Развитие теории оценки качества и практики производства метизов автомобильного назначения на основе разработки конкурентоспособных технологий

48

Размещено на http://www.allbest.ru/

10

[Введите текст]

На правах рукописи

Закиров Дильфат Минияхметович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА И ПРАКТИКИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТИЗОВ АВТОМОБИЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ КОНКУРЕНТОСПОСОБНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.02.23 - Стандартизация и управление качеством продукции (металлургия)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Магнитогорск

2008



Работа выполнена в ОАО «Белебеевский завод «Автонормаль»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Бринза Вячеслав Владимирович, доктор технических наук, профессор Чукин Михаил Витальевич, доктор технических наук, профессор Шеркунов Виктор Георгиевич.

Ведущая организация Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет».

Защита состоится 15 мая 2008 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.05 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан « » апреля 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Полякова М.А.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В условиях роста числа сборочных предприятий и увеличения выпуска автомобилей ведущих мировых автопроизводителей на территории Российской Федерации остро встает вопрос о локализации производства, в соответствии с которым определяемая государством часть стоимости автомобиля должна производиться на территории России. Этот вопрос имеет также и экономическое значение, поскольку направлен на снижение себестоимости, цены собранных автомобилей, повышения их конкурентоспособности. В связи с этим, имеется потребность ведущих мировых автопроизводителей в российских поставщиках автокомпонентов на сборочные заводы, расположенные на территории России, включая и автомобильные крепежные изделия. При этом устанавливаются высокие требования к их качеству, объему и условиям поставки. В условиях жесткой конкуренции ужесточает свои требования к поставщикам и крупнейший российский производитель легковых автомобилей - ОАО «АвтоВАЗ».

Сравнение продукции, выпускаемой ОАО «Автонормаль», основного поставщика крепежных изделий для ОАО «АвтоВАЗ», ОАО «КАМАЗ» и большинства метизных заводов России, с аналогичной продукцией ведущих западных фирм-производителей автомобильного крепежа показало, что часть отечественной продукции морально устарела и не отвечает современным требованиям по качественным показателям, не соответствует конструкции новых моделей автомобилей.

Одним из основных способов сохранения имеющихся рынков сбыта крепежных изделий и обеспечения выхода отечественных метизных заводов на автосборочные предприятия зарубежных фирм является освоение производства автомобильного крепежа прогрессивных конструкций высокого качества, имеющего повышенные потребительские свойства и низкую себестоимость. К такому крепежу можно отнести фланцевые болты, болты с пустотелой шестигранной и фасонной головкой типа «TORX», самостопорящийся крепеж и др. В настоящее время Департаментом технического развития ОАО «АвтоВАЗ» совместно с ОАО «Автонормаль» разработана программа освоения крепежных изделий прогрессивных конструкций и их внедрения на автомобилях Волжского автомобильного завода.

Несмотря на злободневность проблемы освоения производства и внедрения высококачественного крепежа, на сегодняшний день вопросы формирования заданного уровня качества и дефектности разработаны недостаточно. Указанное обстоятельство сдерживает производство и применение перспективного крепежа не только на Белебеевском заводе «Автонормаль» и Волжском автомобильном заводе, но и ограничивает поставки отечественных производителей на зарубежные автосборочные предприятия. В связи с вышесказанным, теоретические, технологические и производственные проблемы, связанные с совершенствованием процессов формирования качества автомобильного крепежа, рассматриваемые в представленной работе, являются актуальными и призваны повысить уровень метизного производства России.

Представленная диссертационная работа выполнена в цеховых и исследовательских лабораториях ОАО «Автонормаль» в производственных подразделениях завода и является продолжением и дальнейшим развитием комплекса работ, выполняемых на заводе на протяжении ряда лет.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы является развитие теории и методов оценки и управления качеством металлопродукции и совершенствование процессов формирования потребительских свойств автомобильного крепежа с регламентированным уровнем качества.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка методов оценки и управления качеством автомобильного крепежа и метизных изделий на основе развития теории квалиметрической оценки готовой продукции и способов ее производства.

2. Исследование процессов деформационного воздействия на стальные заготовки при холодной высадке крепежных изделий для более эффективного использования ресурса пластичности исходного металла, обеспечения бездефектной штамповки изделий, снижения энергосиловых параметров процесса и рационального проектирования технологических переходов изготовления отдельных видов крепежа современной конструкции с заданным уровнем качества.

3. Разработка эффективных параметров технологических процессов производства высокопрочных болтов различной конструкции и корпусов шипов противоскольжения для автомобильной промышленности, обеспечивающих формирование регламентированных потребительских свойств.

4. Разработка технических решений по реализации предложенных технологических процессов производства метизной продукции для автомобилестроения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан методологический подход для изучения эффективности технологического процесса производства крепежа, основанный на представлении технологического процесса как операционной системы.

2. На основе системного подхода предложена схема иерархии свойств процесса изготовления крепежа, как дерева с тремя ветвями: свойства исходной заготовки, свойства технологии и готовой продукции. Разработана методика оценки единичных свойств технологических процессов изготовления крепежа, включающая применение гаммы зависимостей оценки от физических и организационно-экономических показателей. Предложенная гамма зависимостей учитывает различные варианты динамики связей и охватывает все исследуемые показатели.

3. Разработана методика свёртки единичных и групповых показателей эффективности технологии. Методика включает использование известных ранее и разработанных автором формул, отражающих аддитивную связь отдельных показателей. Использование различных формул свёртки позволяет адекватно моделировать связи для обширного класса технологических процессов. Предложенные формулы аддитивной связи оценок эффективности наиболее удобны для определения весомостей при экспертном опросе.

