Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 11
1.1 Служебное назначение изделий и анализ их конструкции 14
1.2 Технология производства таблеток, принцип работы таблетпрессов 18
1.3 Выводы 23
Глава 2. Исследование и анализ действующих технологических процессов изготовления прессового инструмента для таблетпрессов 25
2.1 Анализ требований обеспечения геометрической точности плоскоцилиндрических таблеток 26
2.2 Роторный таблетпресс и его технологические размерные связи 30
2.2.1 Служебное назначение и рабочие узлы таблетпресса 30
2.2.2 Исследование методов достижения точности в технологических размерных цепях таблеточных прессов 33
2.3 Исследование и анализ рабочего технологического процесса изготовления детали «пуансон верхний» 42
2.4 Исследование и анализ технологического процесса изготовления детали «матрица» 50
2.5 Выводы 56
Глава 3. Разработка новых технологических процессов изготовления прессового инструмента для таблетпрессов с применением современных многоцелевых станков 58
3.1 Разработка и исследование нового технологического процесса изготовления детали – «пуансон верхний» 59
3.1.1 Разработка и анализ выполняемых технологических операций 59
3.1.2 Моделирование геометрии «пуансона» и его заготовки с использованием САD-системы 69
3.2 Выявление и анализ технологических размерных связей, определяющих достижение параметров точности «пуансона» 74
3.3 Разработка нового технологического процесса изготовления детали «матрица» 78
3.3.1 Разработка и анализ выполняемых технологических операций при изготовлении «матрицы» 78
3.3.2 Моделирование геометрии детали «матрица» и ее заготовки с использованием САD-системы 83
3.4 Выявление и анализ технологических размерных связей, определяющих достижение параметров точности детали «матрица» 87
3.5 Выводы 92
Глава 4. Обеспечение требуемой точности прессового инструмента на операциях механообработки и сборки. Технико-экономическая эффективность результатов исследований 93
4.1 Моделирование технологий механической обработки деталей прессового инструмента для автоматизированной разработка управляющих программ для станков с ЧПУ 93
4.1.1 Моделирование технологий механической обработки детали типа «пуансон» 94
4.1.2 Моделирование технологии механической обработки деталей типа «матрица» 99
4.2 Конструкторско-технологические методы обеспечения точности соединения прессового инструмента таблетпрессов 103
4.3 Внедрение результатов исследования и их технико-экономическая эффективность 108
4.3.1 Экономический эффект внедрения технологического процесса изготовления детали «пуансон верхний» 108
4.3.2 Экономический эффект внедрения технологического процесса изготовления детали «матрица» 114
4.4 Выводы 121
Заключение и общие выводы 122
Список литературы 124
- Технология производства таблеток, принцип работы таблетпрессов
- Исследование методов достижения точности в технологических размерных цепях таблеточных прессов
- Моделирование геометрии «пуансона» и его заготовки с использованием САD-системы
- Моделирование технологии механической обработки деталей типа «матрица»
Технология производства таблеток, принцип работы таблетпрессов
Нижеследующие материалы описывают изделия, как объект исследований. «Пуансон верхний» ГФ9014.000.02. Пуансон - одна из основных деталей прессового инструмента, используемого при обработке материалов давлением. При работе пуансон оказывает непосредственное давление на обрабатываемый материал и служит для изменения геометрических и механических параметров этого материала. Пуансоны в работе подвергаются воздействию высоких силовых нагрузок, в том числе и сил трения, именно поэтому их изготавливают из прочных инструментальных сталей с твердостью после закалки выше 55 HRC.
В конкретном случае пуансон оказывает давление на порошковую смесь, придавая таблетке необходимую плотность и геометрические характеристики.
Эскиз пуансона изображен на рисунке 1.1. Ниже рассматриваются требования, предъявляемые к изделию конструкторской документацией.
Неуказанная предельная шероховатость составляет Ra0,8. В соответствии с этим поверхности пуансона должны быть шлифованными. Невозможность снижения качества поверхности связано с возможным налипанием порошкового состава на поверхность инструмента и, как следствие, образования дополнительных зон трения и выхода инструмента из строя или заклинивания.
Твердость 55…59 HRC необходима для получения высокого качества поверхности на рабочей тарелке, а также увеличения количество циклов работы инструмента и исключение деформаций при работе.
