K003745 Дипломная работа Повышение качества и производительности при изготовлении сварных конструкций

Введение

     Повышение качества и производительности при изготовлении сварных конструкций можно достичь как путем совершенствования и разработки новых технологических процессов дуговой сварки, так и в результате роста уровня механизации и автоматизации сварочных работ. Важнейшая роль в этом принадлежит разработке и освоению в производстве оборудования, отвечающего современным требованиям.

     В нашей стране разработано и выпускается электросварочное оборудование для всех основных способов дуговой сварке: покрытыми электродами, под флюсом, плавящимся электродом в защитных газах и инертных газах, неплавящимся электродом. Осв оено серийное производство более 80 типов полуавтоматов, автоматов, трансформаторов, выпрямителей, агрегатов, специального оборудования для дуговой сварки.

     Труд рабочего в условиях механизированного и автоматизированного производства станет более содержательным и творческим.

Технико-экономическое обоснование нового оборудования производится на основе качественного и количественного анализа сравнительной экономичности варианта.

     Для ещё более успешного развития сварочного производства необходимо ускорить создание совершенных систем автоматического управления сварочным оборудованием.

     Современное машиностроение, особенно его специальные отрасли, предъявляют высокие требования к используемым материалам и сплавам. Наряду с высокой прочностью и пластичностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью в агрессивных средах сплавы должны обладать свариваемостью, т.к. в каждой отрасли машиностроения сварка стала одним из ведущих технологических процессов.

     Сам процесс занимает до 30 % (обычно 15-20 %) от всего времени производства сварной конструкции. Поэтому большое внимание уделяется разработке вспомогательного оборудования, позволяющего облегчить и ускорить процесс подготовки изделия под сварку, кантовать его , а также систем обеспечивающих лучшее качество получаемых сварных соединений.

Этот механизированный процесс сборки и сварки обечайки топливного бака современного ракетоносителя «Ангара», разработанный в представленном дипломном проекте включает в себя не только получение надежного сварного соединения, отвечающего всем эксплутационным показателям, но и обеспечение максимальной степени механизации и автоматизации всего производственного цикла.

     Данный технологический процесс экономически выгодный по расходу энергии, сварочных материалов, затрат человеческого труда.

   Содержание  

1. Состояние вопроса.......................................................................................3

1.1 Характеристика изделия и условия эксплуатации...................................3

1.2 Технические особенности изготовления данной группы изделия........10

1.3 Способы сварки, которые можно применить к изделию. Оборудование, применяемое для сварки...........................................................................24

1.4 Выбор направления работы......................................................................38

2. Разработка техпроцесса.............................................................................39

2.1 Характеристика материала изделия и его свариваемость......................39

2.2 Описание технологического процесса (перечислить все операции, которые нужно выполнить).......................................................................49

2.3 Разработка техпроцесса (сборка, сварка, режимы сварки)....................50

2.4 Контроль качества сварки (метод контроля, категория ответственности)........................................................................................64

2.5 Разработка комплекса оборудования (мощность и т.д.)........................66

3. Разработка и выбор тех. Оснастки............................................................69

     1. Состояние вопроса

1.1 Характеристика изделия и условия эксплуатации

     Обечайка — деталь цилиндрической формы, в сечении представляет собой кольцо, с торцов не заглушена. Изготовление обечаек происходит методом вальцовки нахолодно либо нагорячо из сварной или несварной заготовки. Существуют методы производства обечаек литьем полуобечаек и последующей сваркой, центробежным литьем и т.д. При этом метод вальцовки из листовой заготовки в большинстве случаев наиболее экономичен.

Вальцовка обечаек осуществляется в вальцах — большие толщины деформируются с предварительным подогревом с последующей сваркой и термообработкой.

     Цилиндрические обечайки получили наибольшее распространение в химическом аппаратостроении. Главным их достоинством является простота изготовления и рациональный расход материала. Поэтому при конструировании аппаратов, если это не идет в разрез с какими-либо особыми требованиями, предъявляемыми к аппарату, рекомендуется применять цилиндрические обечайки.

     В нашем случае обечайка -  элемент топливного бака корпуса ракеты на жидком топливе, представляющий собой оболочку, расположенную между распорно-стыковочными шпангоутами.