4. Получены новые научные знания о процессах деформационного воздействия на заготовки из стали 20Г2Р и 30Г1Р при холодной высадке болтов различных конструкций, позволяющие на основе учета упрочнения металла рационально использовать ресурс пластичности исходной стальной заготовки, обеспечивать бездефектную штамповку продукции, снизить энергосиловые параметры процесса, рационально проектировать технологические операции изготовления готовых изделий с заданным уровнем качества.

5. Предложены аналитические и графические зависимости, отражающие закономерности влияния состояния нагружения на пластичность и упрочнение стальных заготовок в процессах холодной объемной штамповки (ХОШ) колесных болтов и фланцевых болтов для крепления головки блока цилиндров, позволяющие более достоверно прогнозировать и снижать уровень дефектности готовой продукции и коэффициент использования материала.

Практическая ценность работы:

1. Выявлены закономерности влияния схемы холодной высадки фасонной головки на ресурс пластичности стали 30Г1Р и снижение дефектности готовой продукции. Установлено, что учет эффекта Баушингера при распределении деформаций по переходам ХОШ, позволяет осуществлять бездефектное формование сложных фасонных головок типа «TORX» без промежуточных термических обработок.

2. Выявлены закономерности влияния конструкции и схемы ХОШ колесного болта на ресурс пластичности стали 20Г1Р и снижение потерь металла и дефектности готовой продукции. Предложенные на основе использования выявленных закономерностей переходы ХОШ колесных болтов позволили обеспечить бездефектное формоизменение заготовок из стали 20Г2Р колесных болтов без промежуточных смягчающих отжигов.

3. Для снижения затрат на технологический штамповый инструмент и обеспечения длительного и стабильного формирования геометрических параметров крепежных изделий разработан и внедрен на ОАО «БелЗАН» классификатор дефектов технологического инструмента ХОШ.

4. Для решения технологических задач, связанных с производством болтов крепления головки блока цилиндров, колесных болтов и стальных корпусов для шипов противоскольжения, разработан и внедрен на ОАО «БелЗАН» пакет нормативной и конструкторско-технологической документации. Изготовленные в условиях завода изделия успешно прошли испытания на ОАО «АвтоВАЗ», ОАО «Нижнекамскшина» и ФГУП «НАМИ».

Реализация работы. Все результаты диссертационной работы внедрены на ОАО «БелЗАН». Предложенные в диссертации технические, технологические и организационные решения позволили:

- повысить стабильность производственного процесса изготовления фланцевых болтов с фасонной головкой типа «TORX» и их эксплуатационные показатели. В результате внедрения предложенных мероприятий повысился уровень качества указанных изделий, уменьшился разброс значений критических параметров фланцевых болтов и снизился объем несоответствующей продукции;

- унифицировать производственный процесс изготовления колесных болтов для различных моделей автомобилей, повысить стабильность их изготовления, а также улучшить потребительские свойства этих изделий; в результате использования разработанных мероприятий: повысился уровень качества указанных изделий; уменьшился разброс значений критических параметров колесных болтов; снизился объем несоответствующей продукции; повысилась стойкость холодновысадочного инструмента; увеличились объемы производства указанных болтов; повысился коэффициент использования материала до 96 %. Экономия металла на программу всех моделей колесных болтов составит 290 т. Предполагаемый экономический эффект - 4,35 млн. рублей в год.

- освоить производство в условиях ОАО «БелЗАН» стальных корпусов для шипов противоскольжения, что обеспечило выпуск изделий «Шипы противоскольжения в сборе для легковых автомобилей» в соответствии с требованиями ОСТ 37.001.691-2002 для Нижнекамского шинного завода.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: Международной конференции «Актуальные проблемы материаловедения в металлургии» (Новокузнецк, 1997); 4-ом, 5-ом, 6-ом, 7-ом международных конгрессах прокатчиков (Магнитогорск, 2001; Череповец, 2003; Липецк, 2005; Москва, 2007); науч.-техн. конф. «Непрерывные процессы обработки давлением» (Москва, 2004); II Междунар. науч.-техн. конф. «Механика пластического формоизменения. Технологии и оборудование обработки металлов давлением» (Тула, 2004); Российской школе «Наука и технологии. Технология и машины обработки давлением» (Москва, 2005); междунар. науч.-техн. конф. «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (Санкт-Петербург, 2005, 2007); школе-семинаре «Фазовые и структурные превращения в сталях» (п. Кусимово, Башкортостан, 2004, 2006); ХХХVI Уральском семинаре (Екатеринбург, 2006); II Междунар. науч.-техн. конф. «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2006); ежегодных науч.-техн. конференциях ГОУ ВПО «МГТУ», а также на технических советах ОАО «БелЗАН» с 1997 по 2007 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликована 71 научная работа, в т.ч. 3 монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Текст диссертации изложен на 350 страницах машинописного текста, иллюстрирован 68. рисунками, содержит 65 таблиц, библиографический список включает 170 наименований, в т.ч. 40 патентов и изобретений.

автомобильный крепеж заготовка производство

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, изложены цель и задачи исследований, научное и практическое значение работы.

