Какие заготовки используются в машиностроении. Заготовка – детали, типы
2.1. Термины и определения
Изделие
-
это предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на данном предприятии. Всякое изделие, рассматриваемое как объект проектирования, производства, эксплуатации и ремонта, должно быть рациональным по своему конструктивному исполнению. Состав и структура изделия, в соответствии с которыми разрабатывают конструкторскую документацию, являются основными признаками деления их на виды. В зависимости от наличия или отсутствия составных частей изделия могут быть отнесены к сборочным единицам или к.
Сборочная единица
-
изделие, составные части которого подлежат соединению между собой сборочными операциями.
Деталь -
изделие, изготовленное из материала одной марки без применения сборочных операций или с использованием местных соединительных операций (, склеивания и т. п.). В зависимости от принадлежности следует различать взаимосвязанные и самостоятельные детали.
Взаимосвязанными считают детали, являющиеся составными частями сборочных единиц, а самостоятельные не входят в состав других изделий (например, гаечный ключ, сверло и др.).
Совокупность всех действий людей и орудий, необходимых на данном производстве для изготовления или ремонта выпускаемых изделий, называют производственным процессом
. При осуществлении этого процесса материалы и полуфабрикаты превращаются в готовую продукцию, соответствующую своему служебному назначению.
Технологическим процессом
называют часть производственного процесса, содержащую целенаправленные действия по изменению состояния предметов труда. При осуществлении технологического процесса происходит последовательное изменение формы, размеров, материала или полуфабриката в целях получения изделия, соответствующего заданным техническим требованиям. Технологический процесс осуществляется на рабочих местах.
Технологическая операция
-
законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте и охватывающая все последовательные действия рабочего и оборудования по изготовлению заготовки или ее обработки. Часть технологической операции, выполняемую при неизменном закреплении обрабатываемых заготовок, называют установом
.
Законченную часть технологической операции, выполняемую одними и теми же средствами технологического оснащения при постоянных технологических режимах и установах, называют технологическим
переходом
. Законченную часть технологического перехода, которая при однократном перемещении
относительно заготовки изменяет форму, размеры, шероховатость поверхности или свойства заготовки, называют рабочим
ходом
.
Производство изделий невозможно без технологического оборудования и оснастки.
Технологическое оборудование
-
это орудия производства, в которых для выполнения определенной части технологического процесса размещают заготовки, средства воздействия на них и источники энергии. Примером технологического оборудования являются литейные машины, прессы, станки , и т.д.
Технологическая оснастка
-
это орудия производства, используемые совместно с технологическим оборудованием, для выполнения определенной части технологического процесса. Примерами технологической оснастки являются, приспособления, режущий инструмент и т. д.
Изделия изготавливают в условиях массового, серийного и единичного производств.
Массовое производство
характеризуется непрерывным изготовлением изделий ограниченной номенклатуры на узкоспециализированных рабочих местах. Этот тип производства позволяет механизировать и автоматизировать технологический процесс.
В условиях серийного производства
изготавливают изделия ограниченной номенклатуры партиями (сериями) с широкой специализацией рабочих мест. Разделение серийного производства на крупно-, средне- и мелкосерийное -
условное. При одном и том же количестве выпускаемых изделий в серии, но при существенном различии их размеров, сложности и трудоемкости производство может быть отнесено к разным типам. По уровню механизации и автоматизации крупносерийное производство приближается к массовому, а мелкосерийное -
к единичному.
Единичное производство
отличается изготовлением в единичных количествах изделий широкой номенклатуры неповторяющихся или повторяющихся через определенный промежуток времени изделий на рабочих местах, не имеющих определенной специализации.
2.2. Основные виды заготовок и их характеристики
Изготовление деталей начинается с производства заготовок.
Заготовкой
называют предмет труда, из которого изменением формы, размеров, свойств поверхности и (или) материала изготавливают деталь.
Различают следующие виды заготовок:
Профили
-
заготовки постоянного или периодического сечения, изготавливаемые в условиях металлургического производства.
Штучные заготовки
-
заготовки, получаемые обработкой давлением, методами порошковой металлургии, литьем и сваркой
Комбинированные заготовки
-
сложные изделия, получаемые соединением (в частности сваркой) отдельных более простых элементов. Примерами таких заготовок являются композиты, состоящие из матрицы и упрочняющих элементов (волокон, дисперсных частиц, сеток и др.). Комбинированные заготовки позволяют снизить массу изделий, а для более нагруженных конструкций использовать оптимальную композицию структурообразующих элементов.