Одной из основныхопераций при сборке ракет является сварка обечаек продольными швами. При этом возникают нежелательные деформации в оболочке: отклонение образующей от прямолинейности и отклонение от круглости поперечного сечения. Все эти факторы вносят погрешности в конструкцию и ухудшают точность изготовления корпуса ракеты. В частности, вследствие отклонения от круглости на торце, усложняется процесс стыковки различныхчастей топливныхбаков ракет. Традиционный процесс сварки обечайки производится на специальном стапеле. Несваренную цилиндрическую оболочку кладут на опоры, а сверху опирают на балку, прижимая к ней распределенной силой. В результате деформация детали происходит под воздействием несколькихфакторов: усадки сварного шва после его остывания, силы тяжести, реакции опор. Исследование силы и характера влияния различных факторов на свариваемую деталь позволит выявить математическую зависимость различныхдеформаций от размеров оболочки, материала, параметров сварочного стапеля. Анализ такой зависимости даст возможность минимизировать деформации и выявить оптимальные параметры данной операции.

     Важным аспектом построения зависимости является анализ влияния усадки сварного шва на поперечные и продольные деформации. Полином, выражающий зависимость различных перемещений в оболочке от ее относительных размеров при неизменном материале и режимах наложения шва, позволит понять характер перемещений при различных размерах объекта производства. В данной работе математические зависимости разрабатывались на основе результатов численныхрасчетов. Все расчеты проводились в программе Ansys Workbench, позволяющей рассчитывать на прочность статические системы с учетом ихтеплового взаимодействия. В качестве объекта расчетов использовалась цилиндрическая обечайка постоянного радиуса R. При этом варьируемыми параметрами являлись ее толщина δ и длина L. Чтобы охватить весь спектр размеров типовыхракетных конструкций длина обечайки варьировалась в диапазоне 200...2000 мм, а толщина — 2...10 мм. Для получения математической модели удобнее работать с относительными значениями, поэтому в дальнейшем рассматривается относительная длина L — длина, отнесенная к 2R, и относительная толщина δ — толщина, отнесенная к 2R. Радиус принят по- стоянным и равным 0,5 м. В качестве материала обечайки выбран алюминиевый сплав АМг6. Для оценки влияния только сварного шва на деформации не учитывалось влияние опор и силы тяжести. Еще одним допущением являлось то, что сварной шов накладывался мгновенно, т. е. временем работы сварочного аппарата и его движением вдоль оболочки пренебрегли. Сварной шов рассматривался как отдельный элемент, представляющий собой призму с сечением, рекомендуемым ГОСТ 15878—79. Температура сварного шва составляла 660 °C, а температура оболочки — 22 °C. Для выбора конечноэлементной сетки были проведены предварительные исследования. По результатам этихисследований был установлен оптимальный размер ячейки при котором точность расчетов не хуже 5 % обеспечивалась наименьшим временем работы вычислительной машины. Обечайка рассматривалась как тонкостенная оболочка: конечноэле ментная сетка накладывалась по поверхности; размер ячейки составил 7% радиуса обечайки. На первом этапе исследования была прове дена серия расчетов, в которыхдлина обечайки варьировалась с шагом 300 мм, а толщина — с шагом 2 мм. В итоге получили 35 вариантов оболочек с различными длинами и толщинами. На рисунке 1 представлена деформированная сварным швом обечайка, толщиной 2 мм и длиной 800 мм. Во всехслучаяхнаблюдалась идентичная картина деформирования. Обра зующая цилиндра изгибалась, т. е. центральная часть уходила внутрь, а края поднимались. На торце сечение приобретало характерную форму с выраженными точками максимума отклонений от начального профиля. Основная задача при анализе данных— построение полинома, описывающего зависимость всехисследуемыхпараметров от двух факторов: толщины δ оболочки и ее длины L.

     По результатам расчетов были проанализированы отклонение от круглости на торце оболочки и отклонение от прямолинейности образующей. Показателем отклонения от круглости поперечного сечения в обечайке принята сумма наибольшихрасстояний от точек профиля после деформаций до первоначального ихположения, сместившихся «внутрь» и «наружу» окружности, взятыхпо модулю. Для измерения отклонения от круглости на торце считали разницу между перемещением в верхней точке сечения и во впадинахпо краям оболочки.

