Paleta de Turbina

INTRODUCERE

Unul din factorii de bază ai progresului tehnico-economic este creșterea productivității muncii. Perfecționarea metodelor tehnologice ale construcției de mașini are o însemnătate primordială. Calitatea, siguranța, economicitatea în exploatare, ce depinde atât de perfecțiunea construcției, cât și de tehnologia de producere.

Așa cum un semifabricat se poate obține, în general, prin mai multe metode și procedee diferite ca volum de muncă și cost. Astfel, cum se știe că, costul intră în componența costului piesei se impune o analiză atentă și o alegere rațională a metodei, și procedeului de elaborare. Procesul tehnogic proiectat trebuie să asigure îndeplinirea tuturor cerințelor indicate de către desenul de execuție al piesei cu minimul cheltuielilor de muncă, mijloace de producere și materiale. Pe parcursul proiectării procesului tehnologic este necesar de a ne baza pe criteriul tehnic – în scopul respectării cerințelor desenului, criteriul economic – în scopul micșorării cheltuielilor.

Ca date inițiale pentru proiectare servesc: desenul de execuție al piesei, care conține toată informația despre piesa finită în cazul dat avem o piesă de tip „Paletă de turbină”. Programa anuală este de 10 000 bucăți. Avînd în vedere caracterul specialității, de la început stabilim că procesul tehnologic va fi elaborat în baza fabricării flexibile automatizate. Este folosită mașină-unealtă ca utilaj de bază la care prelucrarea poate fi realizată pe baza controlului numeric. Aici se adaugă caracterul universal al metodei de schimb a semifabricatului (manual), control, transportare, depozitare. Procesul tehnologic se elaborează după principiul: depozit – mașină unealtă disponibilă – depozit. Utilizarea acestei metode de producție (fabricarea flexibilă automatizată), cu siguranță, va asupra măririi productivității și micșorarea prețului de cost al produsului, în așa fel ca să ofere posibilități de prelucrare a unui număr mai mare de piese (pe lângă cele 10 000), piese care de altfel au un cost de producere mai scăzut.

PREZETARE MAȘINĂ UNEALTĂ

NOȚIUNI FUNDAMENTALE PRIVIND CONSTRUCȚIA MAȘINILOR CNC

Progresul tehnic în construcția de mașini depinde mai ales de stadiul industriei constructoare de mașini-unelte. Cantitatea și nivelul tehnic ale mașinilor-unelte caracterizează într-o mare măsura capacitatea de producție a unei entități de producție.

Evoluția gradului de automatizare a mașinilor unelte este strâns legată de de sistemele de conducere a acestora, care au evoluat de la sistemele de conducere manuală la cele cu came, comandă după șablon, secvențiale și în fine cu conducere asistată. Evident că această evoluție a implicat o dezvoltare corespunzătoare a industriei electronice ce produce echipamentele necesare deservirii acestor sisteme de comandă. S-au produs astfel cronologic: relee și tuburi electronice, tranzistori, circuite integrate pe scară mică, microcalculatoare, microprocesoare, circuite integrate pe scară largă și încheind cu tehnologia SMD.

Un deziderat important al tehnologiilor moderne este dat de flexibilitatea producției și deci prin capacitatea de a trece de la fabricarea unui produs la altul, cu cheltuieli minime.

In stadiul actual de dezvoltare a mașinilor-unelte acest deziderat de automatizare cu profil larg, este integral rezolvat prin sisteme de comanda după program care asigura trecerea rapida de la un produs la altul printr-o simplă schimbare a programului mașinilor-unelte.

Comanda după program reprezint ă o comanda de copiere în care se folosesc purtători fizici de informații prin care forma piesei sau, mai precis, date despre forma piesei, se păstrează și se transmit prin cod. Aceasta, împreuna cu unele date tehnologice (regimul tehnologic), mișcări auxiliare și semnale reprezintă programul de prelucrare a piesei.

APARIȚIA ȘI DEZVOLTAREA MAȘINILOR CU COMANDĂ NUMERICĂ

Pentru formarea unei imagini de ansamblu privind mașinile cu comandă numerică și a evoluției acestora se vor prezenta în continuare câteva repere cronologice.

Ideea conducerii unui utilaj sau instalație prin sisteme de comanda, ca și cele existente în prezent la mașinile cu comanda numerica este foarte veche; aparține secolului al XIV și a fost concretizată prin crearea flașnetelor comandate (programate) prin tamburi cu axe.

In anul 1808 Joseph M. Jacquard a folosit, pentru prima data, cartele perforate metalice la automatizarea mașinilor de țesut.

1863 este anul în care M. Fourneaux a obținut patentul pentru pianul automat cunoscut sub numele de "Pianola", recunoscut pe plan mondial pentru suportul informațional-banda de hârtie perforata, cu lațimea de circa 30 cm, care comanda prin intermediul presiunii aerului acționarea clapetelor mecanice ale pianului.

In anul 1938, Claude E. Shannon a studiat și a confirmat posibilitatea efectuării unor calcule matematice automate prin intermediul algebrei booleene. Astfel au fost puse bazele structurilor actuale ale calculatoarelor și a conducerii numerice și s-a conturat și posibilitatea transmiterii pe cale electronica a informațiilor și rezultatelor unor calcule matematice prin intermediul unor componente electronice.

Anul 1946 s-a realizat de către Dr. John W. Mauchly și Dr. J. Presper, in cadrul institutelor militare de cercetare a primului Calculator electronic digital "ENIAC". Atunci au fost puse și bazele sistemelor de prelucrare electronică a datelor.

In perioada cuprinsa intre anii 1949…1952, cercetătorul american John Parsons de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts împreună cu Forțele Aeriene Americane definitivează "un sistem pentru mașini unelte, de poziționare a axului principal prin intermediul unui calculator in vederea conducerii procesului de prelucrare a piesei".

Cu aceasta mașina urmau sa fie prelucrate reperele cu forme complexe utilizate în industria aeronautică. Aceste piese puteau fi descrise (ca și formă) mult mai ușor din punct de vedere matematic, in schimb se prelucrau foarte greu manual.

Atunci s-a stabilit, pentru prima data, legătura între calculator și sistemele de conducere numerică a mașinilor-unelte.