Сварные заготовки
-
изделия, получаемые с использованием сварки элементов (профилей, литых, кованых, штампованных). Эти заготовки классифицируют в соответствии с методом получения исходных элементов и называют листосварными, штампованными, литосварными и др.
Заготовки характеризуются конфигурацией и размерами, точностью получаемых размеров, структурой металла, состоянием поверхности и т.д. Форма и размеры заготовки определяют технологию её изготовления и последующую механическую обработку. Точность размеров является важнейшим фактором, влияющим на стоимость изготовления детали. Необходимо обеспечить стабильность размеров заготовки в пределах изготавливаемой партии. Состояние поверхности (отбел чугунных отливок, слой окалины на и др.) может существенно затруднять последующую механическую обработку резанием.
Припуск на механическую обработку
-
это слой металла, удаляемый с поверхности заготовки с целью получения требуемых по чертежу формы и размеров детали. Припуски делят на общие и операционные. Общий припуск на обработку -
это слой металла, необходимый для выполнения всех необходимых, совершаемых над данной поверхностью. Операционный припуск -
это слой металла, удаляемый при выполнении одной технологической операции. Общий припуск равен сумме операционных.
Припуск на механическую обработку назначают только на те поверхности, для которых требуемая форма и точность размеров не могут быть достигнуты принятым методом и способом получения заготовки. Размер припуска влияет на себестоимость изготовления детали следующим образом:
-
завышенный припуск увеличивает затраты труда, расход материалов заготовки, режущего инструмента и электроэнергии;
-
заниженный припуск требует применения более дорогостоящих способов получения заготовок, при этом необходима более высокая квалификация рабочего.
Оптимальный припуск зависит от материала, размеров, конфигурации и вида заготовки, толщины дефектного поверхностного слоя и др. Известно, что полученные в песчаных формах отливки имеют на поверхности, песчаные включения, а поковки, изготовленные, покрыты окалиной. В процессе проектирования заготовки припуск выбирают по стандартам и справочникам.
Реальный слой металла, снимаемый в процессе обработки резанием, может колебаться в широких пределах, так как помимо припуска часто приходится удалять напуск.
Напуск
-
это объем металла на поверхности заготовки (сверх припуска), предназначенный для упрощения конфигурации заготовки и облегчения условий ее получения. В большинстве случаев напуск удаляют механической обработкой резанием, реже оставляют в изделии (и литейные уклоны, увеличенные радиусы закруглений и др.)
В процессе превращения заготовки в деталь ее размеры приобретают ряд промежуточных значений, которые называют операционными размерами. На рис. 2.1 на деталях показаны припуски, напуски и операционные размеры изделий.
Рис. 2.1
Припуски, напуски на размеры корпуса
подшипника (а
), пробки (б
), вала (в
):
D
дет
– диаметр отверстия в детали; D
1
и D
2
– операционные размеры отверстия;
D
заг
– диаметр отверстия в заготовке;
Удельный вес стоимости материалов в себестоимости машиностроительной продукции в станкостроении составляет 40...60%, при изготовлении локомотивов и вагонов -
60…75% и имеет тенденцию к увеличению. Правильный выбор конструкционного материала должен обеспечивать высокие детали, её долговечность, ремонтопригодность и способность к утилизации.
Выбор материала осуществляют на основе расчетов, экспериментов или опыта эксплуатации аналогичных деталей. Проектируя деталь, конструктор должен знать какие технологические процессы будут использованы при изготовлении заготовки и ее последующей обработке. При этом технологические свойства материала могут заранее определять технологию изготовления заготовки и последующую ее термическую и механическую обработки.
2.3. Качество и технологичность заготовок
Под качеством
промышленной продукции понимают степень соответствия присущих характеристик потребностям потребителей (ГОСТ Р ИСО 9000-2001).
Качество заготовок в большинстве случаев оценивают точностью формы, размеров, взаимного расположения поверхностей и, а также состоянием поверхностного слоя.
Под точностью
заготовки понимают ее соответствие требованиям чертежа и технических условий на её изготовление. Отклонение реальной заготовки от требования чертежа (эталона) называют погрешностью
.
Поверхностный слой заготовок
оценивается двумя группами параметров:
-
геометрическими (волнистость, шероховатость, субмикронеровности);
-
физико-механическими (химический состав, микро- и макроструктура; величина, знак и глубина распространения остаточных
и др.)
Состояние поверхности определяется свойствами материала и технологией изготовления заготовки. Геометрические показатели качества поверхности и точности заготовок взаимосвязаны. Так, если заготовку получают, то микро- и макронеровности не позволяют получать высокую точность размеров.
