Экономическая целесообразность холодной штамповки

При производстве сварных конструкций в тяжелом машиностроении широкое распространение получила холодная штамповка. Это объясняется рядом причин, основными из которых являются высокая производительность; возможность получения деталей высокой точности; получение деталей необходимой формы, которую невозможно получить другим технологическим процессом. Несмотря на несомненные преимущества этого технологического процесса, учитывая высокую стоимость штампов и большие первоначальные затраты на создание специализированных участков штамповки, необходимо в каждом отдельном случае определять границы экономической целесообразности применения холодной штамповки.

Изготовление деталей холодной штамповкой высоко-экономично на предприятиях с массовым и серийным производством. Экономичность штамповки резко снижается при мелкосерийном и единичном производствах. Чем меньше партия деталей, тем меньше экономический эффект; при малой партии штамповка оказывается неэкономичной.

Экономия труда в результате применения холодной штамповки и затраты труда на изготовление штампов полностью зависят от величины партии изготовляемых деталей. Стойкость штампов позволяет изготовлять десятки тысяч деталей, но по условиям производства такое количество не всегда требуется. Недоиспользование стойкости штампов не говорит о нецелесообразности их применения. Нет необходимости, чтобы количество деталей в партии соответствовало стойкости штампов, но граница целесообразности применения штамповки существует, и она должна быть заранее установлена. Принимая во внимание преимущества штамповки перед другими методами изготовления деталей, на многих заводах тяжелого машиностроения при партии 8000 деталей и более назначают штамповку без экономического анализа.

Работа по определению границ экономической целесообразности изготовления деталей из листового проката в тяжелом машиностроении проделана на Уралмашзаводе инженерами И. С. Катковым и С. И. Колтуном.

Из всех деталей, изготовляемых из листового и полосового проката, выбрано определенное число типовых деталей, на которые установлена себестоимость изготовления штамповкой, кислородной резкой, вырезкой на листовых ножницах с наклонным ножом и на роликовых ножницах, обработкой на металлорежущих станках. Детали разбиты на четыре группы.

К I группе относятся детали, изготовляемые из листового проката толщиной 4—24 мм с общим периметром > 250 мм. По геометрии эти детали плоские, любой конфигурации без отверстий или с отверстиями любой формы. Их изготовляют штамповкой, кислородной резкой, а также кислородной резкой в комбинации с обработкой на металлорежущих станках. При определении оптимальной партии для деталей I группы сравнивается себестоимость их изготовления с одним из вышеуказанных методов и штамповкой.

Геометрия деталей II группы аналогична геометрии деталей I группы, и отличаются детали только тем, что изготовляют их из листового проката толщиной 3 мм и менее. При определении оптимальной партии для деталей II группы сравнивают себестоимость их изготовления: резка на роликовых ножницах и на листовых ножницах с наклонным ножом — штамповка; обработка резанием — штамповка.

К III группе относятся детали, изготовляемые из листового проката толщиной 3—50 мм, они имеют форму глухих или сквозных цилиндров, днищ и других объемных деталей. Детали III группы изготовляют кроме вытяжки из листа обработкой резанием из проката или поковок. При выборе оптимальной партии для штамповки деталей этой группы сравнивают себестоимость их изготовления с обработкой резанием и штамповкой. Необходимо отметить, что детали III группы нецелесообразно изготовлять штамповкой только при очень малых партиях.

К IV группе относятся детали сложной конфигурации, изготовляемые из листового проката только методом штамповки.

Себестоимость изготовления деталей определена по формуле

С = См + Зт,

где См — стоимость металла, руб; Зт — стоимость затрат труда, руб.

Стоимость металла, идущего на изготовление детали,

См = UuQ3 - UoQo>

где Z(M — цена 1 кг металлопроката, руб.; Ц0 — цена 1 кг отходов, руб.; Q3 — масса заготовки, кг; Q0 — масса отходов, кг.

Масса заготовки

где (2д — масса детали по чертежу; k, kx — коэффициенты отходов соответственно при изготовлении и при раскрое на полосы.

