования и зависимость усилия вырыва от амплитуды ультразвуковых колебаний;
закономерности формоизменения полимерного вкладыша стойки стабилизатора, обеспечивающие регламентированное усилие вырыва шарового пальца из корпуса.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на ряде научно-технических конференций: 73-й международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования», Магнитогорск, 2015 г., международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные процессы обработки метал-5
лов давлением: фундаментальные вопросы связи науки и производства», Магнитогорск, 2015 г., XIX международной научно-практической конференции «Металлургия: технологии, инновации, качество», Новокузнецк, 2015 г., XII всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство», Старый Оскол, 2015 г.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 8 печатных работах, в том числе в 4 статьях, включенных в перечень ведущих российских рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ; а также в 1 патенте на полезную модель.
Методы исследования. В работе использованы методы оптимального планирования эксперимента и наименьших квадратов для обработки результатов эксперимента, а также метод конечных элементов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, списка использованных источников из 105 наименований, 4 приложений и включает 109 страниц машинописного текста, содержит 40 рисунков и 5 таблиц.
Использование ультразвука для пластического деформирования и формирования неразъемных соединений
Стойка стабилизатора современной конструкции представляет собой, как правило, два однотипных сферических шарнира, соединенных стержнем [5]. В связи с простотой соединительного элемента различные стойки стабилизатора можно классифицировать по конструкциям и технологиям изготовления шарнира. Выделяют две основные технологии производства сферических шарниров стоек стабилизатора. 1. Шарнир с формированием неразъемного соединения пластическим деформированием металла корпуса
Шарнир закатной конструкции с упорной шайбой (рисунок 1.3 а) состоит из металлического корпуса, имеющего сквозную внутреннюю полость для размещения в ней головки шарового пальца, стального шарового пальца, выполненного из полимерного материала вкладыша, охватывающего собой сферическую голову шарового пальца, и упорной шайбы, выполненной из листового металла и поджимающейся завальцовываемым буртом корпуса [10-12].
Виды шарниров стойки стабилизатора поперечной устойчивости с формированием неразъемного соединения пластическим деформированием металла корпуса: а – шарнир закатной конструкции с упорной шайбой, б – шарнир закатной конструкции без упорной шайбы, в – шарнир стойки стабилизатора поперечной устойчивости с глухим корпусом К преимуществам такой конструкции можно отнести возможность реализации значительных усилий вырыва и выдавливания шарового пальца из корпуса, а также некоторое упрощение конструкции вкладыша. Недостатками такой конструкции являются наличие дополнительного элемента конструкции – обоймы, и необходимость применения для сборки шарнира ресурсозатратных операций, связанных с механической обработкой и пластической деформацией металла бурта корпуса.
Шарнир закатной конструкции без упорной шайбы (рисунок 1.3 б), в отличие от предыдущего, не имеет фиксирующей крышки, а завальцовываемый бурт корпуса поджимает непосредственно вкладыш, который со стороны, противоположной резьбовой части шарового пальца, выполнен глухим. [13]
К преимуществам такой конструкции можно отнести возможность реализации значительных усилий вырыва и выдавливания шарового пальца из корпуса, однако меньших, чем у конструкции шарнира с фиксирующей крышкой. Недостатком такой конструкции является наличие необходимости применения для сборки шарнира ресурсозатратных операций, связанных с механической обработкой и пластической деформацией металла бурта корпуса.
Шарнир с глухим корпусом (рисунок 1.3 в) состоит из металлического корпуса, имеющего несквозную внутреннюю полость для размещения в ней головки шарового пальца, стального шарового пальца, выполненного из полимерного материала вкладыша, охватывающего собой сферическую голову шарового пальца, и фиксируемого в полости корпуса обжимаемым буртом. [14-17]
К преимуществам такой конструкции можно отнести возможность реализации максимально возможных усилий вырыва и выдавливания. Недостатками такой конструкции являются наличие необходимости применения для сборки шарнира ресурсозатратных операций, связанных с механической обработкой и пластической деформацией металла бурта корпуса, а также повышенная по сравнению с прочими конструкциями масса изделия.
