Совершенствование технологии механической обработки тонкостенного поршня ДВС

ЕТАПЛООБРАБОТК]

УДК 621.43

Совершенствование технологии механической обработки тонкостенного поршня ДВС

Е. К. Гордиенко, А. В. Белогуб, Н. А. Чемборисов

Рассматривается вопрос совершенствования технологического процесса механической обработки тонкостенного поршня ДВС. В качестве примера приводится общепринятый типовой технологический процесс обработки поршня 21126 1004015М, который анализируется на предмет усовершенствования. Желаемыми результатами совершенствования являются увеличение точности изготовления и снижение времени механической обработки изделия. Попутно преследуется цель получения нового, более совершенного типового технологического процесса механической обработки поршней, а также создания и обобщения методических подходов конструкторско-технологической подготовки производства для их последующего применения при разработке технологических процессов.

Ключевые слова: поршень, технологический процесс, механическая обработка, технологический маршрут, технологический переход, операция, деформации от закрепления, численный эксперимент, станочное приспособление, боковая поверхность, копирное приспособление, пальцевое отверстие, технологическая база, допуск, время обработки, точность изготовления.

Введение

Ведущие производители автокомпонентов проводят постоянную работу по снижению себестоимости продукции и повышению ее качества (точности). Поиск новых технологических решений, рационализаторские меры в отношении либо существующих технологических процессов, либо совершенно новых преследуют цели повышения точности и снижения времени изготовления.

Хорошие результаты достигаются благодаря структурно-параметрическим изменениям технологического процесса, т. е. не только изменениям параметров внутри операций и переходов, а и изменениям самого технологического маршрута.

На рис. 1 представлен фрагмент маршрута традиционного технологического процесса (ТП) механической обработки тонкостенного поршня ДВС, применяемого в ПАО «Автрамат» и ряде других предприятий. Большинство

и

О

~2Г

Рис. 1. Фрагмент традиционного технологического маршрута механической обработки поршня.

1 — токарная черновая; 2 — токарная (обработка базы); 3 — расточная черновая; 4 — токарная чистовая; 5 — расточная чистовая

1

2

4

тонкостенных поршней для бензиновых двигателей ВАЗ, МеМЗ, ЗМЗ, УМЗ обрабатывается именно по такому маршруту.

Показанный технологический маршрут имеет существенные резервы по структурно-параметрическому совершенствованию, что в первую очередь связано с возможностью совмещения ряда операций. Это совпадает с общими тенденциями на снижение количества операций за счет концентрации большего количества переходов внутри операции, что стало возможным в связи с функциональным усложнением применяемого оборудования.

В настоящей работе поставленные цели — снижение себестоимости и повышение точности обработки поршня — достигаются за счет:

- сокращения числа операций;

- выбора системы базирования и закрепления в приспособлении;

- сокращения времени обработки.

Изменение технологического маршрута

Снижение общего времени изготовления с точки зрения структурных изменений достигается за счет отказа от вспомогательных операций и переходов, уменьшения числа вспомогательных ходов, а с точки зрения параметрических изменений — интенсификации обработки. При этом точность изготовления может увеличиваться как за счет уменьшения количества переустановок (структурные изменения), поскольку общее количество операций становится меньшим, так и за счет совершенствования самой оснастки по точности (параметрические изменения).

Для получения желаемого результата предложен усовершенствованный маршрут

2

А

7 7 / 7

©

Г/ // /

Ш

к та

Ш

О

£2.

Рис. 2. Фрагмент измененного технологического маршрута механической обработки поршня: 1 — токарная черновая + чистовая, 2 — растачивания черновая + чистовая

обработки поршня (рис. 2). Как видно из рисунка, фрагмент маршрута был сокращен с пяти операций до двух (трех — в случае разделения токарной операции на две — черновую и чистовую).

Такое изменение технологического маршрута возможно только в том случае, если базирование по внутренним литейным поверхностям и закрепление в приспособлении обеспечат существенно меньший уровень деформаций в процессе всей обработки, чем допуски на размер основных поверхностей готового поршня.

Токарная операция

При разработке токарной операции для получения внешних поверхностей поршня (боч-коовальная юбка, бочкообразная головка, канавки под поршневые кольца, камера сгорания) учитывались следующие положения:

- изменение схемы базирования и закрепления по критерию минимума деформаций;

- изменение порядка переходов внутри операции для достижения наилучших показателей по параметрам точности и времени обработки;

- интенсификация обработки на всех переходах операции;

- повышение точности, стабильности и сокращение времени обработки бочкоовальной поверхности юбки по копиру.