Масса отходов

В формулы входят постоянные и переменные величины. К постоянным величинам относятся средняя цена проката, средняя цена отходов и коэффициент отходов kv. При раскрое металла на полосы на Уралмашзаводе принят усредненный k± = 0,18. Масса детали и отходы являются переменными величинами и зависят от размера и конфигурации детали. Коэффициент k зависит только от конфигурации детали.

Стоимость затрат труда складывается из постоянных и переменных величин. К постоянным величинам относятся районный коэффициент, косвенная заработная плата и коэффициент накладных расходов. Переменной величиной являются прямые затраты труда. Стоимость затрат труда определяют по формуле

Зт = П3 + П3Кз + (Я3 + П3К3) /у j

где П3 — прямые затраты; К3 — косвенная заработная плата; /Ср — районный коэффициент; у — накладные расходы.

Прямые затраты труда складываются из затрат труда на отдельные технологические операции и зависят от размера и вида деталей. Так, детали I группы имеют операции одного характера, и норма времени при кислородной резке зависит от периметра.

Для определения себестоимости деталей III группы при изготовлении их на металлорежущих станках из проката или поковок они разбиты на две подгруппы: I — объемные детали, круглые где Dmax — максимальный диаметр, см; hmSLX — максимальная высота, см; — масса детали, кг; k— коэффициент; V — объем детали по размерам чистового чертежа, см3; А, Б, h — ширина, длина и высота детали по чистовому чертежу, см.

Необходимое усилие штамповки деталей определяют по известным формулам, оно зависит от периметра детали, толщины металла, предела прочности при срезе и др. Определив усилие штамповки и цеховую себестоимость детали по соответствующим графикам, находят величину оптимальной партии.

Приведенный расчет выполнен для условий Уралмашзавода, при расчетах на других предприятиях в расчет должны быть внесены соответствующие коррективы. 

Механические прессы. На этих прессах выполняют все операции как комплексной, так и поэлементной штамповки. Наиболее широко распространены однокривошипные прессы простого действия открытого и закрытого типа. Кривошипные прессы просты по конструкции, обладают большой универсальностью, широким диапазоном технологических возможностей и высокой производительностью. Применяемые механические прессы имеют усилие 6,3— 2500 тс.

Прессы с пневматическим приводом. Этот тип прессов характерен своей безопасностью от перегрузок, но имеет небольшие усилия, поэтому применяют их в основном для вспомогательных операций.

Гидравлические прессы. Эти прессы применяют для всевозможных гибочных операций и для глубокой вытяжки. Преимуществом их является безопасность от перегрузки и большой рабочий ход. Гидравлические прессы используют также для правки заготовок после кислородной резки. Стоимость гидравлических прессов и затраты на их монтаж и эксплуатацию гораздо выше механических, поэтому целесообразность их применения должна быть технически и экономически тщательно обоснована. Отечественной промышленностью выпускаются гидравлические прессы усилием до 630 тс, прессы же с большим усилием изготовляют силами заводов тяжелого машиностроения, как нестандартизированное оборудование.

Часть холодноштампованных деталей как крупногабаритных, так и малогабаритных изготовляют на специализированном оборудовании. Это оборудование делят на прессы для групповой и последовательной пробивки и листоштамповочные пресс-автоматы.

Прессы для групповой и последовательной пробивки. Штамповка на этих прессах производится с помощью сменных комплектов инструмента. На смену инструмента для выполнения последующей операции требуется много времени, поэтому применение их наиболее целесообразно для пробивки отверстий одного типа.

Наиболее перспективными в этой группе прессов для использования на заводах тяжелого машиностроения являются координатно-револьверные прессы с большим числом сменных инструментов. Прессы этого типа наиболее целесообразно применять при изготовлении деталей из тонкого листа со сложными внутренними вырезами, пазами, отверстиями различной формы, отбортовками. На таких прессах можно обрабатывать детали из листа толщиной до 12 мм. Наиболее совершенными моделями являются машины с числовым программным управлением. Фирмы «Трумпф» (ФРГ), «Раскин» (Швеция), «Стриппит-Удай» (США) и др. создали ряд прессов с числовым программным управлением с числом инструментов 16—32.