Шарнир с формированием шарнирного соединения за счет специальной геометрии вкладыша (рисунок 1.4 а) состоит из металлического корпуса, имеющего сквозную внутреннюю полость для размещения в ней головки шарового пальца, стального шарового пальца, выполненного из полимерного материала вкладыша, охватывающего собой сферическую голову шарового пальца, причем конструктивно вкладыш выполнен таким, чтобы создавать неразъемное соединение его деформацией путем приложения усилия к его торцу. [18, 19]
К преимуществам такой конструкции можно отнести минимальную массу изделия, простоту сборки, упрощение конструкции корпуса за счет отказа от деформируемого бурта корпуса и проточки под чехол. Недостатками такой конструкции являются низкое усилие вырыва и выдавливания шарового пальца из корпуса, применение вкладыша сложной конструкции.
В шарнире с формированием неразъемного соединения прессованием бурта вкладыша с наложением ультразвуковых колебаний, в отличие от предыдущего, неразьемное соединение формируется за счет пластических деформаций вкладыша путем приложения усилия и подачи через пуансон ультразвуковых колебаний [20-23] (рисунок 1.7).
К преимуществам такой конструкции можно отнести минимальную массу изделия и упрощение и снижение стоимости конструкции корпуса за счет отказа от деформируемого бурта корпуса и проточки под чехол, что позволяет получать корпус шарнира холодной объемной штамповкой в требуемых размерах с отказом от последующей механической обработки. Недостатками такой конструкции являются относительно низкое усилие вырыва и выдавливания шарового пальца из корпуса.
Стоит отметить, что выбор конструкции шарнира и технологии его сборки оказывает влияние на массу и себестоимость изделия, а также на прочностные показатели шарнира: усилие вырыва и выдавливания пальца из корпуса. Сравнительный анализ конструкций стоек стабилизатора с целью выявить их соответствие требованиям, предъявляемым потребителями, приведен в таблице 2. Таблица 2. Сравнение различных типов шарниров стоек стабилизатора Обеспечение требований Шарнир С деформированием металла корпуса С деформированием материала вкладыша Супорнойшайбой Безупорнойшайбы С глухим корпусом Соспециальной геометрией вкладыша Спрессованиемвкладыша Усилиевырыва, Н, не менее 4000 4000 10000 2500 2500 Усилие выдавливания, Н, не менее 10000 8000 - 4000 5000 Масса, кг, не более 0,43 0,39 0,49 0,35 0,34 по данным ЗАО НПО БелМаг для стойки стабилизатора с межосевым расстоянием 300 мм и диаметром сферы шарового пальца 19 мм
Подводя итог, можно отметить, что стойки стабилизатора поперечной устойчивости с формированием шарнирного соединения за счет специальной геометрии вкладыша и стойки стабилизатора поперечной устойчивости с формированием неразъемного соединения прессованием с наложением ультразвуковых колебаний имеют наименьшие массу и себестоимость, однако несколько пониженные усилия вырыва и выдавливания шарового пальца из корпуса ограничивают область их применения легковыми автомобилями.
Создание конечно-элементной модели процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний
Предлагаемая к созданию конечно-элементная модель предназначена для расчета деформации бурта вкладыша при перемещении пуансона в соответствии с заданными свойствами материалов, геометрией деталей, входящих в модель, граничными условиями контакта, закрепления и приложения нагрузки. Модель допускает варьирование геометрическими размерами пуансона с целью оценки их влияния на форму получаемого бурта вкладыша. Также модель может быть применена для варьирования материалом вкладыша и его геометрическими размерами [71, 72].
Для сокращения затрат машинного времени при создании конечно-элементной модели рассматривалась 1/12 часть шарнира c наложенными граничными условиями осесимметричности.
В состав конечно-элементной модели входят модели шарового пальца, кольца корпуса, вкладыша и пуансона. Шаровой палец выполнен из легированной стали, причем в конечно-элементной модели используется только сфера шарового пальца для сокращения количества элементов. Кольцо корпуса выполнено из малоуглеродистой стали, и, в связи с предъявляемыми некоторыми потребителями требованиями по непровороту вкладыша в корпусе, имеет насечки (рисунок 2.4, а), заполняемые материалом вкладыша в процессе прессования с наложением ультразвуковых колебаний. В связи с малыми размерами насечек учет их в модели представляет значительную трудность, выражающуюся в необходимости уменьшать характерный размер конечного элемента, что влечет за собой увеличение затрат машинного времени для проведения моделирования. Кроме того, проведенные эксперименты показали, что размер, форма и количество насечек не оказывают влияния на процесс деформации бурта вкладыша при прессованиии с наложением ультразвуковых колебаний. В связи с этими соображениями в расчетной модели насечки заменены фаской из условия равенства объемов материала реального кольца корпуса и его модели (рисунок 2.4 б).