Неуказанные отклонения геометрических размеров выполнены по 10 квалитету с целью исключения образования больших зазоров на неответственных поверхностях.
Инструмент на прессе обязан отвечать нормам полной взаимозаменяемости [6]. Это связано с невозможностью регулировки и настройки каждого комплекта инструмента по-отдельности. Именно поэтому геометрические размеры имеют очень жесткие допуска.
Ещ одна причина малых полей допусков – это масса таблетки. Это особенно важно в медицинской промышленности, где колебания дозы медикаментов могут поставить под угрозу жизнь человека.
Поверхность 17,6±0,018 устанавливается в пуансонодержатель по переходной посадке и вместе с торцом пуансона служит для его базирования. Относительно этого диаметра задан допуск эксцентричности с рабочей поверхностью 6. Такая геометрическая связь необходима для выполнения принципа полной взаимозаменяемости на прессе, а также для исключения истирания соединения матрица-пуансон из-за смещения этих двух поверхностей.
Габаритный размер 24±0,01 необходим для создания одинакового усилия прессования таблетки, а также для исключения погрешности на стадии дозирования состава. Размер хвостовика 4мм свободный. Закрепление пуансона в пуансонодержателе происходит с помощью гайки, которая прижимает его по торцу 17,6, расположенному со стороны 10.
Поверхность 10 абсолютно также является свободной и не несет смысловой нагрузки. Она является также вспомогательной и осуществляет переход от пуансонодержателя к функционально важным частям пуансона.
Галтель R2 необходима для создания плавного перехода от рабочей части пуансона к хвостовику, а также для снятия концентраторов напряжения и, как следствие, снижение динамических напряжений, возникающих в теле пуансона при работе.
Поверхность 6--00,,000082 является рабочей поверхностью. Эта поверхность при работе входит непосредственно в матрицу и контактирует с полированными стенками матрицы. Качество поверхности здесь составляет Ra0,16, а поле допуска всего лишь 6мкм. Такое качество поверхности необходимо для исключения истирания матрицы, а минимальный зазор необходим для исключения попадания порошка при работе в функционально важный зазор между матрицей и пуансоном.
Рабочая тарелка зависит от геометрии получаемой таблетки. Тем не менее, тарелка полируется для того, чтобы обеспечить отлипание состава при подъеме пуансона после цикла прессования.
Острая кромка на формообразующем торце выполняет функцию снятия излишков порошка с внутренней поверхности матрицы для исключения набивания материала в функционально важный зазор и последующего заклинивания.
«Матрица» ГФ9014.000.01. Матрицы служат для формирования цилиндрической поверхности таблетки в момент сдавливания пуансонов. Оба пуансона в момент сжатия находятся непосредственно в матрице. Это создает объемное сжатие таблетки. Эскиз матрицы указан на рисунке 1.2. Рис. 1.2 «Матрица» ГФ9014.000.01
Ниже приведен анализ требований, предъявляемый конструкторской документацией к изделию матрица.
Неуказанная шероховатость поверхностей составляет Ra1,6. Такое качество поверхности можно получить с помощью шлифовальных операций или при использования осевого инструмента такого, как развертки.
Твердость матрицы составляет 58..63 HRC. Высокая твердость необходима для создания высокого качества поверхностей, таких как формообразующие, а также для увеличения стойкости изделия.
Наружная поверхность 32±0,008 является установочной поверхностью. По ней идет посадка в матрицедержатель. Точность позиционирования матрицы, а также точность попадания пуансонов зависят напрямую от точности обеспечения требования к эксцентричности этой поверхности и внутренней формообразующей поверхности. Качество поверхности должно быть высоким и составлять Ra0,8. Такое качество достигается шлифовкой.
Торцы матрицы также подвергаются обработке шлифованием, а обеспечение точного габаритного размера по высоте 22±0,01 необходимо для создания комплекта матриц, которые отвечают нормам полной взаимозаменяемости. Вторая задача этих поверхностей – это обеспечение хороших показателей перпендикулярности между торцами и отверстием. В случае невыполнения этого требования возможно заклинивание пуансонов.
Небольшие фаски на торцах служат для более легкой установки матрицы в матрицедержатель.
Коническое отверстие на цилиндрической поверхности матрицы служит для е фиксации в матрицедержателе. Отверстие выполняет механическую функцию и к нему не предъявляется особых требований.