Листоштамповочные пресс-автоматы являются наиболее прогрессивным видом оборудования. Они предназначены для изготовления плоских деталей в штампах последовательного действия методом вырубки из рулонного или полосового материала. Автоматы имеют высокую производительность, поэтому применяют их в основном в крупносерийном производстве. В условиях тяжелого машиностроения использование их целесообразно также для изготовления ряда деталей мелкосерийного производства и нормализованных деталей общего применения. При этом целесообразен групповой запуск в производство деталей на квартальный, полугодовой или годовой план производства.

Технико-экономические расчеты некоторых авторов и практика заводов подтверждает экономическую целесообразность применения автоматов в мелкосерийном производстве.

При изготовлении 1500—2000 деталей технологическая себестоимость одной детали меньше, чем при штамповке на универсальных и сменных пакетных штампах с групповым блоком. Для наиболее распространенных автоматов максимальная ширина ленты равна 600 мм. А847 с нижним приводом. Номинальное усилие этого пресса 250 тс, на нем можно штамповать детали из ленты толщиной 4 мм и шириной 600 мм.

Основные направления повышения производительности холодной штамповки в цехах сварочного производства следующие: применение прогрессивных конструкций штампов, оснащенных средствами автоматизации; оснащение универсальных штамповочных прессов устройствами для автоматизации подачи исходной заготовки и уборки готовых изделий; механизация вспомогательных операций (зачистка, маркировка и др.).

Средствами механизации и автоматизации штамповочного оборудования являются задающие устройства и устройства для удаления деталей и отходов. Основными видами задающих устройств являются валковые, ролико-клиновые и клещевые подачи, разматывающие и наматывающие устройства, полосоукладчики.

Валковые автоматические подачи применяют при штамповке деталей из ленточного и полосового исходного материала в вырубных, последовательных и совмещенно-комбинированных штампах. Их можно применять на универсальных листоштамповочных прессах и на пресс-автоматах различных типов. Валковые подачи обычно получают движение через специальный кривошипно-шатунный привод от вала пресса, обеспечивающий возможность регулирования шага подачи.

Ролико-клиновые подачи предназначены для автоматического передвижения ленты при штамповочных операциях на штампах всех типов. Шаг подачи имеет грубую и точную регулировку. Грубая регулировка осуществляется по принципу валковых подач, точная — с помощью специального упора. Приводом служит вал кривошипного пресса. Ролико-клиновые подачи можно устанавливать как с левой, так и с правой стороны стола.

Клещевые подачи к листоштамповочным прессам имеют индивидуальный пневматический привод. Подача этого вида предназначена для работы со всеми конструкциями штампов, на которых производится штамповка из ленты. Клещевые подачи применяют в комплекте с правильно-разматывающим и наматывающим устройствами для ленты.

Разматывающими и наматывающими устройствами оснащают листоштамповочные прессы, применяемые для штамповки изделий из рулонной ленты. Разматывающие устройства снабжаются многовалковыми правильными механизмами, выправляющими кривизну ленты. Разматывающие устройства имеют регулировку скорости разматывания для согласования со скоростью работы пресса.

Полосоукладчики или полосоподаватели применяют для подачи в штамп полос из стопы.

Устройство состоит из стола, на который укладывается стопа полос, каретки с двумя пневмоцилиндрами для подъема и опускания траверсы с вакуумными резиновыми присосками. Поднятая очередная полоса подается одним концом в толкающую пару валков.

Механические руки предназначены для удаления изделий из штампов. Этот механизм совершает следующие операции: захват отштампованной детали, подъем детали на некоторую высоту для свободного перемещения, удаление детали от штампа и сбрасывание ее в тару.

Механические руки имеются двух типов: навесные поворотного действия и напольные горизонтального действия. Навесные руки используют главным образом при работе на вытяжных прессах и прессах простого действия. Конструкция руки состоит из рычажного механизма переноса, узла установки захватов и собственно захватов. Напольные механические руки горизонтального действия монтируют на специальных тележках.