Вкладыш имеет форму, представленную на рисунке 2.5 а. С конструкторской точки зрения геометрию вкладыша следует разрабатывать отдельно для каждого проектируемого шарнира, однако на практике, из-за значительной стоимости применяемой для производства подобных полимерных изделий оснастки и больших сроков ее изготовления, конструкции вкладышей стараются максимально унифицировать, в связи с чем варьирование какими-либо геометрическими параметрами деформируемого бурта с целью повышения потребительских свойств шарнира стойки стабилизатора зачастую невозможно. Так, с помощью создаваемой модели можно исследовать влияние размеров исходного бурта вкладыша на процесс прессования и форму конечного бурта, однако по экономическим причинам используется вкладыш, геометрические размеры бурта которого являются входными параметрами для расчета и не могут быть изменены. Кроме того, с целью упрощения конечно-элементной модели из расчетной модели вкладыша исключены некоторые удаленные от деформируемого бурта элементы, такие как смазочные канавки на внутренней поверхности вкладыша и ребра жесткости (рисунок 2.5 б). Эти элементы выполняют свои функции в процессе эксплуатации шарнира, но не оказывают влияния на процесс прессования с наложением ультразвуковых колебаний.
Вкладыш выполнен из материала Delrin 100 – высоковязкого ацетального гомополимера (полиоксиметилена или полиформальдегида), отличающегося от традиционно применяемых в шаровых шарнирах отечественной автомобильной промышленности сополимеров триоксана с этиленоксидом отсутствием молекул со-мономеров в полимерных цепочках и увеличенной кристалличностью [73] (рисунок 2.6).
Такое различие в структурах обеспечивает гомополимерам по сравнению с сополимерами лучшие прочностные характеристики, большую размерную стабильность и пониженный износ в паре трения. Следует отметить, что с ростом температуры прочностные и упругие свойства гомополимеров падают. Так, Delrin 100 при комнатной температуре имеет модуль упругости 2950 МПа, при 80С 1200 МПа, а при 120С уже 800МПа [74] (рисунок 2.7 а). Аналогично, предел текучести данного материала при комнатной температуре составляет 71МПа, при 80С
Эти свойство гомополимеров положено в основу процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний: пуансон при касании бурта вкладыша останавливается в силу недостаточности развиваемого усилия для формоизменения имеющего нормальную температуру материала и ультразвуковыми колебаниями разогревает его, снижая прочностные характеристики гомополимера до пределов, при которых прессование становится возможным.
Характеристики материала Delrin 100 [74]: а – зависимость модуля упругости от температуры, б – семейство кривых «напряжение-деформация» при разных температурах Как показали измерения, материал бурта в процессе прессования разогревается до температуры 110-130С (рисунок 2.8). Некоторое непостоянство температур, указанных на рисунке, может объяснено случайными факторами (различное сочетание допусков, непостоянная исходная температура и т.д.), а значительные перепады температуры – несовершенством методики измерения. Так, из-за необходимости осуществлять замер температуры сразу после окончания процесса прессования тепловизор был размещен сбоку от шарнира, таким образом, реальные значения температуры можно наблюдать не по всей окружности бурта, а только на боковых сегментах бурта вкладыша, дальний же и ближний сегменты имеют пониженное значение температуры (в соответствии с рисунком 2.8 это значение составляет 70-100С).
Указанное свойство гомополимеров требует учета в конечно-элементной модели процесса прессования: на рисунке 2.9 показана область вкладыша, которая в модели считается обладающей повышенными пластическими и пониженными прочностными свойствами, присущими материалу вкладыша при температуре 120С. Помимо нагрева, свойства материала зависят также и от скорости деформации [75]. Так, при ультразвуковых колебаниях пуансона с частотой 20 кГц и амплитудой 80 мкм его виброскорость достигает 10 м/с, что оказывает упрочняющее воздействие на материал вкладыша, которое может быть вычислено по формуле [76,77, 78, 79]: где ад - динамический предел текучести, МПа, а - статический предел „ 3 текучести, МПа, р - плотность материала, кг/м , v - скорость пуансона, м/с. Однако даже для указанных виброскоростей пуансона последнее слагаемое приведенной формулы не превышает 0,15 Мпа, составляя менее 1% от а, таким образом, им можно пренебречь.
