ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЗАЖИМА 00.54.003

IMPROVING THE EFFICIENCY OF THE MANUFACTURING PROCESS FOR HYDRAULIC CLAMP PISTON 00.54.003

Davies Cenario Fanas

Student, Department of Mechanical Engineering Technology, V.G. Shukhov Belgorod State Technological University,

Russia, Belgorod

Zhukov Evgeny Mikhailovich

scientific supervisor, Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Department of Mechanical Engineering Technology, V.G. Shukhov Belgorod state Technological University,

Russia, Belgorod

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается вопрос повышения эффективности технологического процесса изготовления поршня гидравлического зажима 00.54.003 для условий среднесерийного производства (программа выпуска 15000 шт./год). На основе анализа существующего техпроцесса выявлены его ключевые недостатки: использование универсального оборудования (токарно-винторезный станок 16К20П) и неоптимальная последовательность операций для достижения заданной точности. В качестве усовершенствований предложены: внедрение токарного станка с ЧПУ модели 16К20Ф3, введение дополнительной операции получистового точения и разделение операции шлифования на два этапа (предварительное и чистовое). Проведённые расчёты показывают, что реализация предложенных мер позволяет сократить штучно-калькуляционное время на основной операции на 42% (с 1,74 до 1,01 мин) и снизить технологическую себестоимость обработки на 5,1% (с 0,634 до 0,602 руб.) при гарантированном обеспечении всех требований к точности (погрешность обработки Δ=11,8 мкм при допуске 25 мкм) и шероховатости (Ra=0,72 мкм при требуемом Ra≤0,8 мкм) детали.

ABSTRACT

The article addresses the issue of improving the efficiency of the manufacturing process for hydraulic clamp piston 00.54.003 under medium-series production conditions (annual output of 15,000 units). Analysis of the existing technological process revealed its key shortcomings: the use of universal equipment (16K20P lathe) and a non-optimal sequence of operations to achieve the required accuracy. Proposed improvements include: the implementation of a CNC lathe model 16K20F3, the introduction of an additional semi-finishing turning operation, and the division of the grinding operation into two stages (roughing and finishing). The calculations performed show that the implementation of the proposed measures reduces the unit-calculation time for the main operation by 42% (from 1.74 to 1.01 min) and lowers the technological processing cost by 5.1% (from 0.634 to 0.602 RUB) while guaranteeing compliance with all accuracy (processing error Δ=11.8 μm with a tolerance of 25 μm) and roughness (Ra=0.72 μm with required Ra≤0.8 μm) requirements for the part.

Ключевые слова: поршень; технологический процесс; оптимизация; обработка резанием; шлифование; станок с ЧПУ; себестоимость; эффективность.

Keywords: piston; technological process; optimization; machining; grinding; CNC machine; production cost; efficiency.

Введение

Поршень гидравлического зажима (00.54.003) является ключевым компонентом, преобразующим давление жидкости в механическое усилие для фиксации заготовок на металлорежущих станках. В условиях среднесерийного производства (годовая программа 15000 шт.) оптимизация технологического процесса его изготовления представляет собой актуальную задачу, направленную на снижение себестоимости, повышение производительности и обеспечение стабильного качества.

Анализ современных исследований и публикаций в области технологической подготовки машиностроительного производства показывает, что значительное внимание уделяется вопросам оптимизации режимов резания и выбора инструмента [4, 8]. В то же время, вопросы, связанные с комплексной оценкой технологичности конструкции (ТКИ) деталей подобного типа и экономическим обоснованием модернизации парка оборудования (в частности, перехода с универсальных станков на оборудование с ЧПУ) для конкретных условий среднесерийного выпуска, освещены в научной литературе недостаточно полно [7, 9]. Часто рассматриваются либо общие методики, либо случаи массового производства, что оставляет пробел в прикладных решениях для серийных объёмов.