In anul 1952 la Institutul de Tehnologie din Massachusetts a fost dată în funcțiune prima mașină cu comanda numerică "Cincinnati Hydrotel" cu ax vertical. Sistemul de comandă electronic permitea mișcarea simultana în trei axe (după trei direcții) – interpolare liniară și codificarea informației în sistem binar.

1954 este anul când firma Bendix preia licența și drepturile asupra patentului Parsons și construiește pe scară industrială prima mașina cu comanda numerica.

Forțele Armate Aeriene Americane vor introduce trei ani mai târziu (1957) în cadrul industriei constructoare de armament primele mașini de frezat cu comanda numerica. In același timp se lucra la primul limbaj de programare APT (Automatically Programed Tools) care a fost realizat în legătură directa cu calculatorul IBM-704.

Anii 1959 și 1969, au adus nou integrarea tranzistorului și a circuitului integrat în structurile cu comanda ale MUCN.

In anul 1969, în SUA, se realizează prima instalație de conducere numerica directa (DNC) prin intermediul standului "Omnicontrol" și a calculatorului IBM.

Primele sisteme de conducere numerica prevăzute în blocuri integrate de măsurare (1972) au deschis calea spre noua generație de mașini-unelte cu sisteme de conducere computerizata – CNC care au fost completate foarte repede cu microprocesoare. Acestea din urma (1976) vor revoluționa tehnica conducerii proceselor tehnologice de prelucrare.

Anul 1978 coincide cu anul realizării primelor sisteme flexibile de prelucrare. Un an mai târziu (1979) apar primele programe de proiectare asistata constructiva CAD (Computer Aided Design) și tehnologica CAM (Computer Aided Manufacture) care sunt ușor integrate în activitățile de realizare a proceselor tehnologice pe MUCN.

In anul 1984 sunt introduse programe grafice asistate care au stabilit coordonatele de desfășurare a programării în fabrica. Sistemele de programare grafice introduse in anii 1985 – 1986 au determinat apariția unui sistem interactiv de programare a MUCN. Standardizarea anumitor module din structura MUCN (1986/87) a permis deschiderea unor direcții noi în realizarea de „fabrici automatizate" având la baza schimbul continuu de informații.

Introducerea în anul 1990 a modulelor digitale, ca elemente de legătură dintre blocul de comanda și cel de acționare, a îmbunătățit precizia și reglajul deplasării pe axele de coordonate ale mașinii și ale arborelui principal.

In anul 1992 se introduc sistemele CNC – deschise caracterizate prin flexibilitate ridicată.

Incepând cu acest nivel evoluția a cunoscut un ritm accelerat fiind legată de dezvoltarea tehnicii de calcul, a centrelor de prelucrare, a tehnologiilor de grup, a sistemelor DNC, a senzorilor, a tehnicilor de modelare geometrică și procesare grafică a datelor, a sistemelor CAD/CAM, sistemelor și tehnicilor de diagnosticare, limbajelor de programare de înalt nivel, inteligenței artificiale.

PREZENTAREA SISTEMULUI CAM (Computer Aided Manufacturing)

CAM (Computer Aided Manufacturing) presupune asistarea cu calculatorul a procesului de fabricație. Aceasta presupune elaborarea programelor CNC, transmiterea lor la MUCN precum și realizarea efectivă automat a procesului de prelucrare și montaj.

Funcțiile ce urmează să fie asigurate de sistemul CAM sunt: comanda fabricației și a atelierelor de fabricație; comanda posturilor de lucru; comanda fluxurilor de materiale; comanda magaziilor și a transportului; comanda procesului de prelucrare.

Aceste funcții pot fi asigurate prin existența unui complex software/hardaware adecvat și capabil să gestioneze baze de date care conțin informații despre: contracte de fabricație, capacități de producție, fluxuri de materiale, mijloace de producție, situația magaziilor și a transportului și contracte de service.

Mașinile unelte cu comandă numerică sunt mașini unelte clasice la care sunt atașate echipamentul numeric și celelalte module aferente.

Astfel componentele principale ale unei mașini cu comandă numerică sunt:

mașina unealtă;

echipamentul de comandă numerică;

motoare pas cu pas;

magazia de scule;

cap revolver;

sistem de prereglare al sculelor;

rigle optice pentru deplasări;

calculator.

Din punct de vedere al transmiterii programului la mașina unealtă cu comandă numerică există în principiu două variante:

manual, prin tastarea efectivă a programului de la tastatura echipamentului. Această variantă se aplică în cazul unor procese tehnologice cuprinzând repere cu geometrie mai simplă. Introducerea datelor este precedată de programarea manuală a prelucrării.

automat, prin realizarea programării asistate de calculator a mașinii-unelte. Aceasta presupune introducerea la calculator a adreselor geometrice și tehnologice urmând ca sistemul de calcul și software-ul adecvat să realizeze postprocesorul în cod mașină. Varianta se aplică în cazul proceselor tehnologice complexe, necesitând un mare număr de informații.

Pentru a realiza programarea deplasărilor și rotirilor elementelor mașinii-unelte după diferite direcții este necesar să se raporteze cotele piesei din desenul de execuție la un sistem de axe de coordonate. Identificarea axelor de deplasare se face prin simboluri precizate de recomandările ISO. Conform acestui standard există un sistem de axe de coordonate ale mașinii-unelte când axele corespund deplasărilor sculei, și sistemul de axe coordonate al piesei, la care axele de coordonate se referă la deplasările executate de elementul pe care se fixează piesa, fiecare axă de deplasare având un semn + sau un semn – dat de sensul de deplasare. Asupra acestui aspect se va reveni pe larg în cadrul cărții.

ELEMENTE DE ACȚIONARE ȘI COMANDĂ CONTROLABILE CNC

In cadrul acestui subcapitol se vor prezenta componentele mașinilor unelte cu comandă numerică care sunt controlate de programe cu comanda numerică-NC și care este modul de funcțonare în general. Referirile vor fi orientate pe două dintre mașinile cel mai des utilizate la prelucrările cu comandă numerică și anume: strungul CNC (figura 1.1) și mașina de frezat CNC (figura 1.2).