Установление зависимости времени прессования с наложением ультразвуковых колебаний от параметров процесса
Помимо формы инструмента, важным фактором, оказывающим влияние на характеристики сформированного в процессе прессования бурта вкладыша стойки стабилизатора, является режим прессования – совокупность значений варьируемых и неизменных параметров процесса. Введем следующие параметры процесса, влияющие на осуществление прессования с наложением ультразвуковых колебаний: амплитуда А – амплитуда вертикальных ультразвуковых колебаний пуансона [82]; частота - частота вертикальных ультразвуковых колебаний пуансона; усилие поджатия Pпод – усилие поджатия пуансона, при достижении которого начинается генерация и подача в зону деформации ультразвуковых колебаний; усилие прессования Pпр – усилие, с которым осуществляется процесс прессования с наложением ультразвуковых колебаний. Имеющееся технологическое оборудование позволяет варьировать тремя параметрами ультразвуковых колебаний: амплитудой, усилием прессования и усилием поджатия. Частота же ультразвуковых колебаний остается приблизительно постоянной и равной около 20000 Гц, а незначительные колебания ее вокруг этого значения объясняются случайными факторами (рисунок 3.1).
В связи с тем, что оборудование, осуществляющее процесс прессования с наложением ультразвуковых колебаний, встроено в автоматическую сборочную линию, то первым ограничением, накладываемым на процесс, является время цикла прессования, которое должно обеспечивать требуемые показатели производительности. В связи с этим возникает необходимость исследования влияния параметров прессования с наложением ультразвуковых колебаний на время осуществления процесса прессования.
Поскольку осуществление исследуемого процесса основано на нагреве материала вкладыша с целью повышения его пластичности и дальнейшего пластического деформирования, то очевидно, что скорость деформации и время протекания процесса будут зависеть от скорости нагрева материала вкладыша, то есть от подаваемой в зону деформации энергии, затрачиваемой на повышение температуры и на пластическое деформирование материала вкладыша.
Энергия в зону прессования усилием Pпр, осуществляется также подача ультразвуковых колебаний с амплитудой А и частотой . С учетом того, что частота ультразвуковых колебаний на имеющемся оборудовании остается приблизительно постоянной, для выбора режима прессования представляет интерес отыскание следующей зависимости времени протекания процесса прессования t от указанных параметров: t=t(Pпр, А) (3.1) Кроме того, аналитически, исходя из физических представлений о природе протекания процесса прессования подается двумя способами: помимо собственно прессования с с наложением ультразвуковых колебаний, представляется неясным влияние усилия поджатия Pпод на время прессования. Таким образом, одной из задач исследования представляется отыскание такой зависимости или подтверждение её практического отсутствия.
Также, как показали эксперименты, на некоторых режимах прессования с наложением ультразвуковых колебаний при подаче колебаний начинается выкрашивание фрагментов материала вкладыша значительного размера и их разлет под действием ультразвука. При этом полученный на таких режимах прессования бурт вкладыша имеет несплошности, обладает пониженной прочностью и не может обеспечить требуемое усилие вырыва пальца стойки стабилизатора из корпуса. Так как процесс прессования с наложением ультразвуковых колебаний из-за вертикальных колебаний инструмента, которые могут достигать на некоторых режимах 0,2 мм, можно представить как серию ударов пуансона по вкладышу с частотой приблизительно 20000 Гц, вызывающих в материале ударные волны сжатия и разрежения [83], процесс выкрашивания материала вкладыша во время прессования можно связать с параметрами ультразвуковых колебаний, а именно с амплитудой [84]. Соответственно, требуется найти диапазон амплитуд ультразвуковых колебаний, при котором выкрашивание материала вкладыша будет минимальным.
Кроме того, помимо технологических параметров режима прессования, обеспечивающих необходимое течение процесса, большую важность представляет также выбор и назначение условия завершения процесса.
Так, при слишком раннем завершении процесса бурт вкладыша окажется недопрессованным, что приведет к снижению его прочностных характеристик [85]. При слишком позднем завершении процесса может произойти упор колеблющегося в вертикальном направлении пуансона в металлический корпус стойки стабилизатора, что приведет к повышенному износу пуансона, а также может вызвать аварию и поломку дорогостоящих элементов оборудования для прессования с наложением ультразвуковых колебаний [85].
В программном обеспечении предусмотрено пять видов условий завершения процесса: по затраченной на генерацию ультразвуковых колебаний энергии, по достижению определенного хода пуансона от начала прессования или от исходного положения, по достижению заданного времени прессования, по касанию пуансоном металла корпуса стойки стабилизатора. Однако на имеющемся технологическом оборудовании последний из способов не реализован, поэтому выбор необходимо осуществлять из первых четырех способов.