Под технологичностью конструкции изделия
понимают совокупность свойств конструкции, определяющих ее пригодность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работы. Вопросы технологичности решают комплексно, начиная со стадии проектирования заготовки, выбора метода ее изготовления и заканчивая процессами ее механической обработки и сборки всего изделия.
Современная тенденция состоит в том, что отработка конструкции на технологичность смещается на стадию разработки конструкторской документации. Поэтому при проектировании деталей конструктор должен уметь выбрать оптимальные методы и способы получения заготовки, ее последующей обработки, обеспечивающие требуемое качество.
Выбор показателей технологичности зависит от назначения детали, типа производства и условий эксплуатации. Для заготовок в качестве показателей технологичности применяют коэффициент использования материала, технологическую себестоимость, трудоемкость изготовления и др.
Коэффициент использования материала (КИМ
) - это безразмерная величина, определяемая отношением массы детали (m д
) к массе израсходованного материала (m р
):
КИМ = m д / m р
Масса израсходованного материала может быть определена как сумма массы заготовки (m заг), массы технологических потерь, которые образуются в процессе изготовления заготовки, и массы неизбежных потерь, связанных с отработкой технологического процесса.
Значение m заг
, определяется суммой масс получаемой детали, напуска (объема металла, упрощающего форму заготовки) и.
При расчете КИМ
находят коэффициент выхода годного материала в процессе изготовления заготовки
К ВГ = m заг / m р
и коэффициент весовой точности
К ВТ = m д / m заг,
который определяет количество материала, удаляемого в процессе механической обработки заготовки при получении детали требуемого качества.
Для оценки технологичности конструкции детали необходимо учитывать, что
КИМ = К ВГ. К ВТ.
Обеспечение технологичности деталей на стадии проектирования достигается при соблюдении следующих условий:
-
конфигурация изделия представляет собой сочетание наиболее простых геометрических форм;
-
формы и размеры отдельных элементов детали (уклоны, радиусы закругления и др.) должны быть по возможности унифицированы;
-
точность размеров и деталей должны быть обоснованными;
-
желательно использовать получения заготовок, которые не требуют последующего снятия, например, .
2.4. Формообразующие технологические процессы
Формообразующие
процессы по методу их исполнения принято подразделять на следующие:
-
осаждение из парогазовой фазы
, в процессе которого образуется форма заготовки в результате конденсации парообразных или газообразных химических элементов с образованием твердых осадков;
-
литье
, в процессе которого формообразование заготовки или детали осуществляется из жидкого материала путем заполнения им полости заданной формы и размеров с последующим;
-
формование
, заключающееся в получении заготовки или детали из порошкового или волокнового материала путем заполнения полости заданной формы и размеров с последующим уплотнением;
-
гальванопластику
-
процесс получения изделий из жидкого материала путем осаждения металла из раствора под действием электрического тока;
-
обработку давлением
, в процессе которой происходит изменение формы, размеров, шероховатости и свойств первичной заготовки (слитка, профиля) в результате
и/или разделения изделия без образования стружки;
-
механическую обработку резанием
, в процессе которой происходит изменение формы, размеров, шероховатости путем деформирования и последующего отделения поверхностного слоя заготовки с образованием стружки
;
-
электрофизическую и
электрохимическую обработку
, заключающиеся в изменении формы, размеров, шероховатости поверхностей заготовки путем использования электрических разрядов, магнитострикционного эффекта, электронного или оптического излучения и растворения ее материала в электролите под действием электрического тока;
-
сборку
, в процессе которой происходит образование разъемных и неразъемных соединений составных частей заготовки или изделия путем навинчивания, сварки, пайки, клепки, склеивания и т.д..
Формообразующие технологические процессы можно классифицировать по агрегатному состоянию заготовок или деталей в процессе их изготовления.
2.5. Основные принципы выбора метода получения заготовки
Одним
из основополагающих принципов выбора метода получения заготовки является обеспечение максимального приближения ее формы, размеров и
качества поверхности к аналогичным характеристикам получаемой детали. В этом
случае существенно сокращается расход металла, объем механической
обработки и производственный цикл изготовления детали. Однако при этом
в заготовительном производстве увеличиваются расходы на технологическое оборудование и, их и
обслуживание. Поэтому при выборе метода получения заготовки следует
производить технико-экономический анализ двух этапов производства-
заготовительного и механообрабатывающего.