В первой главе - «Перспективы и проблемы производства автомобильного крепежа. Цели и задачи исследования» обобщены материалы, представленные в литературных источниках по современным направлениям повышения качества и технологиям изготовления машиностроительного крепежа; использованию ХОШ в производстве крепежных изделий; основным принципам и математическим методам оценки и управления качества продукции; освещены вопросы возникновения и использования деформационных эффектов в процессах холодной обработки металлов давления. На основе анализа изложенного материала сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

В результате анализа указанных и других материалов установлено следующее:

1. Применение качественного автомобильного крепежа прогрессивной конструкции повышенной прочности позволяет в значительной степени повысить надежность работы агрегатов и механизмов. При этом уменьшается количество устанавливаемых изделий или уменьшается их диаметр, снижается металлоемкость изделия, уменьшаются трудозатраты при сборке и эксплуатации автомобилей. Применение крепежа повышенной прочности связано с ростом усилия и момента затяжки. Для передачи повышенных моментов затяжки и снижения металлоемкости продукции используются различные конструктивные решения: «внутренний» шестигранник, фасонные головки типа «TORX», фланцевый и самостопорящийся крепеж. За рубежом крепежные изделия повышенной прочности (класс прочности 8-8.8 и выше) составляют 90…95 % от общего объема производства, в то время как в России доля крепежа повышенной прочности составляет 10 % от общего выпуска. В связи с изложенным, следует отметить, что расширение производства и применения крепежных изделий повышенной прочности на российских предприятиях является актуальной проблемой отечественной промышленности.

2. В качестве основных направлений повышения качественных показателей крепежных изделий можно назвать следующие: поиск новых эффективных марок стали, которые хорошо штампуются, а изделия после термообработки обладают требуемым уровнем механических свойств; использование термоупрочненного металла при холодной штамповке без последующей термообработки изделий; применение термомеханической обработки заготовки в процессе ее горячей штамповки; использование деформационного упрочнения при холодной штамповке изделий без последующей их термообработки; улучшение условий и качества окончательной термической обработки отштампованных заготовок.

3. За рубежом широкое применение при изготовлении крепежа повышенной прочности находят борсодержащие стали. Микролегирование бором позволяет получать экономно-легированные стали, эксплуатационные характеристики которых во многом не уступают, а даже превосходят уровень свойств сталей, полученных традиционным легированием. Тенденция к расширению применения борсодержащих сталей наметилась и в Российской Федерации. В частности, специалистами завода «Автонормаль» (г. Белебей) и ЦНИИЧермета (г. Москва) разработана и внедряется гамма борсодержащих сталей для изготовления крепежных изделий повышенной прочности.

4. Наиболее эффективным методом изготовления крепежных изделий является ХОШ с использованием пресс-автоматов. Применение ХОШ взамен других методов обеспечивает повышение производительности, экономию металла (коэффициент использования металла при холодной штамповке - 0,95…0,98) и повышение качества готовой продукции. Изделия, полученные методом ХОШ, как правило, обладают повышенной точностью и пониженной шероховатостью поверхности, что исключает применение доводочных операций.

5. При высадке стержневых крепежных изделий с фасонными головками на многопозиционных прессах-автоматах используются многочисленные варианты пластического деформирования, сопровождающиеся изменением механических схем деформаций. Как правило, на механические свойства изделий, полученных таким способом, влияет история нагружения металла. Ни одна из существующих в настоящее время гипотез не даёт четкого механизма прогнозирования физико-механических свойств изделий, полученных с помощью ХОШ. Частным случаем влияния истории нагружения на механические свойства металлов в области деформаций текучести является эффект Баушингера, который может иметь существенное значение при проектировании и реализации схем ХОШ, а также при формировании качества готового крепежа.

6. В настоящее время во всех странах мира проблема повышения качества промышленной продукции приобрела чрезвычайное значение. Качество продукции относится к числу важнейших показателей конкурентоспособности предприятия как на внутреннем, так и на внешнем рынках. Узловой проблемой в создании систем управлении качества продукции является проблема количественной оценки и управления качеством готовых изделий. Важное значение в решении указанных проблем имеют методы квалиметрии и статистические методы оптимизации производственных процессов. Указанные способы оценки и управления качеством готовой продукции способны сыграть ключевую роль в производстве качественного автомобильного крепежа на отечественных предприятиях.

Во второй главе - «Развитие теории и методов оценки и управления качеством автомобильного крепежа» разработан методологический подход для изучения эффективности и выбора наилучшей технологии производства крепежа, основанный на представлении технологического процесса как операционной системы.

Рассматривая ход развития исследований в области ОМД, следует отметить, что они были в значительной мере сосредоточены на исследовании процессов формоизменения, пластической и упругой деформации металлов. Между тем, современные технологические процессы ОМД характеризуются многопередельностью, совмещением с подготовкой металлов (травление, термообработка, обдирка и пр.), последующей доводкой проката до требований потребителя (калибровка, шлифовка и пр.). Таким образом, технологический процесс - совокупность технических процессов, различных по своей физической природе: горячее и холодное формоизменение, термическая обработка и т.д.

При исследовании эффективности технологического процесса следует рассматривать его как нечто целое, состоящее из разнородных составляющих, связанных между собой разнообразными зависимостями, из которых не все поддаются описанию при помощи количественных зависимостей, используемых классической математикой (дифференциальным и интегральным исчислением). Наиболее эффективно такие сложные объекты описываются при помощи теории систем и смежных с ней дисциплин. В теории систем используется понятие «Техническая система типа «процесс» как искусственно выстроенная совокупность целесообразно организованных в пространстве и времени и находящихся во взаимной связи действий и операций над материальными объектами, имеющая целью своей реализации удовлетворение некоторой общественной потребности.

Формализация понятия «Система» - S позволяет прослеживать развитие системы путём учёта некоторого набора целей , регулирующих функционирование системы. Тогда

,

где - множество элементов системы; - множество отношений на ; - множество целей.