С целью установления зависимости времени прессования с наложением ультразвуковых колебаний от параметров процесса были проведены две серии экспериментов: в первой варьировались амплитуда ультразвуковых колебаний пуансона и усилие прессования при постоянном усилии поджатия пуансона, во второй серии варьировались амплитуда ультразвуковых колебаний пуансона и усилие поджатия при постоянном усилии прессования пуансона [86, 87].
Пределы варьирования параметров процесса прессования при проведении экспериментов были определены исходя из имеющихся первоначальных данных о процессе [88], предварительно проведенных экспериментов и технологических ограничений, накладываемых имеющимся оборудованием.
Амплитуда колебаний варьировалась от 50 мкм до 100 мкм с шагом 10 мкм (6 значений), усилие прессования менялось от 1800 Н до 2200 Н с шагом 200 Н (3 значения), усилие поджатия при проведении экспериментов выбиралось из ряда 1200, 1500, 1800 Н (3 значения). Таким образом, для каждого эксперимента минимальным количеством опытов является 6х3=18 [90], однако в силу малой изученности процесса на каждой комбинации параметров проводилось два эксперимента. Полученное число экспериментов (36) обеспечивает случайную ошибку менее 0,4 среднеквадратических отклонения с надежностью 95% [89].
Для минимизации влияния случайных факторов (напряжение в электрической сети, давление воздуха в пневмосети, температура и размеры деталей и т.д.) эксперименты были проведены подряд в кратчайшее время на одной партии комплектующих изделий. Условие завершения процесса оставалось постоянным для всех экспериментов, а контроль времени осуществления процесса осуществлялся автоматически, с помощью установленного в технологическом оборудовании программного обеспечения. Кроме того, перед началом экспериментов во избежание длительного нагружения элементов оборудования ультразвуковыми полями было установлено предельное значение времени, после которого генерация ультразвуковых колебаний прекращалась вне зависимости от достижения поставленного критерия завершения процесса – 10 секунд.
Постановка на производство стоек стабилизатора для автомобилей Лада Веста, Рено Дастер, Ниссан Террано
Для реализации процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний использована установка фирмы Branson (рисунок 4.1), встроенная в линию по производству стоек стабилизатора.
Установка прессования с наложением ультразвуковых колебаний фирмы Branson, 1 – конвертер, 2 – бустер, 3 – пуансон, 4 – прижим, 5 – стойка стабилизатора Подача пуансона и прессование осуществляются от пневмосети с входным давлением 5,5…5,8 атм., а генератор колебаний, питающийся от электрической сети 220 В, создает ультразвуковые колебания с амплитудой ±10 В, преобразуемые конвертером 1 в механические колебания. Бустер 2 выбирается с целью обеспечения необходимого увеличения амплитуды ультразвуковых колебаний. В реализованной установке бустер увеличивает амплитуду в 4 раза и передает колебания на пуансон [94, 95]. Пуансон 5 выполнен в виде составного ступенчатого концентратора с переходным экспоненциальным участком (рисунок 4.2). Такая форма является одной из наиболее эффективных для использования в технологическом оборудовании, реализующем ультразвуковые колебания. Она позволяет, как и на обычных ступенчатых концентраторах, получать высокие значения коэффициента усиления амплитуды, при этом наличие переходного экспоненциального участка уменьшает концентрацию напряжений и обеспечивает более благоприятные условия для распространения колебаний, улучшает прочностные свойства пуансона и способность трансформировать нагрузку без существенного изменения резонансного режима в колебательной системе [96]. Недостатком ступенчатого концентратора является резкое изменение входного сопротивления при изменении частоты [96], однако, в связи с тем, что станция предназначена для работы на постоянной частоте 20 кГц, этот недостаток не является существенным.
Станция способна реализовывать параметры режима в пределах, указанных в таблице 4. Условия для работы станции указаны в таблице 5.
Установка Branson, а – до начала процесса прессования, б – в процессе прессования (прижим отключен), в – после прессования В связи с тем, что в процессе прессования материал бурта вкладыша достигает вязкотекучего состояния, возможна его адгезия с пуансоном. Для исключения выдергивания стойки стабилизатора из оснастки при обратном ходе пуансона после завершения процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний в станции реализован прижим 4 (рисунок 4.1).