Внутреннее отверстие является формообразующим, поэтому его точность и качество поверхности очень важны. Поле допуска на диаметр отверстия составляет 12мкм. Это необходимо для точного формообразования таблетки, а также для исключения попадания порошка в функционально важный зазор между матрицей и пуансоном.
Фаска 0,3х45 с левой стороны матрицы выполняет центрирующую функцию при помещении нижнего пуансона в матрицу.
Верхняя фаска 0,5х45 и конус 1:100 выполняют очень важную функцию. Эти элементы компенсируют несоосность, которая может получаться при наладке и не дают соударяться деталям прессинструмента. При неточной наладке, конус вызывает небольшое искривление пуансона при вхождении его в матрицу.
Исследование методов достижения точности в технологических размерных цепях таблеточных прессов
Оборудование с ЧПУ обеспечивает автоматизацию операций механической обработки, снижает трудозатраты на переналадку станка и гарантирует высокое качество обработки деталей.
Современное программное оборудование оснащается контурными системами управления, что позволяет вести обработку фасонных поверхностей. Увеличение количества управляемых координат позволило вести обработку самых геометрически сложных деталей за один установ.
Применяемые средства предварительной настройки режущего инструмента позволяют исключить трудоемкий процесс выставления нулевых точек непосредственно на станке и существенно сократить время переналадки, что в свою очередь сокращает простои дорогостоящего оборудования.
Повышение качества оборудования, повышение повторяемости позиционирования инструмента, повышение жесткости технологической системы открывает новые горизонты для технологов. Из-за высоких точностных показателей возможно перестроение технологического процесса обработки деталей и применение более технологичных баз и, как следствие этому, оптимизация технологии в сторону сокращения количества операций и трудоемкостей.
Конечно, построение технологии на оборудовании с ЧПУ основано на опыте обработке деталей по традиционной технологии. Задача состояла в том, чтобы модернизировать технологию. Фактически создать новую. И таковая была создана. Но обо всм по порядку. Для начала необходимо рассмотреть технологию изготовления деталей по переходам. 3.1 Разработка и исследование нового технологического процесса изготовления детали – «пуансон верхний»
Проанализировав рабочий технологический процесс и выявив слабые места можно приступить к созданию нового технологического процесса. Рассмотрим состав выполняемых технологических операций.
Заготовительная операция. На ленточнопильном станке отрезается пруток диаметром 20 мм, длиной 400мм. Здесь ничего не изменилось по сравнению с рабочим технологическим процессом.
Технические показатели операции указаны в таблице 3.1. Таблица 3.1 - Показатели заготовительной операции
Операция Оборудование Технологическая площадь, м2 Мощность, кВт. Трудоемкостьоперации,нч/1000шт
Заготовительная Ленточнопильный станок Pegas SHI-LR-F 12,7 3,0 ЗД
Операция токарная с ЧПУ. С повышением точности оборудования, используемом при обработке деталей была предпринята попытка ухода от использования ложных центров. Это позволило бы сократить металлоемкость изделия, а также снизить количество механической обработки.
Также остро встал вопрос уменьшения припусков на шлифовальную обработку. Как было указано выше, искажения геометрии деталей возникало из-за хаотичного расположения деталей в сетке при термической обработки. С новым приспособлением были сокращены припуска почти в 5 раз.
Также отсутствие ложных центров позволило обрабатывать деталь за один установ (по рабочему технологическому процессу обработка выполнялась за 2 установа). Ещ одним большим плюсом отсутствия ложных центров оказалось то, что за счт этого можно "выбрать" металл из рабочей тарелки пуансона, что в последующем несколько ускорит прошивную электроэрозионную обработку.
Подводя итоги всего вышесказанного, после операции получается деталь с припусками по наружным диаметрам от 0,02 до 0,1 мм, с припуском на тарелке 0,05мм.
Надо отметить, что детали обрабатываются только универсальным инструментам благодаря возможности оборудования создавать различного вида интерполяции.
После отрезки детали на ней остается бобышка небольших размеров. Функцию зачистки бобышки возложена на оператора станка.