В некоторых определениях уточняются условия целеобразования путём учёта наблюдателя (лица, принимающего решение - ЛПР) , с точки зрения которого исследуется система, и интервала времени, в который наблюдается и исследуется данная система, т.е.

.

Для целей настоящего исследования такая детализация понятия представляется удовлетворительной.

Понятие цель и связанные понятия целесообразности, целенаправленности, эффективности определяют направление и степень развития системы. Это понятие трансформируется в аналогичные в различных теориях. Так, в квалиметрии и в логике оценок понятию цель соответствует понятие качество. Понятие цели также является относительным. Оно зависит от субъекта оценки - по терминологии логики оценок и ЛПР - по терминологии теории полезности.

Для исследования эффективности технологического процесса использовались следующие аксиомы полезности:

1. Если - отношение предпочтения (асимметричное), - отношение неразличимости, то для любых исходов и имеет место одно из событий: либо , либо , либо , т.е. для любой пары исходов либо первый исход предпочтительнее второго, либо второй предпочтительнее первого, либо же исходы равнозначны.

Если и , то эта аксиома выполняется всегда.

2. , для любого исхода , т.е. исход всегда неотличим от себя самого, что также очевидным образом следует из определения отношения безразличия.

3. Если , , то - условие транзитивности отношения неразличимости.

4. Если,, то - условие транзитивности отношения предпочтения.

5. Если,, то, т.е., если лучше и равнозначно , то лучше . На самом деле, эта аксиома вводит предположение о произвольно глубокой разрешающей способности агента, о том, что последний всегда может различить сколь угодно близкие ситуации.

6. Если, , то (аналогично аксиоме 5).

Этих предположений хватает, чтобы ввести функцию полезности (квалитативную функцию), однако их недостаточно, чтобы определить её однозначно.

В квалиметрии предлагается использовать в качестве квалитативной функции в зависимости от статуса показателей формулы среднеарифметического и среднегеометрического, соответственно. В логике оценок обосновано использование другой пары функций:

, ,

где - оценки отдельных свойств подсистемы, а pi - их весомости внутри группы (подсистемы).

Целую гамму функций (треугольных норм и конорм) предлагает теория нечётких множеств. Однако аддитивная модель остаётся предпочтительной для практического применения в силу наглядности и простоты определения весомостей при экспертных опросах. Учитывая это, а также глубокое обоснование, которое получила эта функция в теории полезности, мы используем её для вычисления комплексных оценок компенсируемых показателей. Для получения парной функции, обеспечивающей вычисление комплексной оценки доминирующих показателей, мы используем известные законы де Моргана. Эти законы связывают операции конъюнкции и дизъюнкции в алгебре логики, операции объединения и пересечения множеств, в том числе нечётких. Для множеств они имеют следующий вид:

и ,

где черта вверху обозначает дополнение соответствующего множества.

В соответствии с логикой оценок и теорией нечётких множеств агрегированию компенсируемых показателей соответствует операция объединения. Поставим в соответствие операции дополнения множеств - вычитание из единицы. Тогда алгебраический аналог законов де Моргана для квалитативной функции будет выглядеть следующим образом:

,

где знаком обозначена искомая операция агрегирования доминирующих показателей.

Проведя простые алгебраические преобразования, получим:

.

Эта функция легко обобщается на произвольное число операндов

,

учитывая, что диапазон изменения функции [0, 1]

.

С учетом весомостей на практике предлагается использовать функцию

, (**)

Таким образом, если учесть, что сумма весомостей равна 1, то эта функция равна 1, если все оценки ai = 1, i = 1…n и равны 0 в противном случае. Это свойство полученной функции соответствует требованиям, предъявляемым к квалитативной функции, однако является слишком жёстким для практических целей. Мы получили, по существу, бинарную функцию, принимающую два значения: 0 и 1. На самом деле в формуле (**) 1 играет роль порога чувствительности. Заменив эту величину на параметр , мы получим гамму функций, удовлетворяющих требованиям квалиметрии. При эта функция вырождается в обычную средневзвешенную, а при - становится бинарной. Рациональный уровень параметра может быть определён из соображений практического приложения. Это может быть, в частности, экспертный метод.

Для оценки эффективности измерения отдельных показателей возможно использование двух типов шкал: 1. шкала порядка (ординальная), представляющая собой последовательный ряд значений, дающий систематизированное представление о простейших соотношениях величин сопоставляемых размеров свойств, признаков или качеств в целом оцениваемых объектов; 2. шкала отношений (кардинальная), используемая в случаях, когда необходимо определить не только какой объект лучше, но и во сколько раз один объект лучше или хуже другого, или количественно измерить качество объекта в установленных единицах измерения.

При использовании шкалы отношений в качестве измерительной принимается шкала, на которой отсчитывается (определяется) численное значение величины qi как математического отношения измеряемого размера Q к другому известному размеру, принимаемого за единицу измерений [Q].

В настоящей работе используются кардинальные шкалы для измерения конкретных технических показателей. Шкала измерений оценок качества, строго говоря, является ординальной. Однако аксиоматика квалитативной функции максимально приближает эту шкалу к кардинальной. Преимущество аддитивных формул свёртки ещё и в том, что аддитивность - существенный признак кардинальной шкалы.

Таким образом, предложен универсальный методологический подход к оценке эффективности технологических процессов изготовления крепёжных изделий, включающий набор методических приёмов и формул, пригодных для моделирования широкой гаммы операционных систем. Все методики и формулы успешно применены для исследования различных технологий.