Стоит отметить, что управляющим станцией компьютером реализован контроль выполнения условий завершения процесса, определенных в работе (непревышение времени прессования, превышение хода пуансона от начала прессования, расход затраченной на генерацию ультразвуковых колебаний энергии). При недостижении хотя бы одного из условий стойка стабилизатора считается бракованной и оператору подается сигнал, причем сборочная линия не может продолжать работу до тех пор, пока бракованное изделие не помещено в изолятор брака.
Для обеспечения достоверности измерений, проводимых в процессе разработки технологии прессования с наложением ультразвуковых колебаний, они проводились только поверенными средствами измерения и, при необходимости, по согласованным с потребителем методикам.
Так, для определения температуры, до которой разогревается вкладыш в процессе прессования с наложением ультразвуковых колебаний (рисунок 2.8), были проведены эксперименты, в которых температура вкладыша замерялась тепловизором Flir i60, поверенным [97] в диапазоне измерений от минус 20С до плюс 350С, в момент начала обратного хода пуансона, т.е. сразу по завершению процесса прессования. Необходимо отметить, что на первых нескольких вкладышах после пуска процесса замеренная температура была пониженной по сравнению с последующими, что объясняется разогревом оборудования, оснастки и пуансона при начале работы. Эти замеры не являлись зачетными. Для определения фактических параметров процесса прессования с наложением ультразвуковых колебаний, таких как зависимость перемещения пуансона от времени прессования (рисунок 2.10), зависимость усилия прессования от перемещения (рисунок 2.13), зависимость частоты колебаний от времени (рисунок 3.1) и время завершения процесса (рисунки 3.2-3.5) использовались данные управляющего станцией компьютера (рисунок 4.4).
Эксперименты по определению усилия вырыва пальца из корпуса (рисунок 2.16, рисунок 3.7, таблица 5) проводились на поверенной универсальной разрывной машине TIRAtest 2300 (рисунок 4.5), регистрирующей перемещение траверсы с точностью 0,01 мм и усилие на траверсе с точностью 10 Н. Испытания проводились по методике, согласованной с потребителем [98]: в соответствии со схемой испытаний, приведенной на рисунке 4.6. Скорость ползуна разрывной машины в соответствии с методикой составляла 4 мм/мин.
Изложенный в первой главе анализ требований, предъявляемых к стойкам стабилизатора, и анализ технологий и конструкций изготовления позволили на основе предъявляемых к изделию требований на стадии проектирования сделать выбор в пользу конструкции с формированием неразъемного соединения прессованием бурта вкладыша с наложением ультразвуковых колебаний. На основании выбранной конструкции разработаны комплекты конструкторской документации для производства стоек стабилизатора для автомобилей Лада Веста, Рено Дастер и Ниссан Террано, включающие в себя габаритные, сборочные и рабочие чертежи, а так же спецификации и технические условия [98, 99].
На поставленном оборудовании были собраны прототипы изделий. Для сборки применялся пуансон с профилем рабочей поверхности, определенным во второй главе работы для обеспечения максимально возможного усилия вырыва. Технологический режим прессования с наложением ультразвуковых колебаний был назначен исходя из соображений, изложенных в третьей главе работы.
Проведенные испытания показали необходимость введения в конструкцию стойки стабилизатора дополнительной фиксации вкладыша от проворота в корпусе в связи с тем, что при прессовании с наложением ультразвуковых колебаний происходит исключительно деформирование материала вкладыша, а адгезия его с металлом корпуса на практике отсутствует. Обеспечить необходимый момент проворота за счет диаметрального натяга в соединении вкладыш-корпус тоже не представляется возможным, так как увеличение натяга оказывает негативное влияние на другие характеристики шарнира, такие как долговечность, моменты качания и вращения пальца в корпусе и т.д.
В связи с этим, для обеспечения требований по моменту проворота вкладыша стойки стабилизатора введены насечки на корпусе стойки стабилизатора (рисунок 4.8 а). В процессе прессования материал, нагреваясь, становится более пластичным и в процессе прессования заполняет собой насечки [100] (рисунок 4.8 б).
Также, вместо насечек на грани представляется возможным использование для фиксации вкладыша от проворота насечки на торце корпуса или на внутренней поверхности корпуса с аналогичным механизмом фиксации. В связи с тем, что кольцо корпуса стойки стабилизатора выполняется холодной объемной штамповкой, такие насечки могут быть выполнены непосредственно в процессе штамповки, что почти не отражается на цене изделия [101, 102].