Fig. 1.1 Strung CNC Fig. 1.2 Mașină de frezat CNC

Cunoașterea funcțiilor și elementelor programabile ale unei mașini CNC sunt elemente ce trebuie cunoscute în detaliu: de operatorul care lucrează pe mașină cu comanda numerica, de programatorul ce realizează programul cod mașină pentru prelucrarea piesei precum și de tehnologul care conduce execuția.

Aceștia trebuie să fie familiarizați cu tot ce se poate executa pe o astfel de mașina precum si cu limitele între care se poate opera.

In general componentele controlabile prin program NC ale MUCN sunt:

axele pe care se realizează avansurile: la strung (figura 1.3) și la freză (figura 1.4);

lanțurile cinematice de avans (figura 1.5);

dispozitivele de măsura și control: poziționare directă (figura 1.6) si poziționare indirectă (figura 1.7);

arborele principal al mașinii unelte: la strung (figura 1.8) si la freză (figura 1.9);

dispozitivele de prindere a piesei: la strung (figura 1.10) si la freză (figura 1.11);

capete revolver (figura 1.12) și magazie de scule (figura 1.13);

axe de rotație si axe adiționale de avans.

Fig. 1.3 Axele de avans la strunguri CNC Fig. 1.4 Axele de avans la freze CNC

Masa mașinii Piuliță cu bile Motor acționare

Șurub cu bile

Ambreaj

Fig. 1.5 Lanțul cinematic pentru deplasarea mesei mașinii de frezat

Deplasare sanie Surub cu bile

Scală

Deplasare sanie

Scală Evaluator Evaluator rotativ

Fig. 1.6 Măsurarea prin poziționare directă Fig. 1.7 Măsurarea prin poziționare indirectă

Tahogenerator Semifabricat Motor

Universal Frontal arbore Arbore Tahogenerator

principal

Motor Frontal arbore

Sculă

Fig. 1.8 Arborele principal la strunguri CNC Fig.1.9 Arborele principal la freză CNC

Universal Bacuri Semifabricat

Bride Masa mașinii

Semifabricat

Fig. 1.10 Orientarea și fixarea Fig.1.11 Orientarea și fixarea

semifabricatului pe strungurile CNC semifabricatului pe mașinile de frezat CNC

Fig. 1.12 Cap revolver Fig. 1.13 Magazie de scule

CENTRU DE PRELUCRARE UTILIZAT PENTRU REALIZAREA PALETEI DE TURBINĂ

Centrele de prelucrare prin strunjire Haas de înaltă performanță din seria ST-20 (figura 1.14), au fost proiectate de la zero pentru a furniza flexibilitate la instalare, rigiditate extremă și stabilitate termică mare. Disponibile în modelele standard și de viteză mare, aceste mașini cu universal de 210 mm, oferă cea mai bună performanță în raportul preț calitate din clasa lor. Dispunând de scule antrenate cu cuplu mărit și axa C a arborelui, este posibilă prelucrarea pieselor cu configurație complexă și efectuarea de operațiuni secundare într-o singură prindere.

Fig.1.14 Centru de prelucrare prin strunjire Haas ST-20

CARACTERISTICI STANDARD

Universal acționat hidraulic de 210 mm (figura 1.15);

Tip parte frontală arbore A2-6;

Diametrul de trecere pentru bare 51 mm;

Monitor LCD color 15";

Port USB încorporat;

Memorie de program de 1 MB;

Filetare rigidă;

Panou de control Haas cu utilizare facilă;

Fabricat în SUA;

Capacitate maximă 254 x 533 mm;

Arbore de 5000 rot/mn;

Acționare vectorială de 22,4 kW;

Turela BOT/VDI cu 24 posturi (figura 1.16).

Fig. 1.15 Universal acționat hidraulic

Fig. 1.16 Turela hibrid cu 24 de poziții

SPECIFICAȚII TEHNICE

Tabelul 1.1

Tabelul 1.2

Tabelul 1.3

Tabelul 1.4

ANALIZA DESENULUI DE EXECUȚIE A PIESEI ȘI A CERINȚELOR TEHNICE

Această parte a proiectului are ca scop stabilirea, pe baza unor considerente tehnice și economice, a succesiunii operatiilor (in cazul desfășurării procesului de prelucrare prin strunjire sau frezare).

PREZENTAREA PALETEI DE TURBINĂ

Paletele (figura 2.1) sunt piesele care transformă energia cinetică a aburului în energie mecanică. Ele sunt formate dintr-o parte activă, lama paletei și o parte de fixare pe disc (la turbinele cu acțiune), respectiv tambur (la cele cu reacțiune), piciorul paletei. Lama paletei servește pentru schimbarea direcției aburului în vederea extragerii din el a energiei. În acest scop lama este profilată aerodinamic, profilele folosite fiind relativ groase și cu curbură mare. Și la palete forma profilului depinde de tipul curgerii dorite.

La turbinele cu acțiune este nevoie de palete la care canalul interpaletar să aibă o secțiune practic constantă.

Fig. 2.1 Paletă de turbină

FORMA CONSTRUCTIVA A PIESE

Desenul de execuție a unei piese constituie cel mai important document pentru elaborarea procesului tehnologic de fabricație a ei. Inginerul tehnolog, aflat în fața unui desen de execuție pentru care urmează să proiecteze tehnologia, execută o verificare a acestuia. Verificarea constă în determinarea respectării cerințelor standardelor în vigoare referitoare la modul de întocmire a desenelor și de înscriere a cerințelor tehnice, și examinarea tehnologicității de fabricație a acesteia. Desenul de execuție trebuie să cuprindă toate datele necesare execuției piesei. Aceste date privesc construcția piesei, forma, dimensiunile, toleranțele, gradul de finisare, materialul, tratamentul termic.

Toate dimensiunile pe desen sunt standardizate. Unele din elementele de bază ale cerințelor tehnice sunt toleranțele de mărime, toleranțele de formă și amplasarea suprafețelor, cît și mărimea rugozității elementelor piesei. Piesa dată este un corp de revoluție constituit din suprafețe de revoluție exterioare, prin prezența mai multor alezaje de dimensiuni diferite și un alezaj filetat; (dimensiunile de gabarit a piesei L = 153.88mm; D = ϕ37.27mm). În dependență de rolul functional pe care îl îndeplinesc suprafețele date sunt executate la precizia și rugozitatea respectivă. Piesa este supusă prelucrării mecanice la mașină-unealtă cu control numeric la un șir de operații complexe.