Наладочная партия изделий от 5 до 10 шт. подвергается сплошному контролю. После признания деталей годными согласно операционному эскизу, их передают на следующую операцию. Операционный эскиз изображен на рисунке 3.1
Токарная Pinacho Taurus 24.75 17 41,66 с ЧПУ Термическая операция. Поначалу операция казалась самой простой, но как выяснилось в ходе изучения, непостоянство геометрии поверхностей после термической операции оставляет желать лучшего. Биение на цилиндрических поверхностях деталей из одной садки колебалось от 0,05 мм до 0,15 мм. Это не могло не оказывать влияние на увеличение трудозатрат по шлифовке такого припуска.
В связи с этим было разработано приспособление (рисунок 3.2) из стали 12Х18Н10Т, которое обеспечивало строго вертикально расположение изделий. Приспособление представляет из себя брусок, с просверленными отверстиями, в которые устанавливаются пуансоны. Для каждого пуансона - сво отверстие. приспособление универсальное и подходит для всех номенклатуры пресс инструмента для конкретного пресса.
Моделирование геометрии «пуансона» и его заготовки с использованием САD-системы
Разработанные новые технологические процессы изготовления прессового инструмента (матрицы и пуансона) с применением современных многоцелевых станков позволяют повысить концентрацию технологических переходов, выполняемых с одной установки заготовки, что обеспечивает достижение высокой точности относительного положения и размеров обрабатываемых поверхностей пуансона и матрицы, что ведет к снижению процента брака при обработке.
Новые технологические процессы обеспечивают сокращение затрат штучного времени на выполнение операций и продолжительности цикла изготовления прессового инструмента. При этом снижение трудоемкости изготовления пуансона составляет 55 % , а матрицы 44%. Сокращение трудоемкости изготовления изделий является предпосылкой для снижения их себестоимости.
Использование в новой технологии профилешлифовального станка с оптическим управлением позволяет обеспечить высокоточную финишную обработку по контуру пуансона, а применение электроэрозионного прошивного станка обеспечивает прецизионную обработку исполнительной торцевой поверхности пуансона, что доказывает возможность замены ручного слесарного труда.
Применение при изготовлении матрицы многоцелевого станка, оснащенного системой подачи прутка и радиальной сверлильной головкой с собственным приводом, позволяет совместить токарную и сверлильную обработки, что ведет к повышению точности изделий.
Выявление и анализ технологических размерных связей, определяющих достижение параметров точности пуансона и матрицы, показывает, что новые технологические процессы обеспечивает более чем двукратное повышение точности линейных и угловых размеров прессового инструмента, что позволяет говорить о существенном сокращении брака. Глава 4. Обеспечение требуемой точности прессового инструмента на операциях механообработки и сборки. Технико-экономическая эффективность результатов исследований
Моделирование технологий механической обработки деталей прессового инструмента для автоматизированной разработка управляющих программ для станков с ЧПУ
Этапы построения модели для токарной обработки и последующего написания управляющей программы следующие: 1. Анализ технологии изготовления изделия. 2. Создается операционный эскиз детали, которая должна выходить после операции Токарная с ЧПУ. 3. По этому эскизу идет создание эскиза детали, как тело вращения, ось которого совпадает с осью детали. 4. Моделируется твердое тело, которое полностью совпадает по номинальным размерам с чертежом операционного эскиза. 5. Построение заготовки детали. (операционный эскиз с предыдущей операции). 6. Моделирование обработки в "CATIA" по заданным контурам. Также включает выбор системы координат, выбор режущего инструмента, режимов резания, способов закрепления и вспомогательной траектории движения режущего инструмента. 7. Получения файла CLData и конвертация его в управляющую программу через постпроцессор. 4.1.1 Моделирование технологий механической обработки детали типа «пуансон» Алгоритм работы в САП – ЧПУ для решения поставленной задачи имеет вид (см. рисунок 4.1).
Автоматизированное проектирование УП для токарной обработки детали пуансон начинается с ввода параметров детали и заготовки и определения нулевой точки детали. Параметры детали и заготовки определены в их математических моделях, включая твердотельные модели, разработка которых с помощью САМ - системы была рассмотрена в разделе 3.1.2.
На рисунке 4.2. представлено окно, отображающее совмещенные модели детали и выбранной заготовки, с указанием принятой нулевой точки детали (точки расположения е координатной системы).
В данном случае система координат детали определена на торце заготовки со стороны цилиндрической поверхности детали диаметром 0 6.
Следующим шагом является выбор необходимого станочного оборудования, в данном случае, токарного обрабатывающего центра с расширенными технологическими возможностями.