     Это определило наибольший перепад отклонений от начальной окружности на торце. Для измерения отклонения от прямолинейности образующей определяли разницу перемещений сварного шва на торце и в середине, что давало наибольшее отклонение от прямой линии. В результате расчетов были построены зависимости исследуемого параметра (отклонение от круглости и отклонение от прямолинейности) от относительной толщины оболочки при различныхее относительных длинах( рис. 2).

     Для анализа полученныхрезультатов применим методику полного факторного анализа, в котором реальный эксперимент заменяется численным расчетом . Область определения фактора δ — 0,002...0,01; фактора L — 0,2...2. Далее задавались интервалы варьирования. В интервалах относительных толщин 0,004—0,008 при относительныхд линах1 ,1—1,7  наблюдается линейность зависимостей перемещений. Поэтому в качестве интервалов варьирования выберем 0,004—0,008 для относительныхтолщин и 1,1—1,7 для относительныхдлин. Данные интервалы являются средними, что обеспечит достаточную точность для нашего эксперимента. Основными уровнями будут средние значения в интерва лахварьирования, т. е. 0,006 для относительной толщины и 1,4 для относительной длины. Для построения полиномов необходимо перейти от реальныхзначений параметров к кодированным . При этом каждому реальному значению параметра ставилось в соответствие число. Для основного уровня — это 0. Нижняя граница интервала варьирования — –1, а верхняя — +1. Тогда для относительныхтолщин пересчет выглядит так: 0,004—(–1), 0,006—0, 0,008—1, а для длин 1,1—(–1), 1,4—0, 1,7—1.

     Значение коэффициента при какомлибо факторе показывает его влияния на измеряемый параметр. Чтобы определить реальное значение параметра следует имеющимся реальным значениям факторов сопоставить кодиро- ванное значение и подставить его в соответствующий полином. Для того чтобы понять подходит ли полином для предсказания значений параметров при различныхизмененияхфакторов необходимо определить показатель связи между варьируемым фактором и конечным результатом — коэффициент детерминации . Расчеты показали, что для отклонения от прямолинейности образующей коэффициент детерминации равен 0,91, для отклонения от круглости — 0,81. Была проведена проверка пригодности данныхполиномов на более широком интервале размеров: 200...2000 мм для длины и 2...10 мм для толщины. Для этого каждому реальному значению параметра ставилось в соответствие кодированное значение, рассчитанное относительно интервала варьирования. По расчетам коэффициент детерминации для отклонения от прямолинейности равен 0,9, а для отклонения от круглости — 0,5. Следовательно, полином для отклонения от прямолинейности дает достаточную точность определения параметра на всем диапазоне размеров обечаек, а полином для отклонения от круглости пригоден только на интервале варьирования. По данному анализу можно сделать вывод, что для отклонения от прямолинейности образующей построенный полином в достаточной степени отражает зависимость от толщины и длины в пределахобласти определения факторов. Для описания отклонения от круглости целесообразно повысить степень полинома. Анализ полинома Y1 показывает, что конструктивные параметры влияют на погрешность формы сварной обечайки разнонаправлено, но степень ихвлияния различна, что не противоречит очевидным представлениям о характере деформирования обечайки при сварке. Полученные результаты являются предварительными и служат основой для построения методики определения потребной силы закрепления края обечайки при наложении продольного сварного шва.

     Вывод:

1. Численными расчетами в программе Ansys Workbench установлено, что при выполнении продольного сварного шва у цилиндрической обечайки возникает отклонение от прямолинейности образующей в районе сварного шва, а также отклонение от круглость формы поперечного сечения. Края сварного шва поднимаются, а середина проседает. При этом на торце образуется характерное сечения с выраженными максимумами прогибов к центру и от центра обечайки.

2. На основе результатов численныхрасчетов, проведенныхпо методике планирования экспериментов, установлена линейная зависимость прогиба образующей обечайки при сварке от ее относительной длины и толщины стенки. Эти зависимости позволяют решать прямые задачи оценки указанныхпогрешностей: по заданным значениям конструктивныхпара- метров обечайки.