В третьей главе - Выбор и разработка эффективной технологии производства болтов крепления головки блока цилиндров с фасонной головкой типа «TORX» на основе квалиметрической оценки» проанализированы технические решения по повышению технологичности конструкции фланцевых болтов с фасонной головкой типа «TORX»; дан анализ существующих на заводе схем ХОШ заготовок; предложен и обоснован метод квалиметрической оценки качества фланцевых болтов с фасонной головкой типа «TORX» и технологических процессов их производства; разработан алгоритм выбора эффективных технологических схем изготовления этой продукции; разработана квалиметрическая модель формирования качества готовых изделий в процессе их производства; описаны результаты экспериментального исследования упрочнения легированной стали 30Г1Р при осадке. На основе использования разработанной модели оценки качества готовой продукции осуществлен выбор наиболее эффективной схемы ХОШ.

Для передачи повышенных моментов затяжки используются болты с головками типа «TORX». Эта головка выполнена в виде фланца и прилегающих к нему вертикальных выступов и впадин, сопряжённых по радиусам. Образуются дугообразные поверхности, с которыми сопряжены такие же по форме ответные поверхности ключей, из-за чего при закручивании болтов они получают низкие контактные напряжения при повышенных моментах затяжки. Размеры профиля типа «TORX» на заводе унифицированы. В конструкции головки болта применены технические решения, оказывающие благоприятное влияние на усталостную прочность галтелей, упругость болта и технологичность его изготовления. Так, например, благодаря подбору оптимальной высоты фланца, достигается уменьшение массы болта без снижения его прочности.

Болты крепления головки цилиндров автомобилей ВАЗ изготавливаются на многопозиционном холодновысадочном автомате-комбайне модели NB-415. Возможны три варианта ХОШ указанных типов болтов, отличающиеся формой промежуточных заготовок и распределением обжатий по позициям ХОШ. Технология производства указанных видов болтов рассмотрена на примере двух типов: 2108-1003271-01, 21213-1003271-01. В общем виде технологический процесс выглядит следующим образом.

От подготовленного прутка диаметром 11,7…13,4 мм отрезается заготовка и передаётся на первую позицию автомата для осуществления первого технологического перехода высадки. Он заключается в проведении первой стадии предварительной высадки головки по двум вариантам. По первому варианту высаживают конус, по второму варианту при редуцировании образуют цилиндрическую головку с фасками. В третьем варианте предусмотрена дополнительная фаска для лучшего оформления выпуклой части головки, высаженной на втором технологическом переходе.

На втором технологическом переходе одновременно со второй стадией предварительной высадки головки с выпуклой частью получают гладкую часть стержня болта. Выпуклая часть головки предусмотрена для последующего качественного оформления конфигурации фасонной головки болта.

На третьем технологическом переходе проводится редуцирование части стержня под накатку резьбы, редуцирование цилиндрической части головки с предварительным образованием фланцевой части. Конический переход от стержня болта к предварительно образованной фланцевой части способствует плавному переходу волокон на опорную поверхность фланца при образовании фасонной головки.

На четвёртом технологическом переходе высаживается фасонная головка типа «TORX» с фланцем.

После высадки заготовки болта проводится накатка резьбы с контролем ее профиля и прямолинейности стержня измерением радиального биения. Окончательную термическую обработку болтов проводят в закалочно-отпускном агрегате с применением эндогаза. Охлаждение после нагрева под закалку проводят в масле МЗМ-16. Промывка после закалки осуществляется в водном растворе тринатрий-фосфата.

На последнем этапе технологического процесса проводят калибровку резьбы на двухроликовых профиленакатных полуавтоматах моделей UPW и UPWS. В этом случае применяют один гладкий ролик.

При разработке квалитативной функции для квалиметрической оценки процессов формирования потребительских свойств фланцевых болтов с головкой типа «TORX» для получения первичной информации использовались методы экспертных оценок и статистической обработки экспериментальных данных. При этом учитывалось, что в сквозной технологии производства болтов основными операциями, формирующими наивысшие показатели качества, являются: подготовка металла, ХОШ и окончательная термическая обработка изделия в виде закалки и отпуска. Также были приняты во внимание требования НТД, мнение потребителей и работников завода. Классическая процедура квалиметрической оценки позволила обоснованно выбрать 14 показателей эффективности процесса. Геометрия болта, в свою очередь, описывается 16 показателями качества, представляющими собой размеры, предусмотренные чертежом, утверждённым ВАЗом.

На базе единичных показателей, выявленных при составлении иерархического дерева свойств фланцевых болтов, разработана анкета для экспертного опроса специалистов. В перечень единичных показателей в анкету также включены параметры, характеризующие качество болтов и параметры технологического процесса. При этом в качестве экспертов привлекались специалисты по проектированию, производству и эксплуатации машиностроительного крепежа.

Обработку анкет проводили в соответствии с ГОСТ 23554-79. При обработке данных экспертного опроса специалистов по определению весомостей единичных показателей использовали метод рангов, при этом были учтены наработки в этой области Гуна Г.С., Шемшуровой Н.Г.

На основании предложенной методики квалиметрических оценок и полученных результатов экспертного опроса, проведенных в рамках настоящей работы, были сконструированы формулы, описывающие качество (эффективность) технологического процесса изготовления фланцевого болта типа «TORX» в условиях ОАО «Автонормаль». Качество (эффективность) технологической схемы

, (1)

где единичные показатели качества, соответственно: - предел прочности исходного металла; - предел прочности готового изделия; - твёрдость по Роквеллу готового изделия; - предел текучести готового изделия; - геометрия готового изделия; - обезуглероженный слой на готовом изделии; - твёрдость по Бринеллю исходного металла; - относительное удлинение исходного металла; - относительное сужение исходного металла; - максимальное усилие разрыва готового изделия; - суммарное усилие штамповки; - суммарный расход электроэнергии; - микроструктура готового изделия; - стойкость инструмента.