Выбор метода получения
заготовки должен осуществляться на основе технического и экономического
принципов. В соответствии с техническим принципом выбранный технологический
процесс должен полностью обеспечивать выполнение всех требований на
изготовление изделия. В соответствии с экономическим принципом
изготовление заготовки следует вести с минимальными производственными
затратами. Из нескольких возможных методов получения изделия при прочих
равных условиях выбирают наиболее экономичный, а при равной
экономичности -
наиболее производительный.
2.6. Технологические возможности основных методов получения заготовок
В
условиях металлургического производства
машиностроительные
профили изготавливают прокаткой, прессованием и волочением. При этом
получают заготовки в виде сортовых профилей, листового проката, труб и
периодических профилей. Прокат выпускают горячекатанным и
калиброванным. При изготовлении деталей из калиброванных профилей, отличающихся
высокой точностью размеров и низкой шероховатостью поверхности,
возможна только отделочная механическая обработка поверхностей заготовок.
Сортовые профили
подразделяют на профили простой геометрической формы (квадрат, круг,
шестигранник, прямоугольник) и фасонные (швеллер; рельс; угловой,
тавровый профили и т.п.). Листовой металл делят на толстолистовую сталь
(толщиной 4 -
160 мм), тонколистовую сталь
(толщиной менее 4 мм) и фольгу (толщиной менее 0,2 мм). Трубы могут
быть бесшовными (фильм
)
и сварными (фильм
).
Бесшовные трубы используют в наиболее ответственных трубопроводах,
работающих под внутренним давлением в агрессивных средах.
Периодические профили имеют изменяющиеся форму и площадь поперечного
сечения вдоль оси заготовки. Их применяют как фасонные заготовки для
последующей объемной штамповки и механической обработки резанием.
Легкие, но жесткие
тонкостенные профили (менее 2-
3 мм) весьма
сложной конфигурации и большой длины можно получать методом профилирования
листового материала в холодном состоянии на профилегибочных. Гнутые
профили применяют при изготовлении изделий для машиностроения,
автомобильной и авиационной промышленности, строительных конструкций.
Для получения заготовок
из стали и цветных металлов с деформированной макроструктурой, имеющих
форму и размеры близкие к форме деталей машин, целесообразно применять
метод обработки давлением (ковку, объемную и листовую штамповку).
Ковку
применяют для изготовления поковок
в путем пластической деформации заготовок из профилей
или слитков. При производстве крупных и уникальных заготовок массой до
250 т ковка -
единственно возможный способ
обработки давлением.
(фильм
)
Заготовки,
полученные объемной штамповкой
, отличаются более высокой
точностью размеров, качеством поверхностного слоя по сравнению с
коваными заготовками.
(фильм
)
Применение этого вида обработки давлением для получения заготовок деталей машин
экономически целесообразно в условиях
и. При изготовлении поковок объемной штамповкой применяют
сортовые и периодические профили. По точности и шероховатости
поверхностей заготовки, получаемые холодной объемной штамповкой, не
уступают изделиям, изготавливаемым специальными способами литья. При
этом механические свойства поковок выше, чем отливок.
Листовой штамповкой
изготавливают самые разнообразные плоские и пространственные изделия
массой от долей граммов до десятков килограммов.
(фильм
)
В качестве заготовок при листовой штамповке используют полученные
прокаткой листы, полосы или ленты, толщина которых обычно не превышает
10 мм. При заданной прочности и жесткости этим видом обработки
давлением получают изделия минимальной массы с высокой точностью
размеров и качеством поверхности. Это позволяет сократить количество
отделочных технологических
операций механической обработки резанием.
Методами порошковой
металлургии
получают заготовки, которые по размерам и форме близки к
форме и размерам деталей,
поэтому при изготовлении изделий требуется небольшой объем механической
обработки.
(фильм
)
Технологии порошковой металлургии позволяют практически полностью
исключить из производства обычные металлургические процессы, а также значительно улучшить
экологические условия. Коэффициент использования металла увеличивается
до 0,98, производительность труда возрастает в 2 раза по сравнению с
изготовлением деталей из сортовых профилей, получаемых в условиях
металлургического производства. Статистические данные свидетельствуют о
том, что перевод тонны деталей из стали на изготовление методом
порошковой металлургии обеспечивает в машиностроении экономию 2 т
профилей и высвобождает 80 металлорежущих станков .
Недостатками этих методов получения заготовок являются: остаточная пористость изделий, ограниченность размеров и
высокая стоимость.
Методом литья
получают заготовки практически любых размеров, как простой, так и очень
сложной конфигурации.
(фильм
)
При этом отливки могут иметь сложные внутренние полости с
криволинейными поверхностями, пересекающимися под различными углами.