     Требония к отдельной детали и условия эксплуатации неразрывно связаны с требованиями к самому ракетному комплексу. Поэтому необходимо определить, что такое ракетный комплекс. Ракетный комплекс – это совокупность ракеты, пусковых устройств, наземной аппаратуры управления, испытательного, заправочного и подъёмно-транспортного оборудования. Процесс создания ракетной техники многогранен и сложен. Он начинается с разработки тактико-технических требований к ракете и всему ракетному комплексу. При этом тактико-технические требования основываются на анализе применения проектируемой ракеты и должны учитывать накопленный опыт создания аналогичных ракет, а также технические возможности. Конечной целью разработки ракеты является достижение максимальной эффективности её как боевого средства, в случае военного назначения, и максимальной эффективности как средства доставки полезного груза в случае ракеты-носителя.

     Среди основных требований, которые приводятся в тактико-техническом задании на разработку управляемых баллистических ракет, можно назвать:

- дальность пуска, минимальная и максимальная;

- могущество у цели, определяемое поражающими факторами, тесно увязываемое с оценкой поражения объекта;

- надёжность ракеты и ракетного комплекса, определяемая выполнением боевой задачи;

- эксплуатационные требования, включающие время на подготовку к пуску, виды пуска, условия на транспортировку, условия хранения, ремонтопригодность и проведение технического обслуживания, метеорологические условия применения;

 - производственно-экономические требования.

Основные требования к ракетам-носителям (РН), также приводятся в тактико- техническом задании на разработку ракеты-носителя. Среди основных требований можно назвать:

- требования по назначению (назначение РН, грузоподъёмность, параметры орбиты, точность выведения);

- требования к стартовым устройствам (наземные стартовые комплексы, надводные или другие);

- надёжность, показатели характеристики которой должны быть не ниже показателей надёжности прототипов;

 - требования к эксплуатации, удобству технического обслуживания, ремонту и хранению;

- требования к транспортабельности к космодрому и в его пределах; - требования по безопасности и жизнедеятельности;

 - требования по экологии;

- требования к стандартизации и унификации, технологичности; - конструктивные требования;

 - технико-экономические и другие.

1.2   Технические особенности изготовления данной группы изделия

     Типовой технологический цикл изготовления обечаек из листа включает следующие этапы:

1) Входной контроль, правка, очистка листа.

2) Разметка и резка заготовок.

3) Обработка кромок под сварные швы.

4) Сборка заготовок.

5) Сварка листовых заготовок.

6) Вальцовка (штамповка) обечаек.

7) Сварка продольных швов.

8) Калибровка.

9) Контроль

Вальцовка — инструмент, предназначенный для радиального деформирования трубы в отверстии трубной решётки (коллектора) теплообменного аппарата с целью создания прочно-герметичного соединения. Технологический процесс закрепления труб с использованием вальцовок называетсяразвальцовка. В зависимости от особенностей конструкции теплообменных аппаратов и типоразмеров труб используются различные типы вальцовок. Так, для труб малого диаметра (до Dвн. менее 12 мм) используются вальцовки серии «Т», «СТ» и «РТ», для труб с внутренним диаметром от 12 до 40 мм используются вальцовки серии «Р» и «СР» (в зависимости от глубины вальцевания). Для развальцовки котельных труб используются вальцовки серии «К» (крепежные) и серии «КО» (крепежно-отбортовочные). При закреплении особотонкостенных труб (например, 28 × 0,5 мм) используются пятироликовые вальцовки серии «5Р». В качестве привода вальцовок используются реверсивные вальцовочные машины (пневматические и электрические) с автоматическим контролем крутящего момента. Контроль процесса развальцовки осуществляется по формуле: Dвн. после развальцовки = D вн. до развальцовки + диаметральный зазор между трубой и отверстием трубной решётки + 10 % толщины стенки трубы. Основными техническими характеристиками вальцовки являются: 1. Диапазон развальцовки, т. е. диапазон от минимального внутреннего диаметра трубы, в который вальцовка может быть вставлена до максимального внутреннего диаметра трубы, на который она может быть радиально деформирована. 2. Глубина развальцовки, т. е. длина линейного участка трубы, на которую данной вальцовкой можно радиально деформировать трубу. При этом бывают вальцовки как с фиксированной длиной развальцовки, так и с регулируемой. Важнейшим параметром качества развальцовки является её стойкость. Стойкость вальцовки определяется количеством концов труб конкретного типоразмера из конкретного материала, которые могут быть закреплены одной вальцовкой до замены веретен и роликов.