PRECIZIA DE POZIȚIE RECIPROCA A SUPRAFEȚELOR

Tabelul 2.1 Precizia de poziție reciprocă a suprafețelor

Fig. 2.2 Reprezentarea pe desen a elementelor de precizia

de poziție reciprocă a suprafețelor

MATERIALUL PIESEI

Materialul folosit la fabricarea paletei de turbine este oțel inoxidabil.

Există trei categorii principale de oțel inoxidabil: feritic, martensitic si austenic.

Oțelurile feritice sunt magnetice și au un conținut scăzut de carbon și conțin cromul ca element principal, în general în proporție de 13% si 17%.

Oțelurile martensitice sunt magnetice având un conținut tipic de 12% crom si un conținut mediu de carbon.

Oțelurile austenice sunt non-magnetice si pe lângă crom, în concentrații tipice de 18%, conțin nichel care crește rezistența la coroziune. Acestea sunt cele mai utilizate tipuri de oțeluri inoxidabile.

Pe baza standardului privind materialul piesei, se prezintă:

Simbolul: 5NiCr180

Tabelul 2.2 Proprietăți chimice

ANALIZA SARCINII DE PRODUCȚIE

Importanța majoră în elaborarea proceselor tehnologice de prelucrare mecanică revine cunoașterii caracterului producției și mărimea lotului. Volumul de producție determină caracterul de fabricare: unicat, serie sau masă. Totodată, o influiență a tipului de producție revine dimensiunii și masei piesei de fabricat.

Factorii care determinnă alegerea metodei de prelucrare sunt:

programa de producție;

masa;

productivitatea mașinilor-unelte;

cerințele tehnice de prelucrat impuse;

mărimea coeficientului de precizie total;

numărul operațiilor ce trebuiesc realizate;

costul prelucrării mecanice.

Pentru determinarea tipului de producție folosim metoda indicilor de constanță. Această metodă permite stabilirea tipului de producție la nivel de reper-operație, pe baza gradului de omogenitate și stabilitate în timp a lucrărilor care se execută la locul de muncă. Aceste două caracteristici de bază ale fabricației pot fi cuantificate, pentru fiecare operație i și reper j, cu ajutorul unui indice Kij dat de relația:

în care:

rj – ritmul mediu al fabricației reperului j, în min/buc;

tij – timpul necesar pentru efectuarea operației i la reperul j, în min/buc.

Dacă notăm cu Nj programul de producție anuală a reperului j (care conține și stocul de siguranță și piesele de schimb în cantitate de 15%), ritmul mediu rj se determină cu relația:

min/buc

în care:

Fn – fondul nominal de timp planificat a fi utilizat în mod productiv, exprimat în minute, care se poate exprima cu relația:

în care:

z – numărul de zile lucrătoare în perioada considerată;

ks – numărul de schimburi în care se lucrează;

h – numărul de ore lucrare într-un schimb.

În funcție de valorile pe care le ia indicile Kij, operațiile de prelucrare pot fi încadrate în următoarele tipuri de producție:

a) pentru Kij ≥ 1, producție de masă;

b) pentru 1 < Kij ≤ 10, producție de serie mare;

c) pentru 10 < Kij ≤ 20, producție de serie mijlocie;

d) pentru Kij > 20, producție de serie mică.

Astfel, pentru piesa corp ținîndt cont de toți factorii enumerați mai sus (avînd ca principiu micșorărea lor pînă la optim), va fi rațional de inclus efectuarea operațiilor de prelucrare mecanică pe mașină unealtă de productivitate înaltă ce are posibilitate să prelucreze întreg ansamblu de prelucrări.

În funcție de masa piesei de prelucrat și programul anulă de fabricație determinăm tipul producției. Am derminat tipul de producție − serie mijlocie.

În cazul producției de serie mijlocie se evidențiază următoarele caracteristici:

perspectiva repetării periodice a fabricării acelorași piese;

utilzarea mașinilor unelte și SDV-urilor universale și specializate;

coeficient de încărcare mediu a mașinii;

documentație tehncă mai amănunțită, la nivelul planului de operații;

regimuri de așchiere alese din normative sau calculate la calculator;

utilizarea programelor adecvate;

normare tehnică a timpilor de prelucrare mai exactă după normative;

ANALIZA TEHNOLOGICITĂȚII CONSTRUCȚIEI PIESEI

Orice produs (piesă, mașină, aparat etc) poate fi caracterizat din diverse puncte de vedere: constructiv-funcțional, ecologic, tehnologic etc.

Tehnologicitatea construcției pieselor mașinilor, etc. este caracteristica acestora de a se putea fabrica, la programa de producție impusă, cu consum de materiale și manoperă reduse, timpul de pregătire a produsului spre confecționare, toate la un cost cît mai redus.

Evitarea produselor „netehnologice”, adică, dificile de fabricat și cu costuri mari este posibilă prin asigurarea unei tehnologicități cît mai ridicate.

Aici conceptul de tehnologicitate s-a luat în considerare atît la proiectarea construcției, cît și la proiectarea tehnologiei.

Principalii indici tehnico-economici de apreciere a tehnologicității construcției produselor sunt:

Masa;

Gradul de utilizare a materialului;

Gradul de unificare a diferitor elemente constructive ale piesei (alezaje, filete, etc.);

Volumul de muncă pentru fabricarea produsului;

Costul produsului C, care include: Csf – costul semifabricatului; Cpm – coostul prelucrărilor mecanice; Cp – costul probelor (controlul final al calității).

Măsuri specifice pentru asigurarea unei tehnologități cît mai ridicate sunt:

Raționalitatea construcției și a schemelor cinematice a produselor;

Unificarea construcțiilor pieselor și a suprafețelor acestora;

Posibilitatea asimilării fabricației piesei în scurt timp;

Folosirea procedeelor tehnologice moderne, de mare productivitate;

Organizarea optimă a fabricației, controlului și încercării diferitelor subansambluri, piesei sau a mașinei în întregime.