Следующей ступенью развития механических рук являются промышленные роботы-манипуляторы с программным управлением. Эти устройства имеют большую маневренность и поэтому весьма перспективны для мелкосерийного производства.

Важным направлением повышения производительности труда при штамповке является интенсификация работ по смене, выверке и креплению штампов, на которые падает —40% всего простоя прессов. Применение выдвижных и сменных столов и быстродействующих зажимов обеспечивает эффективное сокращение времени на замену штампов. На практике широко используются специальные быстродействующие зажимные устройства, состоящие из зажимных элементов, пневмогидравлического привода и системы управления.

После штамповки (вырубки) большинство деталей подвергается зачистке от заусенцев и притупления кромок. Для механизации этих технологических операций Уралмашзаводом разработана конструкция галтовочного барабана с механизацией процессов загрузки и выгрузки деталей.

Галтовочный барабан состоит из металлоконструкций и барабана с пневмоцилиндрами для открывания и закрывания крышек. Корпус барабана изготовляют сварным из листа толщиной 30 мм, он имеет шестигранное поперечное сечение, внутри разделен перегородкой на две секции. Каждая секция имеет люк, закрывающийся двухстворчатой крышкой с помощью пневмоцилиндров.

Опорные цапфы на торцах барабана установлены так, что между осью барабана и осью цапф образуется угол 8°. За счет этого барабан при работе совершает сложное движение, способствующее лучшей очистке деталей. Одна из цапф барабана выполнена полой для отсоса пыли при очистке деталей. Вращение барабана осуществляется от электропривода.

Каждая секция барабана выложена внутри сменными футеровочными листами толщиной 80 мм. Между футеровочными листами и корпусом проложены резиновые прокладки для глушения шума.

Механизм открывания и закрывания крышек барабана устроен так, что произвольное самооткрывание крышек под действием веса деталей, очищаемых в барабане, произойти не может.

Загрузочное устройство расположено на загрузочной площадке, установленной над барабаном. Оно состоит из пневмо- цилиндра и поворотного стола, на который устанавливают коробки с деталями, предназначенными для очистки. При срабатывании загрузочного устройства коробка автоматически стопорится на поворотном столе специальным ограничителем.

Барабан имеет стопорное устройство, предназначенное для стопорения во время загрузки его деталями. Стопорное устройство приводится в действие пневмоцилиндром.

Выдача коробок с очищенными деталями из-под барабана и подача пустых коробок под барабан осуществляется механизированной тележкой. Тележка состоит из рамы и привода. Электрический ток подводится к тележке гибким кабелем. Очищенные детали можно высыпать из барабана только тогда, когда тележка находится под барабаном. Для этой цели предусмотрена электроблокировка.

Управляется галтовочный барабан с двух кнопочных пультов.

Зачистка мелких деталей из листа толщиной 2 мм и менее в галтовочном барабане невозможна, так как они при этом могут быть сильно деформированы. Зачистка на наждачных станках производится вручную и поэтому весьма непроизводительна и трудоемка. Для ускорения процесса удаления острых кромок и заусенцев на деталях из листа толщиной < 1 мм на участке листовой штамповки устанавливают специальные вальцы. Вальцы устроены следующим образом. На сварной раме установлен корпус. На раме внутри корпуса смонтированы электродвигатель и цилиндрический редуктор от которого через зубчатую передачу передается вращение валку. Последний через зубчатую пару заставляет вращаться валок с той же окружной скоростью. Широкий диапазон обрабатываемых деталей по толщине достигается поджимом верхнего валка, регулируемым винтовым устройством.

Штампованные изделия шириной до 700 мм со стола станка проходят между вращающимися валками, которые закатывают заусенцы и попадают на желоб-склиз и с него в коробку для сбора деталей.

Холодная штамповка с применением современного оборудования в ближайшее время должна найти более широкое применение в производстве сварных конструкций тяжелого машиностроения, что будет способствовать снижению трудоемкости и повышению качества заготовительных работ.