РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ДЛЯ СВАРКИ С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ «КОЛОДКА ТОРМОЗА»

DEVELOPMENT AND RESEARCH OF A TECHNOLOGICAL DEVICE FOR WELDING IN ORDER TO ENSURE THE ACCURACY OF MANUFACTURING THE PRODUCT "BRAKE SHOE"

Nikita Zimakov

student, Department of Mechanical Engineering Technology, Arzamas Polytechnic Institute (branch) of NNSTU n.a. R.E. Alekseeva,

Russia, Arzamas

Natalia Pris

scientific adviser, candidate of Technical Sciences, associate professor, Arzamas Polytechnic Institute (branch) of NNSTU n.a. R.E. Alekseeva,

Russia, Arzamas

АННОТАЦИЯ

Анализ изделия «Колодка тормоза» выявил дефекты, образованные в процессе сварки. Проведен анализ технологического оснащения для реализации процесса сварки изделия «Колодка тормоза». Разработана конструкция сварочного приспособления с пневматическим зажимом, отвечающая требованиям эксплуатации, и выполнены необходимые проектные расчеты. Проведены исследования прочностных характеристик приспособления с помощью программного обеспечения CREO SIMULATE.

ABSTRACT

Analysis of the brake shoe product revealed defects formed during the welding process. The analysis of technological equipment for the implementation of the welding process of the product "Brake shoe" has been carried out. The design of a welding device with a pneumatic clamp was developed, which meets the requirements of operation, and the necessary design calculations were performed. The study of the strength characteristics of the device was carried out using the CREO SIMULATE software.

Ключевые слова: приспособление, сварка, колодка тормоза, моделирование, прочность, напряжение, статический анализ.

Keywords: fixture, welding, brake shoe, simulation, strength, stress, static analysis.

Необходимость проведённого исследования вызвана тем, что выявилась проблема обеспечения необходимой точности изготовления изделий «Колодка тормоза» при выполнении операции сварки.

«Колодка тормоза» является частью тормозной системы автомобиля и её основным рабочим компонентом. В настоящее время изготавливаются Колодки тормоза двух типоразмеров. Конструкции изделий представлены на рисунках 1 и 2.

1 – Ребро; 2 – Обод

Рисунок 1. Чертеж изделия «Колодка тормоза» типоразмера 1

1 – Ребро; 2 – Обод

Рисунок 2. Чертеж изделия «Колодка тормоза» типоразмера 2

Детали, входящие в изделие, «Обод» поз.1 и «Ребро» поз.2 соединяются между собой посредством дуговой сварки в среде углекислого газа по ГОСТ 14771-76. Материал деталей – конструкционная углеродистая сталь 25, вид поставки – прокат толстолистовой горячекатаный по ГОСТ 4041-2017.

В базовом технологическом процессе для сварки Колодок тормоза двух типоразмеров применяются специальные приспособления, для каждого типоразмера изделия – отдельное приспособление с винтовым зажимом. Приспособления отличаются размерами установочных деталей, принцип действия одинаков.

При использовании имеющихся приспособлений существует проблема надежной фиксации взаимного расположения свариваемых деталей – не всегда выдерживается допуск симметричности боковых сторон Обода относительно базы А – детали Ребро . Неправильная установка свариваемых деталей может стать причиной нарушения целостности сварного шва, что ухудшает эксплуатационные свойства конструкции.

Так как механизм зажима приспособление ручной, это вызывает затраты времени на закрепление и открепление деталей.

В условиях крупносерийного производства с целью уменьшения трудоемкости изготовления и повышения точности базирования свариваемых деталей принято решение разработать специальное приспособление с пневматическим зажимом. Конструкция приспособления представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Сборочный чертеж приспособления для сварки

Обод шириной 122 мм устанавливается в матрицу поз. 18 между упорами поз.17, прикрепленными к матрице в размер 122 мм. Для установки Обода шириной 82 мм предусмотрены откидные упоры поз. 28.

Затем в Обод вставляют Ребро таким образом, что три выступа в ребре заходят в три паза обода. Для сохранения устойчивого положения, ребро вручную прислоняют к упорам поз.2.

Для ребра шириной 8мм: фиксация по вертикали осуществляется при помощи деталей Щека поз. 15, которые установлены во втулку поз.12, связанную со штоком пнемопривода. Две детали «Щека» образуют паз шириной 8,1мм, в который и заходит ребро. От проворота втулки 12 со щеками служит стержень 11, который перемещается по пазу в детали поз. 10.

Для ребра шириной 6мм: фиксация по вертикали осуществляется при помощи фиксаторов поз. 22 и 26, в которых выполнены пазы шириной 6,1 мм. (при установке ребра шириной 8мм данные фиксаторы не используются, они находятся в откинутом положении).

Закрепление (прижим ребра к ободу) осуществляется деталью «Прижим» поз. 16, который установлен между щек 15. Прижим 16 при помощи деталей ось 16 и втулка 12 связан со штоком пневмопривода.

Пневматическое прижимное устройство состоит из пневмоцилиндра поз.71, механизма передачи зажимающего действия от привода к изделию и аппаратуры управления (пневмораспределителя 74, фильтра воздуха 73, манометра 70). Основным достоинством пневмозажима является быстродействие.

Пневмоцилиндр и аппаратура управления размещены на стойке поз.1.