После этого устанавливаются связи между системой координат детали с системой координат станка. Необходимо обеспечить правильную ориентацию осей (Х - ось перемещения инструмента перпендикулярно к оси вращения детали, Z - ось совпадающая с осью шпинделя «spindel axis и radial axis»).
Для проведения этих процедур, которые должны предшествовать процессу описания выполняемых технологических переходов, используют диалоговые окна, представленные на рисунке 4.3.
На этом подготовительные процедуры являются завершенными и технолог программист приступает к выявлению состава технологических переходов, необходимого режущего инструмента, траектории его относительных перемещений и режимов резания.
Моделирование технологии механической обработки деталей типа «матрица»
Рассмотрим задачу обеспечения требуемой точности зазора в соединении пуансон - матрица методом групповой взаимозаменяемости [6] с использованием более широких, экономически целесообразных допусков на диаметр отверстия в матрице и на диаметр пуансона.
Реализация метода групповой взаимозаменяемости обусловливает необходимость выполнения двух расчетных условий: Условие 1 - сумма допусков увеличивающих звеньев должна равняться сумме допусков уменьшающих звеньев Условие 2 - координата середины поля допуска, получаемая на замыкающем звене при расширенных допусках Л 0Л, должна быть равна требуемой координате Лол середины поля допуска: Задача обеспечения требуемой точности зазора в соединении при расширенных допусках диаметральные размеры матрицы и пуансона достигается путем расширения допусков Т1,Т2 охватывающей Т Т1 и охватываемой детали Т2 Т2 и последующего их разбиения на к групп.
Расширения допусков на диаметр отверстия матрицы и на диаметр пуансона позволяет упростить их изготовление, исключить необходимость выполнения пригоночных операций, а следовательно и снизить себестоимость их изготовления.
Расширим допуски на составляющие звенья Т1 и Т2 в три раза. Это означает, что принимается количество групп сортировки к= 3.
При этом согласно первому расчетному условию (4.4) необходимо обеспечить равенство допусков Т и Т2 . С этой целью вводим коррекцию и назначаем на звенья новые, широкие допуски, численное значение которых должно быть кратно числу групп сортировки: Т 1; = Т2 = 0,024мм, что означает 0,024 = 0,008-3. (4.6) Назначим при расширенном допуске Т[ = 0,024мм предельные отклонения для отверстия матрицы: AВ 1 = 0,024 и AН 1 =0,00. В соответствии с этим координата середины поля допуска звена Б1 составит: Определив А 01 = 0,012мм и зная координату середины поля допуска замыкающего звена А0д = 0,011мм, из выражения (4.6), определяющего второе расчетное условие, находим координату середины поля допуска звена Б2 :
На основе выполненных расчетов представляется возможным составить следующую таблицу допусков и предельных отклонений на звенья размерной цепи Б А, решаемой методом групповой взаимозаменяемости (см. таблицу 4.2). Таблица 4.2 - Допуски и предельных отклонений на звенья.
На основе численных допусков и предельных отклонений, приведенных в табл. 4.2, составим таблицу сортировки матриц и пуансонов (соответственно по диаметру отверстия и диаметру пуансона) на три размерные группы. (см. таблицу 4.3) Таблица 4.3 – таблица сортировки
На примере реального производства был модернизирован технологический процесс изготовления детали «пуансон верхний» ГФ9014.000.02. При внедрении новых методик изготовления не обошлось и без проблем.
На оптикошлифовальной операции достаточно долгое время не могли получить допустимое биение детали из-за новых схем базирования. Проблема решалась достаточно долго. Ключ к решению лежал в цанге зажимного патрона, которую пришлось делать с микронными допусками. Это в итоге привело к снижению накопленного биения технологической системы.
Также при прошивной электроэрозионной обработке при первых экспериментах было получено неприемлемо высокое время обработки изделия. Первоначально рабочая поверхность должна была формироваться одним чистовым электродом на низких режимах работы с небольшой силой тока. Это было сделано с целью снижения количества специального инструмента. Использование одного электрода привело к существенному увеличению времени эрозионной обработки. После неудачных экспериментов было решено перейти на двухэлектродную технологию обработки. Таким образом, первый этап прожига делается черновым электродом. Припуск, оставляемый для финального прохода, составляется 0,03мм. Чистовым электродом формируется окончательный профиль рабочей тарелки с шероховатостью 0.08мкм.