Как было сказано выше, основной принцип при выборе схемы базирования и закрепления следующий: упругая деформация зафиксированного поршня должна быть в разы меньше допуска на размер.

Обеспечивается это как выбором самой схемы базирования — базовыми поверхностями (1 на рис. 2) приняты специально сформированные в конструкции поршня тороо-бразные поверхности (1 на рис. 3) и платики (2 на рис. 3) на внутренней литой поверхности поршня, так и геометрией приспособления для зажима поршня (1 рис. 4), а именно — углом образующей конуса, контактирующего с торообразной поверхностью и упорами, соответствующими местам расположения пла-тиков. Еще одной поверхностью, воспринимающей усилие закрепления, выбрана литая

1

МЕШЛООБРАБОТКА

Рис. 3. Фрагмент закрепления 3Б-модели поршня и нагружения:

1 — место действия реакции от центрирующего конуса; 2 — расположение закрепления типа «ролик—ползун» на платике; 3-5 — места приложения усилия зажима в приспособлении

поверхность пальцевого отверстия (рис. 3). Позиционирование поршня происходит с точностью допусков на литые внутренние поверхности.

Для выбора параметров конструкции поршня (расположения платиков 2 на рис. 3) и базового приспособления (угла конусности конуса 1 на рис. 3, а также места приложения усилий от флажков 4 на рис. 4 на поверхность пальцевого отверстия, рис. 3) проведен численный эксперимент, целью которого было получение минимума деформаций при закреплении.

В ходе проведения эксперимента изменялись следующие параметры:

1) усилие зажима 1000 и 2000 Н;

а)

б)

Рис. 4. Оправка для закрепления поршня на токарной операции обточки внешней поверхности: а — 3Б-модель; б — реализация:

1 — подвижный центрирующий конус; 2 — пружина конуса; 3 — упор; 4 — флажок

Рис. 5. Схема закрепления поршня: 1—4 — точки, в которых проводятся измерения

2) угол (при вершине) центрирующего конуса (80 и 50°), соответственно два различных места действия сил реакций от конуса;

3) перераспределение действия сил реакций от зажима — усилие пружины 4 (рис. 4), передаваемое на конус, — 100, 200, 300, 400 и 500 Н (остальное — на платики 2, рис. 3);

4) три места приложения усилия зажима к поверхности пальцевого отверстия (рис. 3).

Численный эксперимент проведен методом конечных элементов, для чего построена 3Б-модель половины поршня и его заготовки. Всего проведено 2 • 2 • 5 • 3 = 60 вариантов расчета с одной конечно-элементной сеткой. Было установлено восемь модельных датчиков — симметрично по четыре с каждой стороны. На рис. 5 показана сторона с датчиками 1-4. Более детально данный метод и результаты численного эксперимента описаны в работе [1].

Результаты численного эксперимента приведены на рис. 6 и 7, где показаны деформации в точках 1-4 и симметричных им точках 1а—4а (на рис. 5 не показаны). Различия по деформациям симметричных точек связаны со смещением паль-цевого отверстия. По результатам эксперимента можно определить условия, при которых деформации (ось ординат) не только близки к нулю, но и слабо зависят от прикладываемых нагрузок — усилия закрепления. Минимальные значения деформаций соответствуют вариантам № 30-39 расчета (ось абсцисс на рис. 6 и 7). Проведенный эксперимент показал, что существуют варианты

39

34 щ 29

а

Ч 24

«£

I 19

е

Ч 14 &

§ 9 4 4 -1 -6

¡у __ .

1 1 / / УГ-5 1 г----

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56

№ эксперимента

1

2 3 3а 2а

1а

Рис. 6. Деформации в радиальном направлении в точках измерения продольного профиля

6

м

1 4

I 2

»

а

Ч 0

%

-2

е -4

/ 1 'IV 1

У-——

.V г 1 ----

1 6 11 16 21 26 31 3 6 41 46 51 56

V V <

№ эксперимента

Рис. 7. Деформации в радиальном направлении в точках измерения овальности

расположения упоров, угла конусности центрирующего конуса, места приложения усилий затяжки, при которых деформации внешней поверхности поршня находятся в пределах 0,5-1,5 мкм на радиус при допусках внутри группы 8-15 мкм. При других условиях базирования и закрепления в указанных выше диапазонах варьирования деформация в нижней части юбки (т. 1, рис. 5) может достигать 40 мкм на радиус. В табл. 1 приведены данные по некоторым опытам численного эксперимента.