Точность размеров и качество поверхности заготовки зависят от способа литья. Отливки можно изготавливать практически из
всех металлов и сплавов. В некоторых случаях внутри стенок образуются
дефекты (усадочные раковины, пористость, горячие и холодные трещины),
которые обнаруживаются только после черновой механической обработки при
снятии литейной корки.
Сварные заготовки
изготавливают различными видами сварки -
от
электрошлаковой
(фильм
)
до сварки трением.
(фильм
)
В ряде случаев сварка упрощает изготовление заготовок сложной конфигурации. Слабым местом сварной заготовки является шов или
околошовная зона. Как правило, их прочность ниже, чем основного
металла. Кроме того, неправильная конструкция заготовки или технология
сварки может привести к дефектам (коробление, пористость, трещины),
которые трудно исправить последующей обработкой. Заготовки сложной
конфигурации дают значительный экономический эффект при изготовлении
элементов изделий штамповкой, литьем, прокаткой, с последующим
соединением их сваркой. Такие заготовки применяют при изготовлении
крупных коленчатых валов, станин кузнечно-прессового оборудования и т.п.
2.7. Факторы, определяющие выбор метода получения заготовки
Метод
получения той или иной заготовки зависит от служебного назначения детали и
требований, предъявляемых к ней, а также от ее конфигурации и размеров,
марки материала, типа производства и других факторов.
Наиболее сложные по
конфигурации заготовки можно изготавливать методам литья. Изделия, получаемые методом
обработки давлением, должны быть более простыми по форме. Изготовление
в поковках отверстий и полостей объемной штамповкой в ряде случаев
затруднено, а использование напусков резко увеличивает объем
последующей механической обработки.
Размеры заготовок, получаемых
методами литья и обработки давлением, практически не ограничиваются.
Нередко определяющим параметром в этом случае являются минимальные
размеры (например, минимальная толщина стенок отливки, минимальная
масса поковки). Объемной штамповкой и большинством специальных способов
литья получают заготовки массой до нескольких десятков или сотен
килограммов.
Форма и размеры заготовок,
получаемых методами порошковой металлургии, ограничены как
максимальными, так и минимальными размерами. При этом площадь
поперечного сечения изделий, получаемых холодным формированием порошков
с последующим спеканием, может быть от 50 мм 2 до 6000 мм 2 ,
высота -
от 2 до 60 мм, а масса заготовок,
как правило, не превышает 10 кг.
В процессе конструирования деталей выбор
марки материала определяется не только условиями ее функционирования,
но и условиями изготовления в реальном производстве. В
то же время технологические свойства материала существенно влияют на
выбор метода и способа получения заготовок. Так, серый чугун имеет прекрасные
литейные свойства, но обладает низкой деформированностью и плохой
свариваемостью.
Заготовки из одного и того же
материала, полученные методами литья, обработки давлением и сваркой,
обладают различными свойствами. Так, литой металл характеризуется
большим размером зерен, неоднородностью химического состава и
механических свойств по сечению отливки, наличием остаточных напряжений
и т.д.
После обработки давлением
заготовки имеют мелкозернистую структуру и определенную направленность
расположения волокон (неметаллических включений). После холодной
обработки давлением возникает наклеп, поэтому холоднокатаный металл
прочнее литого в 1,5-
3 раза. Пластическая
деформация металла приводит к анизотропии свойств: прочность вдоль
волокон (неметаллических включений) примерно на 10 -
15 % выше, чем в поперечном направлении.
Сварка приводит к образованию
неоднородных структур в сварном шве и в околошовной зоне.
Неоднородность зависит от вида и режима сварки. Так, наиболее резкое
отличие в свойствах сварного шва возникает при ручной дуговой сварке (фильм
), а
электрошлаковая (фильм
) и автоматическая электродуговая сварки (фильм
) обеспечивают
формирование наиболее качественных однородных швов.
Программа выпуска продукции,
т.е. количество изделий, выпускаемых в течение определенного времени
(обычно за год), является одним из важнейших факторов, определяющих
выбор метода и способа производства заготовок.
В условиях единичного
производства и для простых по конфигурации деталей часто
заготовками являются профили (сортовой прокат, трубы и т.п.),
получаемые в условиях металлургического производства. Стоимость
механической обработки заготовок при изготовлении деталей в этом случае
высока. Однако такая заготовка может быть достаточно экономичной из-за
низкой стоимости проката, почти полного отсутствия подготовительных
операций и возможности автоматизации процесса механической обработки.
При крупносерийном и массовом
производстве конструкции заготовок следует максимально приближать к
конфигурациям деталей. Например, для изготовления ступенчатого вала из
стали 45 (рис. 2.2) целесообразно применить поковку, получаемую
объемной штамповкой.