Оценка качества исполнения геометрии готового болта :

, (2)

где - диаметр под накатку; - диаметр подголовка; - диаметр опорной поверхности фланца; - наружный диаметр резьбы; - кривизна; - наружный диаметр профиля головки; - внутренний диаметр профиля головки; - радиус закругления впадины профиля головки; - длина подголовка; - высота фланца; - диаметр фланца; - длина резьбы; - длина стержня болта; - смещение осей подголовка и стержня; - диаметр стержня; - высота головки под ключ; - доминирующие показатели - главные характеристики процесса; - компенсируемые показатели (нулевая оценка любого из них не влечёт за собой нулевую оценку комплексного показателя качества; нулевая или низкая оценка такого показателя может быть компенсирована оценками других показателей).

Совокупность представленных формул (1), (2) отражает закономерности формирования качества фланцевых болтов с фасонной головкой типа «TORX» в процессе их производства.

Далее в работе на основе использования предложенной методики и модели квалиметрической оценки комплексного показателя качества изделий был проведен выбор эффективной схемы высадки фланцевых болтов. Для этого произведен выбор и обоснование базовых значений единичных показателей качества, а также организован сбор фактического материала по результатам реализации возможных вариантов технологии в производственных условиях. Итоговые данные по расчету показателей качества фланцевых болтов, отштампованных по различным схемам, представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Результаты расчета комплексных показателей качества производства фланцевых болтов

Обозначение болта	Статус показателя качества	№ схемы штамповки
		1	2	3
21213-1003271-01	Показатель качества по геометрии	3,049	2,913	3,334
	Комплексный показатель качества	20,0	18,437	33,586
2108-1003271-01	Показатель качества по геометрии	3,790	3,222	3,986
	Комплексный показатель качества	39,424	25,023	56,637

Анализ полученных данных при расчете комплексных показателей качества позволяет обоснованно заключить, что технологический процесс производства фланцевых болтов на ОАО «Автонормаль» с использованием третьей схемы ХОШ является наилучшим. Об этом свидетельствуют максимальные значения итоговых комплексных показателей качества производства фланцевых болтов.

В ходе исследования изменения свойств металла при редуцировании предварительно осаженных заготовок в процессах формирования геометрических параметров фланцевых болтов получен ряд графических зависимостей. В результате анализа полученных зависимостей установлены и подтверждены некоторые закономерности поведения металла при различных вариантах деформирования. Основными из них являются следующие: повышение относительных степеней деформации при редуцировании предварительно сжатых образцов (от 7 до 30 %) приводит не к упрочнению, а к разупрочнению стали; разупрочнение стали проявляется в большей мере с увеличением относительной степени деформации при предварительной осадке; разупрочнение происходит до определённых критических относительных степеней деформации при осадке, после чего начинается упрочнение стали по кривой упрочнения при однородном напряжённом состоянии; критические относительные степени деформации составляют 0,43…0,6 от относительных степеней деформации при последующем редуцировании стали. Следует отметить, что такое поведение металла является своеобразным проявлением эффекта Баушингера.

Полученные научные знания о проявлении указанного эффекта при ХОШ фланцевых болтов применительно к перспективной борсодержащей стали 30Г1Р подтвердили правильность выбора эффективной схемы объемной штамповки с помощью квалиметрической модели. При этом была принята во внимание принципиальная возможность бездефектного формирования фланцевой головки редуцированием предварительно осаженной части стержневой заготовки. Результаты этих исследований также позволили обоснованно спроектировать рациональные переходы холодной высадки фланцевых болтов с головкой типа «TORX» 2108-1003271-01, 21213-1003271-01 и назначить рациональные степени деформации при формообразовании отдельных элементов болтов на различных переходах. Схема предложенных переходов штамповки рассматриваемых болтов приведена на рис. 1.

Рис. 1 - Предложенная схема высадки болтов М12 с фасонной головкой типа «TORX»



В четвертой главе - «Совершенствование процессов формирования потребительских свойств колесных болтов на основе квалиметрической оценки технологий» дана общая характеристика сквозной технологии изготовления колесных болтов, проанализированы различные варианты конструкции данных изделий. Описаны результаты экспериментального исследования упрочнения легированной стали 20Г2Р при осадке, изменения свойств этой стали при редуцировании после предварительной осадки в процессах формирования геометрии колесных болтов. На основе использования предложенной методики разработана квалиметрическая модель оценки качества колесных болтов и способов их производства. Осуществлен выбор наиболее эффективной конструкции и технологии ХОШ указанной продукции.

При оценке вариантов производственного процесса изготовления колесных болтов для легковых автомобилей была учтена их специфика. С этими болтами наиболее часто соприкасаются пользователи автомобиля, поэтому болты, наряду с техническими условиями, должны удовлетворять и определенным потребительским свойствам: иметь достаточно хороший внешний вид (не ухудшать дизайн автомобиля), при закручивании не портить лакокрасочное покрытие колесного диска, выдерживать многократное завинчивание без ухудшения резьбы и смятия головки. Усилие затяжки этих болтов относительно невелико и составляет 58,8…72 Нм. Для условий производства легковых автомобилей ОАО «АвтоВАЗ» возможно применение трех основных конструкций головок колесных болтов: классический шестигранник, пустотелая шестигранная головка, фасонная головка типа «TORX» (рис. 2).