Проведенные расчеты показывают, насколько важно учитывать все факторы, влияющие на получение размеров.

На основе полученных результатов была спроектирована, изготовлена и внедрена в серийное производство технологическая оснастка, главным узлом которой является приспособление для закрепления поршня в шпинделе токарного станка. В новом приспособлении, кроме измененного базирования и закрепления, применена конструкция с флажками (4 на рис. 4) вместо технологического пальца на штатном приспособлении. Такая конструкция дает возможность применить автоматическую загрузку заготовок.

Следующий этап работы — изменение порядка переходов внутри операции. Основному изменению подверглись переходы, связанные с формированием фасок и формированием канавок под поршневые кольца. Ниже приведена очередность переходов до модернизации и после нее [2].

Ранее используемая очередность переходов при токарной обработке внешней поверхности тонкостенных поршней (рис. 8, а):

1) формирование фаски 2 на донце поршня;

2) окончательная подрезка дна 1 поршня;

3) предварительное точение боковой поверхности 9 без учета бочкообразности поверхности;

4) окончательное точение боковой поверхности 9 по копиру в два прохода;

5) врезание одновременно двух канавок 3, 5;

6) врезание третьей канавки 7 (прерывистое резание из-за особенностей геометрии поршня);

7) подрезка юбки поршня 11;

8) формирование фасок канавок поршневых колец 4, 6, 8 и фаски 10 юбки.

Выборочные результаты модельного эксперимента

Таблица 1

№ эксперимента Усилие закрепления, Н № площадки Усилие на конусе, Н Угол при вершине конуса, ...° Перемещение точки 1 , мкм Перемещение точки 2, мкм Перемещение точки 3, мкм Перемещение точки 4, мкм

4 1000 1 500 80 7,3 3,8 -0,8 4,0

17 2000 2 300 80 26,0 12,5 -0,6 4,5

24 1000 3 500 80 23,0 11,7 -0,6 5,9

39 2000 1 500 50 1,2 -0,1 -0,6 -0,6

48 2000 2 400 50 23,0 10,7 -0,3 2,0

59 2000 3 500 50 32,7 15,5 -0,2 3,1

метаСБМ^ТКА

Очередность переходов после модернизации и связанные с этим меры, позволившие уменьшить время и повысить качество обработки:

1) предварительное точение боковой поверхности 9 с учетом бочкообразности поверхности и окончательное точение фасок 4, 6, 8 канавок поршневых колец и фаски юбки 9 в два прохода (обработка по траектории 12, рис. 8, б);

2) окончательное точение фаски 2 и подрезка донца 1;

3) одновременное врезание трех канавок 3, 5, 7 поршневых колец и подрезка юбки 11 поршня;

4) окончательное точение боковой поверхности 9 поршня по копиру (в один проход, так как предварительно уже проточили по траектории).

В связи с изменением очередности переходов была спроектирована, изготовлена и внедрена специальная кассета резцедержателей.

Время обработки (оперативное) на рассматриваемом отрезке технологического процесса снижено с 3,45 до 1,90 мин.

Известно, что при обработке внешней бочко-овальной поверхности по копиру стабильность

а)

Р \

10 9

б)

12

обработки тем ниже, чем интенсивнее происходит износ щупа.

При изменении скорости вращения шпинделя изменяется угловое ускорение рычага, и при некоторых предельных для конкретного профиля скоростях происходит отрыв щупа от поверхности копира.

Для повышения точности и стабильности обработки боковой поверхности 9 (рис. 8) по копиру и интенсификации этого перехода токарной операции были проведены следующие мероприятия:

- уменьшен момент инерции одноплечего рычага копирного приспособления с одновременным увеличением его жесткости;

- изменена кинематика копирного приспособления.

На рис. 9 показан рычаг копирного приспособления до

в)

Рис. 8. Схема переходов при токарной обработке внешней поверхности поршня: а — перечень обрабатываемых элементов; б — траектория движения резца при обработке фасок;

1 — донце поршня; 2, 4, 6, 8, 10 — фаски; 3, 5, 7 — канавки под поршневые кольца; 9 — внешняя бочкоовальная поверхность юбки и головки поршня; 11 — торец юбки

Рис. 9. Рычаг копирного приспособления: а — старая конструкция; б, в — новая конструкция; 1 — рычаг; 2 — щуп; 3 — резец; 4 — возвратная (прижимная) пружина

модернизации. Момент инерции уменьшен в 2 раза, жесткость увеличена в 5 раз. Время износа щупа до момента подналадки увеличено за счет снижения силы прижатия щупа к копиру пружиной 4 (рис. 9) и за счет однопроходной обработки поверхности 9 (рис. 8). Второй (предварительный), как было показано выше, заменен двухкоординатной обработкой профиля по программе.