Рис. 2.2
Вал ступенчатый: а
-
деталь; б
-
штампованная
поковка; в
-
заготовка из
горячекатаного проката
Эффективными технологическими
способами изготовления заготовок в крупносерийном и массовом
производстве являются специальные виды прокатки
(поперечно-винтовая, поперечно-клиновая, прокатка в винтовых калибрах),
которые позволяют получить периодические профили (фильм
).. Применение таких
заготовок дает возможность повысить коэффициент использования материала
и производительность труда.
При конструировании деталей
необходимо учитывать возможности предприятия, на котором предполагается
их изготовление. Для этого необходимо располагать сведениями о типе и
количестве имеющегося оборудования, производственных площадях,
возможностях ремонтной базы, вспомогательных служб и т.д.
Технологический процесс
изготовления заготовки оказывает влияние на форму, размеры и состояние
поверхностей изделия, поэтому при проектировании детали необходимо
определить оптимальный метод изготовления заготовки.
Рассмотрим пример проектирования заготовки детали, эскиз которой
приведен на рис. 2.3. Марка материала проектируемого изделия -
низколегированная сталь (сталь 40Х, сталь 40ХЛ), масса - 12,1 кг,
годовая программа - 5000 шт.
Рис. 2.3. Эскиз детали
На предварительном этапе выбора метода изготовления заготовки можно
воспользоваться матрицей влияния факторов (табл. 2.1). Каждый фактор в
ней оценивают с помощью коэффициента удельного веса (0 или 1). Лучшим
считают метод, набравший большую сумму коэффициентов. В том случае,
когда ни у одного из рассмотренных методов изготовления заготовки нет
явных преимуществ, проектируют несколько эскизов заготовок,
изготовленных наиболее приемлемыми методами.
Анализ формы, размеров и массы детали, требуемой точности и состояния
поверхностей, технологических свойств материала и годовой
программы ее изготовления показал, что применение профилей круглого
сечения (ГОСТ 2590- 88) нецелесообразно, поскольку большое
количество металла при механической обработке заготовки резанием
удаляется в виде стружки (КИМ < 0,5). Применение методов порошковой
металлургии является неприемлемым, так как масса заготовки превышает 10
кг, а высота - более 60 мм. Поэтому в соответствии с данными матрицы
влияния факторов (табл. 2.1.) целесообразно рассмотреть три метода
получения заготовки проектируемой детали: обработкой давлением, литьем
и сваркой.
Таблица 2.1.
Матрица влияния факторов
Методы изготовления заготовок |
Сумма коэффициентов |
|||||
Форма и размеры заготовок |
Требуемая точность и состояние поверхностного слоя |
Технологические свойства материала |
Годовая программа выпуска |
Производственные возможности предприятия |
||
Металлурги-ческое производство профилей |
||||||
Метод обработки давлением |
||||||
Методы порошковой металлургии |
||||||
Метод литья |
||||||
Метод сварки |
С учетом особенностей конструкции детали и
технологических свойств низколегированной стали для изготовления
поковки выбираем горячую объемную штамповку на горизонтально -
ковочной машине. Ввиду большой глубины центрального отверстия
целесообразна односторонняя наметка. В соответствии с технологическими
рекомендациями назначают припуск на механическую обработку,
штамповочные уклоны и радиусы закругления. Эскиз штампованной заготовки
приведен на рис. 2.4,а. Марка материала - сталь 40Х, расчетная масса
поковки- 12,8 кг.
Изготовление отливки проектируемой детали осуществляют литьем в
песчаные формы (фильм
). Для того, чтобы уменьшить высоту литейной формы, ось
отливки расположена горизонтально. В соответствии с расчетными данными
и рекомендациями в отливке может быть изготовлено только центральное
отверстие, а на отверстия диаметром 12 мм назначен напуск, формовочные
уклоны составляют 40, а литейные радиусы - 5 мм. Эскиз отливки
приведен на рис. 2.4,б, марка материала - сталь 40ХЛ, расчетная
масса - 13,8 кг.
Для повышения технологичности сварной заготовки проектируемой детали
целесообразно фланец изготавливать горячей объемной штамповкой на
механическом прессе, а цилиндрическую часть (хвостовик) получать из
трубы (ГОСТ 8732-78). Для формирования неразмеченного соединения
элементов заготовки применена полуавтоматическая аргонодуговая сварка.
Эскиз сварной заготовки из стали 40ХЛ, массой -12,4 кг приведен на рис.
2.4,в.