Существующий на предприятии технологический процесс изготовления поршня 00.54.003 обладает рядом недостатков, основными из которых являются использование универсального токарно-винторезного станка 16К20П, более пригодного для единичного производства, и отсутствие рациональной, технологически обоснованной последовательности операций для гарантированного достижения заданных параметров точности и шероховатости.

Целью данной работы является проведение системного анализа и разработка усовершенствованного технологического процесса изготовления поршня 00.54.003, направленного на устранение выявленных недостатков и обеспечивающего повышение экономической и операционной эффективности для заданных условий среднесерийного производства.

Методология (Материалы и методы)

Исследование проводилось на основе системного подхода к технологическому проектированию. Объектом исследования выступил технологический процесс изготовления поршня из стали 45 для среднесерийного производства. В работе применялся комплекс взаимосвязанных методов. Для количественной оценки исходного состояния был проведён анализ технологичности конструкции (ТКИ) с расчётом комплексного показателя Kтех по методике, описанной в работах [1, 2], а также с учётом современных подходов к принятию решений на основе данного показателя [7]. Критический анализ существующего технологического процесса включал оценку выбора заготовки (штамповка на КГШП), правильности назначения технологических баз (Рисунок 1), последовательности операций, а также адекватности применяемого оборудования (токарно-винторезный станок 16К20П), режущего и измерительного инструмента [2, 3].

Для обоснования проектных решений использовались расчётно-аналитические методы:

• определение припусков на механическую обработку ответственной поверхности Ø32h7 расчётно-аналитическим методом [4];
• определение типа производства и расчёт такта выпуска (t_c = 16,06 мин) [1];
• сравнительная экономическая оценка вариантов получения заготовки и выполнения операций [1, 6].

Для задачи оптимизации режимов резания при чистовом зенкеровании был применён метод линейного программирования с целью максимизации производительности в рамках заданных технологических ограничений [1].

Рисунок 1. Схема базирования заготовки поршня на операциях токарной обработки

Результаты и обсуждение

Проведённый анализ технологичности конструкции (ТКИ) поршня показал значение комплексного показателя K_тех = 0,273 , что свидетельствует о среднем уровне технологичности. Данный результат указывает на наличие резервов для оптимизации, в первую очередь, за счёт повышения унификации конструктивных элементов и упрощения геометрических форм, что согласуется с современными подходами к оценке ТКИ [7].

Критический анализ существующего технологического процесса позволил выявить его системные недостатки. Использование универсального токарно-винторезного станка 16К20П, ориентированного на условия единичного и мелкосерийного производства, является неоптимальным для заданной программы выпуска (15000 шт./год) [2, 3]. Кроме того, последовательность обработки наиболее ответственной поверхности — штока поршня Ø32h7 — ограничивалась операциями точения и шлифования, что не гарантировало достижение 7-го квалитета точности и шероховатости Ra 0,8 мкм без введения промежуточной получистовой операции.

На основе проведённого анализа были разработаны и предложены следующие усовершенствования технологического процесса (Рисунок 1):

1. Модернизация оборудования: Замена станка 16К20П на токарный станок с ЧПУ модели 16К20Ф3, предназначенный для среднесерийного производства. Это позволяет автоматизировать вспомогательные переходы и повысить стабильность обработки.
2. Оптимизация технологического маршрута: Введение дополнительной операции получистового точения и разделение операции шлифования на два этапа (предварительное и чистовое) для обеспечения плавного снижения припуска и улучшения качества поверхности [3].
3. Рационализация оснащения: Подбор контурных резцов с пластинами из твёрдого сплава Т15К6 и современной револьверной головки УГ9326 для эффективной работы на станке с ЧПУ.

Ключевым практическим результатом работы является количественная оценка экономической эффективности предложенных изменений. Как видно из данных, представленных в Таблице 1, переход на обработку на станке с ЧПУ позволяет достичь значительного сокращения времени и стоимости.

Таблица 1.