Как видно из рис. 9, а, б, также была изменена кинематика копирного приспособления за счет максимального приближения оси качания рычага к оси вращения шпинделя, что позволило уменьшить погрешность копирования.

Проведенный силовой расчет позволил определить условия безотрывного движения щупа по копиру. Данный расчет позволяет определить либо достаточное усилие прижатия щупа к копиру при заданной скорости вращения шпинделя, либо по заданному усилию (влияющему на износ) прижатия щупа. Входными данными для расчета были: геометрия копира, момент инерции рычага копира в сборе (рычаг, щуп, приведенная масса пружины, резец, крепеж) и кинематика копир-ного приспособления.

Проведенная модернизация позволила увеличить скорость шпинделя с 900 до 1600 об/мин без снижения точности получаемого профиля. Износ щупа был также снижен за счет уменьшения времени контакта с копиром.

Процедура анализа и расчета копирного приспособления подробно описана в работе

[3].

Операция растачивания

При разработке операции растачивания пальцевого отверстия учитывались следующие положения:

- изменение схемы базирования и закрепления по критерию минимума деформаций;

- интенсификация обработки пальцевого отверстия и сопутствующее изменение конструкции режущего инструмента.

Выбор схемы закрепления и расчет деформаций от закрепления были проведены аналогично токарной операции. По результатам расчета была спроектирована необходимая

Рис. 10. Припуск под обработку пальцевого отверстия

технологическая оснастка (для каждого типа поршней).

Переход от маршрута обработки (рис. 1) к маршруту (рис. 2) в отношении обработки пальцевого отверстия выражается в объединении операций 3 и 5 (рис. 1) в одну (рис. 2) операцию 2. Пока токарные операции 1 и 4 (рис. 1) были разделены, не составляло труда ввести между ними операцию 3 (рис. 1) предварительного растачивания пальцевого отверстия с установкой на «вспомогательную базу». Данная операция (растачивания черновая) главным образом была необходима для снятия литейного уклона вместе с рисками, выполняющими функцию центров кристаллизации (рис. 10).

Для расточной черновой операции в качестве режущего инструмента в ПАО «Автрамат» обычно использовался либо двухперый зенкер, либо борштанга (с одним или двумя твердосплавными резцами). Чистовая расточка пальцевого отверстия выполняется борштангой с двумя резцами (первый — твердосплавный, второй — СКМР). То есть для получения высокого качества геометрии и чистоты поверхности пальцевого отверстия необходимо выполнить четыре (минимум три) прохода. Но и при этом зачастую возникали вибрации при обработке, особенно на отверстиях малого диаметра (16-20).

Концентрация операций (рис. 2) способствует повышению точности изготовления, так как отверстие выполняется на одной установочной базе без переустановок. Но это влечет за собой усложнение оборудования, например переход к двухмостовой схеме обработки, т. е. к обработке двумя соосными борштангами при движении заготовки сначала в одну, а потом в противоположную сторону. Нами предложено применение одномостовой схемы обработки (рабочий ход только в одну сторону), но с использованием другого инструмента, т. е. ввод обработки за два перехода одной борштангой

МЕШЛООБРАБОТКА

а) б)

Рис. 11. Борштанга: а — сборная конструкция; б — схема расположения резцов

(а не три-четыре перехода двумя борштангами) с обеспечением заданной точности [4].

Традиционно для ПАО «Автрамат» борштанга выполнялась цельной1. Коэффициент использования материала 0,2, среднестатистический срок эксплуатации 1,5-2 мес.

Более детально конструкция борштанги (рис. 11) рассмотрена в работе [4]. Основной особенностью данной конструкции является то, что первый резец может снимать большие припуски с минимальными отклонениями формы обрабатываемой поверхности. Большое внимание уделено перераспределению и снижению усилий резания за счет перераспределения снимаемых припусков в переходах и изменения геометрии режущего инструмента, а также снижению себестоимости изготовления инструмента.

На рис. 11, а изображена сборная борштан-га с запрессованной внутренней частью, предложенная взамен цельной. При этом выходящая из строя часть с местами под резцы заменяемая. Коэффициент использования материала 0,5.