а)
б)
в)
Рис. 2.4 Эскизы заготовок проектируемой детали: а - поковка; б - отливка: в - сварная конструкция
Оптимальный метод и способ изготовления заготовки устанавливают на
основе анализа:
- конструктивно-технологических признаков проектируемой детали;
- технико-экономических показателей способов заготовительного
производства, имеющихся на предприятии;
- технологических требований предъявляемых при механической обработке
заготовки резанием;
- годовой программы выпуска изделия.
После выбора оптимального метода определяют способ изготовления
заготовки (поковки, отливки, сварной конструкции и др.),
используемое оборудование, инструмент и технологическую оснастку. Затем
изготавливают чертежи заготовки и детали, конструкция которой отвечает
требованиям технологичности.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите основные виды заготовок и параметры, по которым оценивают их качество и технологичность.
2. Какие этапы изготовления деталей необходимо учитывать при расчете коэффициента использования материала?
3. Сформулируйте основополагающий принцип выбора метода получения заготовок деталей машин и приборов.
4. Какой метод изготовления заготовок обеспечивает получение крупногабаритных изделий сложной конфигурации (например, крупных коленчатых валов, станин кузнечнопрессового оборудования, конструкций из разнородных материалов и т.п.)?
5. На основе анализа
каких данных определяют оптимальный метод и способ изготовления
заготовки проектируемой детали?
6. Назовите основные
методы получения заготовок и их технологические возможности.
Изготовление деталей начинается с производства заготовок. Заготовкой называют предмет труда, из которого изменением формы, размеров, свойств поверхности и (или) материала изготавливают деталь.
Различают следующие виды заготовок:
Профили - заготовки постоянного или периодического сечения, изготавливаемые в условиях металлургического производства.
Штучные заготовки - заготовки, получаемые обработкой давлением, методами порошковой металлургии, литьем и сваркой.
Комбинированные заготовки - сложные изделия, получаемые соединением (в частности сваркой) отдельных более простых элементов. Примерами таких заготовок являются композиты, состоящие из матрицы и упрочняющих элементов (волокон, дисперсных частиц, сеток и др.). Комбинированные заготовки позволяют снизить массу изделий, а для более нагруженных конструкций - использовать оптимальную композицию структурообразующих элементов.
Сварные заготовки - изделия, получаемые с использованием технологического процесса сварки элементов (профилей, литых, кованых, штампованных). Эти заготовки классифицируют в соответствии с методом получения исходных элементов и называют листосварными, штампованными, литосварными и др.
Заготовки характеризуются конфигурацией и размерами, точностью получаемых размеров, структурой металла, состоянием поверхности и т.д. Форма и размеры заготовки определяют технологию ее изготовления и последующую механическую обработку. Точность размеров является важнейшим фактором, влияющим на стоимость изготовления детали. Необходимо обеспечить стабильность размеров заготовки в пределах изготавливаемой партии. Состояние поверхности (отбел чугунных отливок, слой окалины на поковках и др.) может существенно затруднять последующую механическую обработку резанием.
Припуск на механическую обработку - это слой металла, удаляемый с поверхности заготовки с целью получения требуемых по чертежу формы и размеров детали. Припуски делят на общие и операционные. Общий припуск на обработку - это слой металла, необходимый для выполнения всех необходимых технологических операций, совершаемых над данной поверхностью. Операционный припуск - это слой металла, удаляемый при выполнении одной технологической операции. Общий припуск равен сумме операционных.
Припуск на механическую обработку назначают только на те поверхности, для которых требуемая форма и точность размеров не могут быть достигнуты принятым методом и способом получения заготовки. Размер припуска влияет на себестоимость изготовления детали следующим образом:
- завышенный припуск увеличивает затраты труда, расход материалов, режущего инструмента и электроэнергии;
- заниженный припуск требует применения более дорогостоящих способов получения заготовок, при этом необходима более высокая квалификация рабочего.
Оптимальный припуск зависит от материала, размеров, конфигурации и вида заготовки, толщины дефектного поверхностного слоя и др. Известно, что полученные в песчаных формах отливки имеют на поверхности раковины, песчаные включения, а поковки, изготовленные ковкой, покрыты окалиной. В процессе проектирования заготовки припуск выбирают по стандартам и справочникам.
Реальный слой металла, снимаемый в процессе обработки резанием, может колебаться в широких пределах, так как помимо припуска часто приходится удалять напуск.
Напуск - это объем металла на поверхности заготовки (сверх припуска), предназначенный для упрощения конфигурации заготовки и облегчения условий ее получения. В большинстве случаев напуск удаляют механической обработкой, резанием, реже оставляют в изделии (штамповочные и литейные уклоны, увеличенные радиусы закруглений и др.).