Rezultatul piesei noastre este:

Piesa nu are o configurație simplă și nici simetrică;

Materialul piesei este ușor de prelucrat;

Dispunerea suprafețelor asigură accesibilitate ușoară pentru scule, calibre verificatoare;

Precizia impusă piesei este realizabilă;

Piesa prezintă stabilitate și rigiditate procesului tehnologic;

Varietatea suprafețelor care iau naștere prin copiere este satisfăcătoare;

Adaosul de prelucrare este minim;

Piesa este cotată tehnologic;

Pisa prezintă suprafețe care permit o orientare și fixare ușoară.

Avînd in vedere cele prezentate mai sus rezultă că piesa are o tehnologicitate bună.

ALEGEREA METODEI DE FABRICARE A SEMIFABRICATULUI

Ținând cont de material, care este oțel inoxidabil, pot fi deformate prin laminare cu rezultate foarte bune. Eventualele crăpături care apar în timpul laminării se datorează în special calității nesatisfăcătoare a lingourilor, încălzirii la temperaturi foarte ridicate sau laminării cu lățire liberă; oțelul inoxidabil austenitic prezentând lățire mare la laminare, apar tensiuni de întindere pe muchiile laminatelor care sunt generatoare de fisuri și crăpături.
Există mai multe procedee ( posibilități ) pentru realizarea semifabricatului:

laminare la rece;

forjare;

matrițare;

trefilare.

Factorii care determinnă alegerea metodei de fabricarea a semifabricatului:

în dependență de forma constructivă;

dimensiunile de gabarit;

materialul;

cerințele tehnice de prelucrat impuse;

masa;

programa de producție;

precizia;

volumul de muncă;

costul prelucrării mecanice;

utilajul existent sau posibil de procurat.

Pentru alegerea rațională a semifabricatului este necesar, în ansamblu, de ținut cont de toți factorii enumerați mai sus, deoadece între ele există o legătură reciprocă. Metoda cea mai rațională de obținere a semifabricatului va putea fi determinată precis după realizarea unui calcul a costului semifabricatului și a cheltuielilor ulterioare pentru prelucrarea lui.

Piesa dată „paleta” este o piesă ce face parte din grupa a 2-a de complexitate. Întrucît piesa dată este din clasa pieselor „arbori” semifabricatul este respectiv obținut din bară laminată sau prin matrițare.

METODE POSIBILE DE FABRICARE A SEMIFABRICATULUI

Reișind din caracteristica, configurarea geometrică, masa, materialului, tipului de producere, precum și a analizei făcute anterior, determinăm metodele posibile de fabricare a semifabricatului (figura 2.3) si (figura 2.4).

Fig. 2.3 Semifabricat laminat

Fig. 2.4 Semifabricat matrițat

METODA ECONOMIC ACCEPTABILĂ

Pentru alegerea mai efective a unei metode de obținere a semifabricatului vom efectua calculul și descrierea acestor două metode cu enumerarea avantajelor și dezavantajelor fiecărei metode.

Dintre aceste două metode de obținere a semifabricatului trebuie să alegem varianta economică.

La prima etapă de proiectare conform STAS 7505-89 se alege masa orientativă a fabricatului inițial pentru matrițare după formula:

unde:

MFP – masa semifabricatului predefinită;

MP – masa piesei, MP = 0,4 kg;

KC – coeficientul de calcul.

În dependență de tipul piesei găsim KC = 1,5…1,8. Deci KC = 1,6.

Alegerea gradului de complexitate a fabricatului se execută conform următorei relații:

unde:

C – gradul de complexitate;

MFG – masa figurii geometrice.

Masa figurii geometrice MFG este masa figurii circumscrise piesei, în cazul dat este un cilindru cu dimensiunile: L = 135,88 mm, R = 37,27 mm.

Calculăm volumul figurii geometrice după formula:

unde:

R – raza cilindrului;

L – lungimea cilindrului

mm2

Calculăm masa figurii geometrice:

unde:

ρ – densitatea materialului, g/cm3;

Din STAS 7505-89 găsim că gradul de complexitate a piesei cercetate se include în clasa C2 = 0,32 – 0,63.

Toate forjele sunt obținute cu o clasă de precizie în dependență de utilajul tehnologic. Din anexa 1 după STAS 7505-89 găsim clasele de precizie pentru metoda de matrițare aleasă :

Matrițare în prese cu manivelă la cald: clasa de precizie T4. Alegerea unghiurilor de înclinare la matrițare se aleg din STAS 7505-89;

Matrițare în prese cu manivelă la cald: suprafețe interioare 1o , exterioare 3o. Alegem indexul inițial conform STAS 7505-89;

Matrițare în prese cu manivelă la cald: masa forjei 0,4 kg, marca oțelului M 1 (conform STAS 7505-89), gradul de complexitate C2, clasa de precizie T4, atunci indexul inițial I = 10.

Determinăm masa semifabricatuli pentru ambele metode:

Volumele semifabricatelor sunt determinate cu ajutorul softului Inventor:

Vm = 19571,24mm3

V1 = 26372,76 mm3

msf = 0,7 kg – pentru matrițat;

msf = 0,9 kg – pentru laminat

PROCESUL TEHNOLOGIC PENTRU EXECUȚIA PIESEI

SUCCESIUNEA FAZELOR TEHNOLOGICE DE PRELUCRARE A SUPRAFEȚELOR ELEMENTARE

Stabilirea succesiunii optime a operațiilor (fazelor) are importanță deosebită pentru orice proces tehnologic. Performanțele de precizie, productivitate, cost și flexibilitate ale fabricării unui produs sunt influențate de structura procesului tehnologic. În structura unui proces tehnologic, succesiunea operațiilor (fazelor) este un element principal.

Succesiunea optimă a operațiillor procesului tehnologic l-am stabilit luînd în considerare:

principii tehnologice specifice;

trasee tehnologice tip;

metode matematice adecvate;

Pentru alegerea metodei de prelucrare sunt utilizate tabele cu valori a preciziei economice asigurate este efectuată analiza posibilităților de antrenare în mișcare principală a semifabricatului și/sau a sculelor. Reieșind din parametrii constructivi a piesei, adică corpurile de revoluție, ar fi optim de utilizat mișcarea principală a semifabricatului, adică mișcare de rotație.