Сравнительная экономическая эффективность вариантов выполнения операции 015 (токарная)

Таким образом, реализация проекта обеспечивает сокращение штучного времени на 42% и снижение технологической себестоимости операции на 5,1%. Данный экономический эффект, актуальный для условий серийного производства, подтверждает целесообразность модернизации [6].

Все предложенные технические решения были проверены расчётными методами на соответствие заданным требованиям. Для размера Ø32h7 суммарная погрешность обработки (Δ = 11,8 мкм) не превышает установленный допуск (T_d = 25 мкм). Шероховатость поверхности после чистового шлифования (Ra = 0,72 мкм) также соответствует требуемому значению (Ra ≤ 0,8 мкм) [4]. Это подтверждает, что повышение экономической эффективности не приводит к снижению качества готового изделия.

Выводы

На основании проведённого исследования и анализа результатов можно сформулировать следующие выводы:

1. Системный анализ существующего технологического процесса изготовления поршня 00.54.003 подтвердил его основную неэффективность, заключающуюся в использовании универсального оборудования (станок 16К20П) в условиях среднесерийного производства.
2. Расчёт комплексного показателя технологичности (Kтех = 0,273) выявил потенциал для оптимизации как конструкции детали, так и самого процесса её изготовления.
3. Разработанный усовершенствованный технологический процесс, ключевыми элементами которого являются внедрение станка с ЧПУ 16К20Ф3, введение операции получистового точения и двухэтапного шлифования, технологически обоснован и направлен на устранение выявленных недостатков.
4. Основным практическим результатом работы является доказанное количественное преимущество проектного варианта: сокращение штучно-калькуляционного времени на 42% (до 1,01 мин) и снижение технологической себестоимости операции на 5,1% (до 0,602 руб.) при гарантированном соблюдении всех требований к точности и качеству поверхности детали.
5. Проведённые проверочные расчёты подтверждают, что предложенные решения обеспечивают требуемую точность (Δ=11,8 мкм < Td=25 мкм) и шероховатость (Ra=0,72 мкм), что делает проект пригодным для внедрения в производство.

Список литературы:

1. Дуюн Т.А., Шрубченко И.В., Хуртасенко А.В. и др. Основы технологического проектирования в машиностроении: учеб. пособие. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2013. - 268 с.
2. Справочник технолога машиностроителя: В 2 т. Т.1 / Под ред. А.М. Дальского, А.Т. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. - 5-е изд. - М.: Машиностроение, 2003.
3. Справочник технолога машиностроителя: В 2 т. Т.2 / Под ред. А.М. Дальского, А.Т. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. - 5-е изд. - М.: Машиностроение, 2003.
4. Общемашиностроительные нормативы режимов резания: Справочник: В 2-х т.: Т. 1 / А. Д. Локтев, И. Ф. Гущин, В. А. Батуев и др. - М.: Машиностроение, 1991. - 640 с.
5. ГОСТ 7505-89. Поковки стальные штампованные. Допуски, припуски и кузнечные напуски.
6. Общемашиностроительные нормативы времени вспомогательного, на обслуживание рабочего места и подготовительно-заключительного на работы, выполняемые на металлорежущих станках. Среднесерийное и крупносерийное производство. - М.: Изд-во НИИ труда, 1984.
7. Алексеев Е.В. Принятие управленческого решения на основе комплексного показателя технологичности // Мировые научные парадигмы в цифровую эпоху: взгляд в будущее: материалы VIII Международной научно-практической конференции. - Ростов-на-Дону, 2022. - С. 232-235.
8. Гаврилов Д.В., Карченков М.С. Оптимизация конструкции элементов приспособления на основе CAE-анализа // XII Международный молодежный форум "Образование. Наука. Производство": материалы форума. - Белгород, 2020. - С. 1820-1824.
9. Вартанов М.В., Чунг Т.Ч. Сборное производство: проблемы и решения // Станкоинструмент. - 2020. - № 2 (19). - С. 22-29.