Корпус приспособления сборный сварной, состоит из плиты поз.19, к которой прикреплены ребра жесткости поз. 25, уголки 20 и 27 и стойка поз.1.

Матрица 18, в которую устанавливаются свариваемые детали, и сборочная единица стойка 1, прикреплены к плите 19. Приспособление устанавливается на столе сварочной установки.

Выполнены проектные расчеты. Согласно технологическому процессу, перед операцией сварки деталь «Обод» предварительно гнут в штампе, с образованием поверхности радиусом R = 160мм, то есть меньше, чем конечный чертежный   размер R161,8мм. Получение окончательного размера R161,8мм методом гибки осуществляется в том же приспособлении, что и сварка. Следовательно, приложенное усилие зажима в приспособлении должно обеспечить гибку материала.

В результате расчетов получено значение усилия гибки F = 3765 Н.

Из каталога выбиран пневмоцилиндр по ISO серии CP96SD125-80: диаметр поршня 125мм.

Усилие на штоке пневмоцилиндра составляет W = 5700 Н.

Таким образом, усилие зажима W, развиваемое пневмоцилиндром, больше необходимого усилия гибки материала. Следовательно, спроектированное приспособление обеспечивает закрепление и гибку детали «Обод» до нужного размера.

Для исследования прочностных свойств спроектированного приспособления, разработана его 3D модель (рисунок 5). С помощью программного обеспечения «CREO SIMULATE» проведен статический анализ напряженно-деформированного состояния конструкции сварочного приспособления под воздействием приложенной нагрузки. Для расчета в программу вводятся исходные данные: 3D модель приспособления, материал исследуемых деталей, характеристики материала (таблица 1).

Рисунок 4. 3D модель приспособления для сварки

На прочность рассчитывается деталь «Прижим» (рисунок 5), с помощью которого осуществляется закрепление изделия «Колодка тормоза». Он является наиболее нагруженной деталью сварочного приспособления, так как воспринимает приложенную нагрузку – усилие зажима W = 5700 Н.

Результаты расчета напряжений конструкции приспособления и непосредственно детали «Прижим» представлены на рисунках 6 – 9. Программа представляет результаты расчета в виде цветовых диаграмм. На модели показано, как распределяются напряжения в конструкции приспособления: более светлые участки – это места, где возникают большие напряжения, темные участки – с меньшим напряжением.

Рисунок 6. Цветовая интерпретация напряжений в конструкции приспособления в программе CREO SIMULATE

На рисунке 7 представлен наиболее нагруженный узел приспособления, в который входит деталь «Прижим». Числовые значения на цветовой диаграмме – это напряжения в различных сечениях детали, соответствующего цвета: максимальное напряжение 373,3 МПа показано красным цветом – в детали «Прижим», минимальное 37,3 МПа – темно-синим.

Рисунок 7. Напряжения в деталях приспособления

На рисунке 8 показана деформация деталей приспособления под действием приложенной нагрузки. Деформация выражена в миллиметрах (на диаграмме в правом верхнем углу рисунка): максимальная деформация на верхней плоскости детали «Прижим» показана красным цветом и равна 0,0119мм, минимальная деформация – темно-синим цветом, равна 0,00119 мм.

Рисунок 8. Цветовая интерпретация деформации деталей приспособления под действием приложенной нагрузки

На рисунке 9 так же, как и на рисунках 7 и 8, показаны напряжения и деформации деталей приспособления, отличие в том, что для наглядности скрыта передняя «Щека».

Рисунок 9. Цветовая интерпретация деформации деталей приспособления под действием приложенной нагрузки (скрыта передняя «Щека»)

Результаты расчета в программе CREO SIMULATE показывают, что максимальное напряжение в детали «Прижим» составляет 373,3 МПа, что меньше допускаемого значения для стали У8, равного 640 МПа. Следовательно, деталь сможет работать при данной нагрузке.

Заключение:

1. Проведен анализ технологического оснащения для реализации процесса сварки изделия «Колодка тормоза».

2. Разработано приспособление для сварки изделия «Колодка тормоза» с пневматическим зажимом.

3. Выполнены проектные расчеты: усилие гибки составило 5700 Н, точность изготовления изделия «Колодка тормоза» обеспечивается.

4. Конструкция приспособления позволяет использовать его для сварки изделий «Колодка тормоза» двух типоразмеров с необходимой точностью.

5. Проведены исследования прочностных характеристик приспособления (а именно детали «Прижим») с помощью программного обеспечения CREO SIMULATE, которые подтвердили соответствие спроектированного приспособления требованиям прочности.

Список литературы:

1. Виноградов В.С. Оборудование и технология дуговой автоматической и механизированной сварки / В.С. Виноградов. - М.: Академия, 2001. - 319 c.
2. Виноградов В.С. Технологическая подготовка производства сварных конструкций в машиностроении. – М.: Машиностроение, 1981. – 224 с., ил.
3. Горбач В. Д. Автоматическая дуговая сварка с ЧПУ судовых конструкций / В.Д. Горбач, В.С. Головченко. - М.: Судостроение, 2004. - 344 c.
4. Моисеенко В. П. Материалы и их поведение при сварке / В.П. Моисеенко. - М.: Феникс, 2009. - 304 c.
5. Овчинников, В. В. Основы теории сварки и резки металлов / В.В. Овчинников. - М.: КноРус, 2011. - 248 c.