Așa fel de organizare permite asigurarea unei precizii mai înalte, în același timp prin micșorare a unităților de utilaj tehnologic. Combinarea de prelucrări de finisare și degroșare pe un singur utilaj este convenabilă, dacă acesta nu aduce la micșorarea preciziei de execuție. Numărul de faze la prelucrarea fiecărei suprafețe trebuie să fie minimal, dar suficient pentru îndeplinirea sigură a tuturor cerințelor impuse de desenul de execuție.

Pentru fiecare suprafața vom analiza variantele posibile de succesiune a fazelor tehnologice ținînd cont de criteriile: asigurarea preciziei dimensionale, poziția reciproca a suprafețelor, rugozitatea acestora, proprietățile fizico-mecanice ale stratului superficial (tabelul 3.1).

Tabelul 3.1 Variante posibilede prelucrare a suprafețelor

ADAUSURILE DE PRELUCRARE MINIMALE ȘI DIMENSIUNILE INTERMEDIARE

Pentru determinarea adaosurilor de prelucrare se folosesc următoarele metode:

metoda experimental-statistică;

metoda de calcul analitic.

Metoda experimental-statistic prezintă determinarea adaosurilor minimale din standarte, tabele sau normative care au fost formate pe baza experienții uzinilor.

Metoda de calcul analitic al adaosurilor prezintă analiza factorilor care provoacă mărirea adaosurilor, stabilirea elementelor componente ale acestuia pentru condițiile concrete de efectuare a diferitelor operații tehnologice. Calculul analitic al adaosurilor de prelucrare permite determinarea unor dimensiuni intermediare optime la toate operațiile succesive de prelucrare și asigură un număr minim de operații și faze de prelucrare, necesare obținerii calității prescrise a piesei prelucrate.

Pentru adaosuri simetrice (pe diametru) la suprafețe exterioare și interioare de revoluție adaosul se va calcula după formula:

unde:

2Apimin – adaosul de prelucrare minim pentru operația (faza), considerat pe diametru sau pe două fețe plane opuse, prelucrate simultan;

Rzi-1 – înălțimea neregularităților profilului, rezultată la operația (faza) precedentă;

Si-1 – Adîncimea stratului superficial, format la operația, faza precedentă i-1;

ρi-1 – abaterea spațială ale suprafeței prelucrate față de bazele tehnologice ale piesei, rămase după efectuarea operației (fazei) precedente;

εi – eroarea de prindere (eroarea de orientare și eroarea de fixare) care apare la prinderea semifabricatului în etapa de prelucrarea curentă i.

În continuarea este prezentat determinarea adaodului de prelucrare minimale, maximale și dimensiunile intermediare a suprafeței cilindrice exterioare ϕ11,97

Ruta tehnologică de prelucrare a suprafeței circulare exterioare ϕ11,97constă din trei faze de prelucrare mecanică: strunjire de degroșare, strunjire de semifinisare și finisare efectuate la o singură instalarea semifabricatului.

Ca elmente de bazare la prelucrare servesc două suprafețe de orientare de precizie ridicată.

Calculul abaterii spațiale se determină după relația:

unde:

ρc – curare axei;

ρm – valoare deplasării matrițelor în planul de separație al piesei matrițate

unde:

Δc – curbarea specifică a axei în μm/mm, Δ = 0,12;

lc – distanța de la secțiunea de prelucrat pentru care se determină curbarea pînă la capărul cel mai apropiat, lc = 28 mm.

Înlocuim în relația abaterii spațiale și primim:

EVALUAREA CONSTRUCȚIEI SEMIFABRICATULUI

Semifabricatul prin construcția sa, trebuie să fie de o formă cît mai apropiată de forma piesei finale. Pentru piesa dată am ales metoda de obținere a semifabricatului prin matrițare, deoarece aceasta permite micșorarea adaosului de prelucrae, micșorarea masei semifabricatului, ceea ce duce la un cost de producție mai redus a piesei finite.

Dimensiunile semifabricatului se determină prin adăugarea adaosului de prelucrae maximal pe suprafețele care se prelucrează.

Fig. 3.1 Semifabricat matrițat

STRUCTURA PROCESULUI TEHNOLOGIC

Proiectarea oricărui proces tehnologic trebuie să fie precedată de o analiză critică din punct de vedere constructiv și tehnologic a desenului de execuție, prin care să se verifice printre altele necesitatea prescrierii condițiilor tehnice severe. Prin această analiză, pe care o face tehnologul produsului, în urma discuțiilor finale cu proiectantul produsului, pot fi aduse îmbunătățiri constructive (de formă, de precizie dimensională, de rugozitate, de material etc.). Acestea facilitează fabricarea și conduc la reducerea costului produsului. Orice modificarea constructivă trebuie să nu lezeze rolul funcțional al piesei și să aibă acordul proiectantului de produs.

În continuare în tabelul 3.2 este arătată structura procesului tehnologic propus de mine:

Matrițare;

Transportare;

Prelucrare complexă;

Control;

Tabelul 3.2 Procesul tehnologic pentru piesa ,,Paletă de turbină”

ALEGEREA SCULELOR AȘCHIETOARE

Stabilirea sculelor așchietoare joacă un rol important în asigurarea performanțlor de precizie, rugozitate, productivitate și cost ale preciziei. Referitor la sculele așchietoare se impun a fi stabilite: tipul, forma, dimensiunile, materialul părții active, geometria părții active.

Tipul, forma și dimensiunile sculelor așchietoare sunt dependente de natura prelucrării, forma și dimensiunile suprafețelor de prelucrat și de dimensiunile mașinii-unelte (posibilitatea de prindere pe mașină, putera acesteia etc.).

Sculele așchietoare le vom alege conform catalogului SECO TOOLS.

Pentru operațiea de strunjire exterioară alegem următorele cuțite de strunjit:

SCACR/L

Pentru semifinisare alegem cuțitul de strunjit exterior:

DSDNN

Pentru realizarea teșiturii pe suprafața exterioară sub unghiul de 27o vom folosi cuțitul:

PDHNR/L

Pentru ralizarea procesului de strunjire a suprafețelor interioare vom folosi următoarele cuțite:

E…-SCFCR/L

Pentru realizarea canalelor interioare luăm cuțitele:

SDUCR/L

Pentru faza de burghiere alegem conform bazei de date SECO TOOLS următoarele burghie:

Burghiul pentru realizarea operației de centrare:

Pentru realizarea filetului alegem cuțit pentru filetare exterioară:

SNR…09A

MODELARE ȘI ANALIZĂ MEF A PROCESULUI DE STRUNJIRE [1], [2]

Principii generale ale Metodei Elementelor Finite

Metoda Elementelor Finite, MEF, este o metodă numerică de analiză modernă, cu domenii de aplicabilitate extrem de variate: mecanică, electronică, curgerea fluidelor, probleme termice, meteorologie, biomecanică etc. În toate situațiile, formularea metodei este identică, natura câmpului studiat și legile de comportare sunt adaptate domeniului studiat.