а б в

Рис. 2 - Основные конструкции колесных болтов: а - существующая; б - с головкой типа «TORX»; в - с полой головкой

Болты крепления колеса автомобилей ВАЗ 2108 (деталь 2108-3101040) с шестигранными и фасонными головками типа «TORX» изготавливаются на многопозиционном холодновысадочном автомате-комбайне модели NB-415. Схемы высадки этих болтов приведены на рис. 3. Общая схема их производства соответствует принятой на заводе для однотипной продукции.

б

Рис. 3 - Схемы высадки колесных болтов: а - с шестигранной голокой; б - фасонной головкой типа «TORX»



Как отмечается в работах Колмогорова В.Л., смена направления деформирования, характерная для многопереходных процессов ХОШ (см. рис. 3), приводит к падению напряжения пластического течения. В связи с этим, в диссертации поставлена и решена задача определения характера изменения интенсивности напряжений при использовании различных сочетаний последовательности осуществления переходов ХОШ. В результате проведенного эксперимента по изучению воздействия технологических переделов изготовления проволоки и заготовок болтов на сопротивление деформации стали выявлены новые особенности влияния истории нагружения стали на интенсивность напряжений. Отмечено снижение сопротивления деформации при изменении знака напряжений на обратный в случае последующего нагружения с сохранением деформации удлинения предыдущего нагружения (волочение-редуцирование).

Интенсивность упрочнения центральных слоёв образцов стали, обрабатываемой по схеме волочение-редуцирование, уменьшается с увеличением относительной степени деформации при волочении. Сталь, волочённая с относительными степенями деформации свыше 35 %, при последующем редуцировании не упрочняется или незначительно разупрочняется. Разупрочнение стали при редуцировании проявляется в большей мере с увеличением относительной степени деформации предшествующего волочения. Уменьшение сопротивления деформации стали марки 20Г2Р, волочённой с относительной степенью деформации = 4 %, при последующем редуцировании с относительной степенью деформации в интервале = 14…24 %, по сравнению со значениями кривой упрочнения, составляет 3 %, соответственно, при обжатии = 8 % в интервале = 20…32 % при редуцировании - 5 %. Интенсивность упрочнения центральных слоёв предварительно волочённой стали при последующей осадке снижается с увеличением относительной степени деформации предшествующего волочения. Разупрочнение стали при осадке проявляется в большей мере с увеличением относительной степени деформации предшествующего волочения. Уменьшение сопротивления деформации стали марки 20Г2Р, волочённой с относительной степенью деформации = 4 %, при последующей осадке со степенью деформации в интервале = 20…40 %, по сравнению со значениями кривой упрочнения, составляет 10 %, при обжатии = 8 % в интервале = 20…40 % при осадке-14 %. Указанные закономерности отражены на рис. 4 и 5.

Увеличение числа переходов с чередованием деформаций противоположных знаков приводит к понижению сопротивления деформации стали и его равномерному распределению по переходам. Это подтверждается серией графических зависимостей, построенных в работе. Одна из них применительно к колесному болту традиционной конструкции приведена на рис. 6.

Полученные научные знания о деформационном поведении стали 20Г2Р подтвердили возможность использования эффекта ее разупрочнения при формировании производственного процесса изготовления колесных болтов. При этом подтверждена принципиальная возможность бездефектного формообразования головок различной конструкции редуцированием предварительно осаженной части стержневой заготовки.

При анализе процессов формирования потребительских свойств колесных болтов сделан вывод, что однозначно рекомендовать какую-либо из технологических схем производства к реализации по значениям единичных показателей не всегда целесообразно. Это можно осуществить на основе комплексной оценки качества, которая дает единый количественный критерий уровня производственного процесса изготовления продукции.



Рис. 4 - Упрочнение горячекатаной стали 20Г2Р: 1 - кривая упрочнения горячекатаной стали; 2 - упрочнение волоченой стали при редуцировании; 3 - упрочнение волоченной стали при осадке; 4 - упрочнение волоченой стали (q = 3 %) при редуцировании; 5 - упрочнение волоченой стали (q = 35 %) при редуцировании; 6 - упрочнение волоченой стали (q = 58 %) при редуцировании; 7 - кривая упрочнения стали марки 10кп

Рис. 5 - Упрочнение отожженной стали 20Г2Р: 1 - упрочнение отожженной стали; 2 - упрочнение волоченной стали при редуцировании; 3 - упрочнение волоченной стали при осадке

Рис. 6 - Изменение интенсивности напряжений по переходам высадки заготовок колесных болтов с шестигранной головкой: 1 и 2 - головка и стержень заготовок, высаженных из проволоки, подготовленной по маршруту: горячекатаная сталь Ш 15 мм травление фосфатирование волочение на Ш 13,7 мм; отжиг [Ш 13,7 мм] фосфатирование волочение на Ш 13,4 мм;3 и 4 - высадка тех же элементов, подготовленных по маршруту: горячекатаная сталь Ш 15 мм ДОС волочение на Ш 13,7 мм; отжиг [Ш 13,7 мм] фосфатирование волочение на Ш 13,4 мм;

Для поиска эффективных технологических процессов производства колесных болтов в качестве целевой функции применялась функция свертки единичных показателей качества в комплексный. Критерием наибольшей целесообразности технологического варианта из нескольких возможных является максимальное значение комплексного показателя оценки результативности производства с использованием этого варианта.