Новый режущий инструмент позволил:

- осуществить переход к технологическому маршруту (рис. 2) без существенного усложнения оборудования;

- уменьшить количество переходов, необходимое для обработки пальцевого отверстия в 2 раза, обеспечив заданную точность;

- уменьшить в 2 раза номенклатуру применяемого инструмента (используется в 2 раза меньше борштанг), благодаря чему время наладки уменьшено на 30 %, а себестоимость инструмента снижена на 35 %.

1 Специальный инструмент изготавливается непосредственно в ПАО «Автрамат».

Выводы

В табл. 2 приведено время обработки с пооперационной разбивкой. Таблица относится к фрагменту технологического маршрута, рас-сматренного в данной статье, и касается обработки поршня 21126-1004015М двигателя автомобиля ВАЗ-2170 «Приора».

Таблица 2

Оперативное пооперационное время обработки поршня 21126-1004015М

Общепринятый маршрут Предлагаемый маршрут

Операция Время, мин Операция Время, мин

1. Т. ч. 2. Т. б. п. 3. Р. пр. 4. Т. чист. 5. Р. чист. Итого 1,56 0,75 1,00/3 = 0,33 2,70 2,10/3 = 0,70 6,04 1. Т. ч. 2. Т. чист. 3. Р. чист. Итого 1,56 1,90 2,30/4 = 0,77 4,23

П р и м е ч а н и е. Т. ч. — черновая токарная операция. Т. б. п. — токарная операция (расточка базовой поверхности). Р. пр. — предварительная расточка пальцевого отверстия. Т. чист. — чистовая токарная операция. Р. чист. — чистовая расточка пальцевого отверстия.

Несмотря на то что нет никакой технологической сложности в объединении 1-й и 2-й операций в предлагаемом маршруте с точки зрения обеспечения заданной точности внутри одной токарной операции (1 на рис. 2) при подходах, описанных выше, в таблице представлен вариант из двух токарных операций — черновой и чистовой. Такой вариант используется в производстве, что связано с логистической оптимизацией внутризаводских перемещений.

На операции растачивания пальцевого отверстия было увеличено количество одновременно обрабатываемых деталей с трех до четырех.

Разница во времени обработки между фрагментами сравниваемых маршрутов составляет около 30 %.

Литература

1. Гордиенко Е. К., Стрибуль А. С., Белогуб А. В.

Определение параметров закрепления поршня ДВС в станочном приспособлении для его последующей механической обработки // Двигатели внутреннего сгорания. 2007. № 2. С. 51-55.

2. Белогуб А. В., Зотов А. А., Гордиенко Е. К., Сергеев Е. А., Чистяков Ю. В. Особенности проек-

тирования и изготовления «безопасного» поршня для двигателя ВАЗ-21126 // Авиационно-космическая техника и технология. — 2011. — Вып. № 9 (86). — С. 39-45.

3. Гордиенко Е. К., Белогуб А. В. Повышение производительности и точности механической обработки боковой поверхности поршней ДВС // Ав1ацшно-

косм1чна техн1ка 1 технолопя. — 2009. — Вип. № 9 (66). — С. 32-37.

4. Гордиенко Е. К., Белогуб А. В. Повышение производительности обработки пальцевого отверстия поршня ДВС // Авиационно-космическая техника и технология. — 2010. — Вип. № 8 (75). — С. 80-83.

Издательство «Политехника» предлагает

Допуски и посадки: Справочник: В 2 ч. /М. А. Палей, А. Б. Романов, В. А. Брагинский. — 9-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2009. — 530 с. : ил. ISBN 978-5-7325-0885-7 Цена: 1155 руб.

Справочник содержит основные материалы по расчету и применению в машино- и приборостроении Единой системы допусков и посадок (ЕСДП), а также сведения об основных нормах взаимозаменяемости (ОНВ).

В части 1 рассмотрены допуски и посадки гладких соединений, шероховатость, допуски формы и расположения поверхностей.

В части 2 содержатся материалы по расчету размерных цепей, ОНВ резьбовых, шлицевых и других соединений, зубчатых и червячных передач, подшипников, допуски и посадки конических соединений, допуски и посадки изделий из пластмасс и древесины и других типовых соединений и изделий. Справочник предназначен для ИТР, занимающихся конструированием и изготовлением машин и механизмов для всех отраслей техники, преподавателей и студентов технических университетов и колледжей.

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.