MEF, propune decuparea sistemului real supus analizei într-un anumit număr de elemente geometrice simple. Acest procedeu prin care un domeniu continuu este împărțit în subdomenii, elemente discrete numite elemente finite – E.F. – cu proprietăți fizice și funcționale identice cu cele ale domeniului studiat, se numește „discretizare”.

În baza acestui concept, modelul analitic diferențial al procesului fizic de analizat se transformă într-un model numeric care poate fi rezolvat cu ajutorul calculatorului.

Astfel, ecuațiile E.F. ale unei structuri formate dintr-un număr finit de elemente discrete, vor alcătui sisteme de ecuații liniare, ale căror soluții reprezintă necunoscutele problemei: deplasări, temperaturi, tensiuni etc.

În baza aceluiași raționament, sistemul de ecuații al unei structuri formate dintr-un număr finit de elemente discrete, elemente finite, se poate scrie:

în care:

{F} – vectorul încărcărilor;

[K] – matricea de rigiditate (matricea caracteristicilor geometrice și de material);

{Φ}- vectorul necunoscutelor (deplasări, temperaturi, etc.);

În funcție de domeniul discretizat pot fi utilizate diferite tipuri de elemente finite:

Elemente finite unidimensionale – tip 1D – bară : aceste elemente finite sunt utilizate pentru modelarea și discretizarea structurilor din bare plane sau spațiale. În această categorie sunt incluse:

E.F. tip bară cu noduri articulate, solicitate numai de eforturi axiale – structuri de bare articulate;

E.F. tip bară cu noduri rigide (grindă), solicitate și la încovoiere – structuri de bare tip cadre plane sau spațiale;

E.F. tip axi-simetrice – utilizate pentru modelarea și discretizarea structurilor axial-simetrice – corpuri de revoluție cu pereți subțiri – care pot fi modelate cu elemente 1D, după generatoarea de revoluție;

Elemente finite bidimensionale – tip 2D: sunt elementele cele mai des utilizate, deoarece permit modelarea și discretizarea unui număr important de structuri. Aceste elemente permit analiza problemelor de elesticitate plană și structuri axial-simetrice – corpuri de revoluție cu pereți groși – care pot fi modelate cu elemente 2D

E.F. tip plane – triunghiulare și patrulatere – utilizate pentru studiul problemelor de elasticitate plană;

E.F. tip membrană – studiul suprafețelor solicitate la eforturi transversale, când trebuie luat în considerare și fenomenul de încovoiere;

E.F. tip axi–simetrice – corpuri de revoluție cu pereți groși – care pot fi modelate cu elemente 2D;

Elemente finite tridimensionale – tip 3D – de volum : sunt utilizate în cazul structurilor masive la care cele trei dimensiuni în spațiu sunt de același ordin de mărime – corpuri masive și plăci groase;

Utilizarea Metodei Elementelor Finite prezintă interes deosebit datorită următoarelor considerente:

se pot studia forme geometrice complicate;

capacitate mare de adaptare la diferite situații: modele, materiale;

se pot studia structuri complexe;

se pot cupla corpuri cu geometrie și materiale de tipuri diferite;

se pot studia comportamente complexe;

foarte mare simplitate în utilizare [2].

Astfel se propune o analiză MEF a procesului strunjirii unei piese cu axă de revoluție.

Programul utilizat este ALGOR Fempro. Modelarea procesului strunjirii se face considerând structura studiată ca fiind o structură tip cadru din bare spațială. E.F. utilizate sunt tip 1 D – unidimensionale, tip bară cu două noduri.

Studiul MEF este unul static linear, considerând acțiunea momentană a cuțitului de strung în poziția finală a sculei așchietoare corespunzătoare sfârșitului strunjirii unei porțiuni ale barei

II. Analiza MEF a procesului strunjirii

Descrierea procesului strunjirii [3]

Fig.1. Componentele fortei de aschiere [3]

In procesul de așchiere apar următoarele forțe de așchiere (Fig.1.):

Fx – forța de avans – după direcția avansului (componenta axială);

Fy – forța de respingere – normală la direcția avansului– (componenta radială);

Fz – forța principală de așchiere – (componenta tangențială) – componentă corespunzătoare direcției principale de deplasare a sculei față de semifabricat;

Din compunerea celor trei forțe rezultă:

Între cele trei componente Fx , Fy și Fy se poate considera raportul:

Fz : Fx : Fy = 1: 0,35 : 0,5

respectiv:

Fx = 1/4 Fz și Fx = 2/5 Fz

astfel că:

Forța principală de așchiere – Fz – componentă corespunzătoare direcției principale de deplasare a sculei față de semifabricat se consideră ca având valoarea de: Fz = 1,5 kN = 1500 N, iar celelalte componente a forțelor de așchiere corespunzător raportului:

Fx : Fy : Fy = 1: 0,35 : 0,5; ca fiind de:

Fz = 1,5 kN = 1500 N

Fy = 0,6 kN = 600 N;

Fy = 0,375 kN = 375 N [3].