При разработке целевой функции для квалиметрической оценки процессов формирования потребительских свойств колесных болтов для получения информации о статусе и весомости показателей качества продукции и производственного процесса также, как и для болтов крепления головки блока цилиндров, использовались методы экспертных оценок и статистической обработки экспериментальных данных. При этом учитывалось, что в сквозной технологии производства болтов основными операциями, формирующими наиболее важные показатели качества, являются: подготовка металла, ХОШ и окончательная термическая обработка изделия в виде закалки и отпуска. Также были приняты во внимание требования НТД, мнение потребителей и работников завода. Процедура квалиметрической оценки позволила выбрать 40 показателей результативности процесса, которые условно разбиты на три группы: «параметры исходного металла» - «параметры технологии» - «качество готовой продукции». Геометрия и свойства готового болта описываются показателями, предусмотренными НТД, утверждённой ОАО «АвтоВАЗ». При этом в качестве экспертов привлекались специалисты по проектированию, производству и эксплуатации машиностроительного и автомобильного крепежа.

На основании предложенной методики квалиметрических оценок и полученных результатов экспертного опроса, проведенных в рамках настоящей работы, были получены зависимости, описывающие результативность способа производства колесных болтов в условиях ОАО «БелЗАН». Функциональная зависимость для данного показателя имеет следующий вид:

, (3)

где - комплексный показатель свойств исходного металла; - комплексный показатель технологии изготовления колесного болта; - комплексный показатель качества готовой продукции.

Оценка свойств исходного металла :

, (4)

где единичные показатели свойств исходного металла, соответственно: - твердости НВ; - временного сопротивления разрыву, - относительного удлинения; - относительного сужения.

Оценка комплексного показателя технологии изготовления колесного болта:

, (5)

где - комплексный показатель технологических параметров; - комплексный показатель организационно-экономических параметров процесса.

Комплексная оценка технологических параметров процесса изготовления колесных болтов:

, (6)

где единичные показатели оценки технологических параметров процесса, соответственно: - суммарное усилие штамповки; - стойкость технологического инструмента; - количество несоответствующей продукции; - максимальная степень деформации при ХОШ.

Комплексная оценка организационно-экономических параметров процесса :

, (7)

где единичные показатели оценки организационно-экономических параметров процесса, соответственно: - рентабельность продукции; - затраты на технологический инструмент; - металлоемкость болта; - трудоемкость изготовления продукции; - коэффициент использования материала; - стоимость подготовки металла; - затраты по переделу; - количество технологических операций; - количество единиц технологического оборудования, задействованного в технологии.

Оценка комплексного показателя качества готового колесного болта :

, (8)

где - комплексный показатель геометрических параметров готовой продукции; - комплексный показатель физико-механических параметров металла колесных болтов.

Комплексная оценка геометрических показателей готовой продукции :

, (9)

где единичные показатели оценки геометрических показателей готовой продукции, соответственно: - наружный диаметр резьбы; - внутренний диаметр резьбы; - точность исполнения диаметра стержня болта; - точность размера головки «под ключ»; - биение конусной части болта; - точность диаметра стержня под накатку резьбы; - точность исполнения наружного диаметра профиля головки; - точность исполнения длины болта; - точность высоты головки; - точность исполнения длины резьбы; - точность исполнения длины стержня болта.

Комплексная оценка физико-механических параметров металла готовых болтов :

, (10)

где единичные показатели оценки геометрических показателей готовой продукции, соответственно: - временное сопротивление разрыву готового изделия; - твердость готового изделия; - предел текучести готового изделия; - величина обезуглероженного слоя на готовом изделии; - микроструктура металла изделия; - усилие разрушения готового болта; - максимальный момент затяжки готового болта.

Совокупность разработанных зависимостей (3)-(10), представленных в диссертации, отражает закономерности формирования качества колесных болтов в процессе их производства.

С использованием предложенной квалиметрической модели формирования качества колесных болтов осуществлен выбор конструкции колесного болта и способа его производства. Для этого осуществлено обоснование базовых значений единичных показателей качества, а также сбор фактического материала по результатам реализации возможных вариантов технологии изготовления колесных болтов различных конструкций в производственных условиях. Результаты выполненных расчетов приведены в табл. 2

Таблица 2 - Результаты расчета комплексных показателей качества производства колесных болтов

Группа показателей качества	№ схемы штамповки
	I, "шестигранник"	II, "TORX"	III, "полая головка"
Свойства исходного металла	6,787	6,649	6,628
Геометрия готовых болтов	4,931	5,035	5,585
Показатели готовых изделий	2,312	3,385	5,059
Технологичность	0,00000173	0,328,	0,999
Экономические показатели	0,001	2,278	5,305
Комплексный показатель	~ 0	84,701	993,329

Анализ полученных данных при расчете показателей качества позволяет обоснованно заключить, что технологический процесс производства колесных болтов с полой шестигранной головкой на ОАО «Автонормаль» является наилучшим. Об этом свидетельствуют максимальные значения итоговых комплексных показателей качества производства данной продукции.

Основываясь на результатах проведенных расчетов, можно сделать вывод, что производственный процесс изготовления колесных болтов с полой шестигранной головкой обеспечивает лучшие геометрические параметры продукции, т.к. комплексные показатели для этой конструкции наивысшие (см. табл. 2). Дальнейшее совершенствование технологии производства колесных болтов проводилось на основе выбранного способа производства.

С учётом результатов квалиметрической оценки готовой продукции и характера изменения сопротивления деформации при различных механических схемах и технологических параметрах высадки и выдавливания (редуцирования) разработана новая технологическая схема ХОШ облегченных колёсных болтов (деталь 2112 - 3101040 - 10).

Схема приведена на рис. 7 и включает следующие переходы: I - предварительная высадка головки с одновременным редуцированием стержня на диаметр 11,78…11,84 мм; II - выдавливание полости в головке заготовки; III - редуцирование головки на «шестигранник» с одновременным образованием фланца и редуцированием стержня под накатку резьбы; IV - образование фаски.