При необходимости также производят дополнительные операции:

1) Зиговку обечаек (рис. 3).

Внутренние зиги служат для установки опор, перегородок, решеток. Наружные зиги — для придания жесткости обечайке.

2) Отбортовку торцов внутрь (под установку днищ и рубашек охлаждения) или наружу для монтажа накидных фланцев (рис.4); отбортовку отверстий в обечайках (рис. 5).

3) Шлифование абразивными кругами или лентами (рис.6).

Волнистость листовых заготовок может стать причиной потери устойчивости обечайки аппарата, поэтому заготовки необходимо подвергать правке перед вальцовкой.

При отсутствии необходимого оборудования в условиях мелкосерийного или единичного производства необходимо отбраковывать негодный лист на этапе входного контроля.

    Правку листа производят на многовалковых машинах (рис.7). Шаг между валками и количество роликов определяются в зависимости от толщины листа .

Очистку листовых заготовок производят несколькими методами:

1) Пескоструйная очистка струей сжатого воздуха, в котором находятся частицы абразивного песка. После сухой пескоструйной очистки необходимо обеспыливание поверхности. Вместо песка возможно использование мелкой дроби из стали или чугуна (дробеструйная очистка).

2) Дробеметная очистка в проходных дробеметных установках. Этот способ очень производителен и эффективен, однако он неприменим для тонколистовых заготовок, так как в процессе обработки происходит их коробление (толщина листа должна быть не менее 5 мм). Дробеметная очистка позволяет удалить как тяжелые загрязнения (окалину), так и следы смазок и масел.

3) Очистка металлическими вращающимися щетками.

4) Газопламенным нагревом горелкой, смонтированной на роликовых опорах, производят термическую очистку. При нагреве до 150 градусов происходит отделение окалины и отслаивание ржавчины, которую затем зачищают металлическими щетками.

5) Химическое обезжиривание ручной протиркой или распылением растворителем, либо в ваннах. После химического обезжиривания должна производиться промывка водой и сушка.

     Исходя из фактических размеров листа, характера его кромки (обрезная или не обрезная), ширины вальцев, припусков под обработку кромок и сварочных зазоров, производят раскрой — графическое изображение наиболее рационального (малоотходного) варианта резки листа (рис.8). При этом возможны индивидуальный вариант раскроя для одной или нескольких однотипных деталей; смешанный — с учетом других деталей, необходимых для изготовления конкретного узла или изделия; групповой — для партии изделий, в этом случае вырезают сначала крупные детали, затем более мелкие. Коэффициент раскроя определяется как отношение чистого веса детали к норме расхода на деталь с учетом раскроя. Чем выше этот коэффициент, тем экономнее раскрой.

     Разметку заготовок на листе производят мелом или чертилкой с применением универсального измерительного инструмента. При резке на портальных газорезательных машинах с ЧПУ разметка не требуется.

     Резка заготовок производится на гильотинных ножницах с наклонными/прямыми ножами, на дисковых ножницах или термическими способами (кислородная, дуговая, плазменная или лазерная резка). Первый способ является наиболее производительным, но имеются ограничения по возможной толщине листа.

     Кромки заготовок под сварку обрабатываются на кромкострогальных, кромкофрезерных станках, термической резкой или ручными способами в единичном производстве (шлифмашинки, напильники, пневматические молотки). Форма разделки кромок зависит от требований нормативной документации на изготовление сосудов и аппаратов и может быть нескольких видов (рис.9).

     Вальцовку (гибку) листа производят на двухвалковых машинах (для толщин не более 5 мм) и трехвалковых вальцах. Путем передвижения верхнего валка на трехвалковых симметричных машинах регулируется радиус гибки (диаметр обечайки). Лист прокатывается несколько раз (рис.10). После этого производится подгибка концов обечайки.

Вальцы с асимметричным расположением валков (рис.11) производят практически полную гибку обечайки.