Modelarea procesului strunjirii –Operația:Strunjirea exterioară de la 12 x 28 mm

Fig.2. Forma și dimensiunile piesei înainte de strunjire

a. Poziția finală a cuțitului de strung corespunzătoare sfîrșitului strunjirii

Fig.3. Poziția finală a sculei așchietoare combinate – sfârșitul strunjirii

b. Modelarea – discretizarea – încărcarea

EF utilizate sunt tip 3 D tridimensionale tip brick;

Model statistic:

Nr. EF : 14800

Nr. noduri: 13985

Încărcarea este dată de acțiunea celor trei componente ale forței de așchiere în nodul corespunzător poziției finale a cuțitului de strung, a porțiunii strunjite de 12 x 28 mm (Fig.3.);

Condițiile la limită impuse sunt incastrarea yonei de 37 x 75,66 mm;

Caracteristici de material – corespunzătoare oțelului:

E = 2,1 e5 N/mm2

= 0,3

Fig.4. Modelare – Discretizare – Încărcăr

c. Rezultate

Poziția deformată – deformații rezultante

Fig.5. Poziția deformată. Deformații rezultante – magnitudine

Tensiuni

Tensiuni echivalente Von Mises ech

Fig.6. Tensiuni echivalente Von Mises ech

Fig.7. Tensiuni echivalente Von Mises ech – Detaliu

Fig.8. Tensiuni echivalente Von Mises ech – Detaliu

Tensiuni minime principale 2

Fig.9. Tensiuni minime principale 2

Fig.10. Tensiuni minime principale 2 – Detaliu

Fig.11. Tensiuni minime principale 2 – Detaliu

Tensiuni zz după direcția forței tangențiale de așchiere

Fig.12. Tensiuni zz după direcția forței tangențiale de așchiere

Fig.13. Tensiuni zz după direcția forței tangențiale de așchiere – Detaliu

Tensiuni maxime de forfecare în planul Oxz

Fig.14. Tensiuni maxime de forfecare în planul Oxz

Modelarea procesului strunjirii –Operația : Strunjirea exterioară de la 6x 14m

Fig.15. Forma și dimensiunile piesei înainte de strunjire

a. Poziția finală a cuțitului de strung corespunzătoare sfîrșitului strunjirii

Fig.16. Poziția finală a sculei așchietoare combinate – sfârșitul strunjirii

b. Modelarea – discretizarea – încărcarea

EF utilizate sunt tip 3 D tridimensionale tip brick;

Model statistic:

Nr. EF : 17600

Nr. noduri: 16590

Încărcarea este dată de acțiunea celor trei componente ale forței de așchiere în nodul corespunzător poziției finale a cuțitului de strung, a porțiunii strunjite de 12 x 28 mm (Fig.16.);

Condițiile la limită impuse sunt incastrarea yonei de 37 x 75,66 mm;

Caracteristici de material – corespunzătoare oțelului:

E = 2,1 e5 N/mm2

= 0,3

Fig.17. Modelare, disretizare în EF. Încărcări

c. Rezultate

Poziția deformată – deformații rezultante

Fig.18. Poziția deformată. Deformații rezultante – magnitudine

Tensiuni

Tensiuni echivalente Von Mises ech

Fig.19. Tensiuni echivalente Von Mises ech

Fig.20. Tensiuni echivalente Von Mises ech – Detaliu

Fig.21. Tensiuni echivalente Von Mises ech – Detaliu

Tensiuni minime principale 2

Fig.22. Tensiuni minime principale 2

Fig.23. Tensiuni minime principale 2 – Detaliu

Tensiuni zz după direcția forței tangențiale de așchiere

Fig.24. Tensiuni zz după direcția forței tangențiale de așchiere

Fig.25. Tensiuni zz după direcția forței tangențiale de așchiere – Detaliu

Tensiuni maxime de forfecare în planul Oxz

Fig.26. Tensiuni maxime de forfecare în planul Oxz – Detaliu

Interpretare rezultate

Pe baza studiului realizat prin MEF al procesului strunjirii se constată:

Pentru strunjirea zonei de 12 x 28 mm

Tensiunile maxime echivalente Von Mises ech :

ech max = 546,953 N/mm2

Tensiunile minime principale 2 :

2 max = 42,4679 N/mm2

2 min = – 315,699 N/mm2

Tensiunile după direcția forței principale de așchiere Fz :

zz max = 359,795 N/mm2

zz min = – 292,809 N/mm2

Tensiunile de forfecare maxime se produc în planul Ozx :

zx max = 125,363 N/mm2

zx min = – 124,7199 N/mm2

Deplasarea maximă se produc în capătul liber:

max = 0,1670113 mm

Pentru strunjirea zonei de 6 x 14 mm

Tensiunile maxime echivalente Von Mises ech :

ech max = 688,9686 N/mm2

Tensiunile minime principale 2 :

2 max = 91,627 N/mm2

2 min = – 486,12 N/mm2

Tensiunile după direcția forței principale de așchiere Fz :

zz max = 535,335 N/mm2

zz min = – 444,848 N/mm2

Tensiunile de forfecare maxime se produc în planul Ozx :

zx max = 186,835 N/mm2

zx min = – 73,898 N/mm2

Se constată fenomene similare indiferent de poziția sculei așchietoare, respectiv, strunjirea zonei 12 x 28 mm sau a zonei de 6 x 14 mm,

Se poate constata că tensiunile au valori maxime în nodul corespunzător acțiunii vârfului cuțitului de strung;

Deformația piesei corespunde unei solicitări de incovoiere a unei bare încastrate la un capăt și liberă la celălalt;

Deplasările sunt maxime în capătul liber al piesei, după direcția forței principale de așchiere Fz ;

Valorile tensiunilor sunt mari, pe de o parte datorită efectului local (forțele sunt aplicate direct în nod), și pe de altă parte în procesul strunjirii se produc fenomene corespunzătoare domeniului plastic;

Bibliografie:

[1] Brezeanu, L., C., Bazele calculului cu elemente finite, Universitatea „Petru Maior” din Tg. Mureș, 2000;

[2] Brezeanu, L., C., Bică, C., Modelare și analiză cu elemente finite, Editura Universității „Petru Maior” din Tg. Mureș, 2008;

[3] Lăzărescu, I., Teoria așchierii metalelor și proiectarea sculelor, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1964;

[4] Pruteanu, O., Picoș, Proiectarea tehnologiilor de prelucrare mecanică prin așchiere, Editura Universitătii, București, 1992;

[5] Ciobanu, A., Tehnologia fabricării mașinilor, (Elaborarea proceselor tehnologice de prelucrare mecanică a organelor de mașini), UTM, Chișinău, 2006;

[6] Epureanu, Al., Pruteanu, O., Gavrilaș, I., Tehnologia construcției de mașini, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1983;

[7] Pater, S., Toleranțe și control dimensional, Editura Universitații din Oradea;

[8] Seco Tools Catalogue, 2005 – format electronic, PDF file.