В процессе превращения заготовки в деталь ее размеры приобретают ряд промежуточных значений, которые называют операционными размерами. На рис. 5.2 на деталях показаны припуски, напуски и операционные размеры изделий.
Удельный вес стоимости материалов в себестоимости машиностроительной продукции в станкостроении составляет 40-60%, при изготовлении локомотивов и вагонов - 60-75% и имеет тенденцию к увеличению. Правильный выбор конструкционного материала должен обеспечивать высокие эксплуатационные свойства детали, ее долговечность, ремонтопригодность и способность к утилизации.
Выбор материала осуществляют на основе расчетов, экспериментов или опыта эксплуатации аналогичных деталей. Проектируя деталь, конструктор должен знать, какие технологические процессы будут использованы при изготовлении заготовки и ее последующей обработке. При этом технологические свойства материала могут заранее определять технологию изготовления заготовки и последующую ее термическую и механическую обработки.
Вид заготовок |
Доля заготовок |
Вид заготовок |
Доля заготовок, |
Сварные конструкции |
Поковки: |
||
Отливки |
39,65 |
штампованные |
|
в том числе из: |
из слитков |
||
чугуна |
28.28 |
Изделия из металлических порошков |
0,05 |
стали |
|||
цветных металлов |
2,07 |
В настоящее время средняя трудоемкость заготовительных работ в машиностроении составляет 40...45% общей трудоемкости производства машин. Главная тенденция в развитии заготовительного производства состоит в снижении трудоемкости механической обработки при изготовлении деталей машин за счет повышения точности их формы и размеров.
Основные понятия о заготовках и их характеристика
Заготовка, основные понятия и определения
Заготовкой, согласно ГОСТ 3.1109-82, называется предмет труда, из которого изменением формы, размеров, свойств поверхности и (или) материала изготавливают деталь.
Различают три основных вида заготовок: машиностроительные профили, штучные и комбинированные. Машиностроительные профили изготавливают постоянного сечения (например, круглого, шестигранного или трубы) или периодического. В крупносерийном и массовом производстве применяют также специальный прокат. Штучные заготовки получают литьем, ковкой, штамповкой или сваркой. Комбинированные заготовки - это сложные заготовки, получаемые соединением (например, сваркой) отдельных более простых элементов. В этом случае можно снизить массу заготовки, а для более нагруженных элементов использовать наиболее подходящие материалы.
Заготовки характеризуются конфигурацией и размерами, точностью полученных размеров, состоянием поверхности и т.д.
Формы и размеры заготовки в значительной степени определяют технологию как ее изготовления, так и последующей обработки. Точность размеров заготовки является важнейшим фактором, влияющим на стоимость изготовления детали. При этом желательно обеспечить стабильность размеров заготовки во времени и в пределах изготавливаемой партии. Форма и размеры заготовки, а также состояние ее поверхностей (например, отбел чугунных отливок, слой окалины на поковках) могут существенно влиять на последующую обработку резанием. Поэтому для большинства заготовок необходима предварительная подготовка, заключающаяся в том,. что им придается такое состояние или вид, при котором можно производить механическую обработку на металлорежущих станках. Особенно тщательно эта работа выполняется, если дальнейшая обработка осуществляется на автоматических линиях или гибких" автоматизированных комплексах. К операциям предварительной обработки относят зачистку, правку, обдирку, разрезание, центро-вание, а иногда и обработку технологических баз.
Припуски, напуски и размеры
Припуск на механическую обработку-это слой металла, удаляемый с поверхности заготовки с целью получения требуемых по чертежу формы и размеров детали. Припуски назначают только на те поверхности, требуемые форма и точность размеров которых не могут быть достигнуты принятым способом получения заготовки.
Припуски делят на общие и операционные. Общий припуск на обработку-это слой металла, необходимый для выполнения всех необходимых технологических операций, совершаемых над данной поверхностью. Операционный припуск - это слой металла, удаляемый при выполнении одной технологической операции. Припуск измеряется по нормали к рассматриваемой поверхности. Общий припуск равен сумме операционных.
Размер припуска существенно влияет на себестоимость изготовления детали. Завышенный припуск увеличивает затраты труда, расход материала, режущего инструмента и электроэнергии. Заниженный припуск требует применения более дорогостоящих способов получения заготовки, усложняет установку заготовки на станке, требует более высокой квалификации рабочего. Кроме того, он часто является причиной появления брака при механической обработке. Поэтому назначаемый припуск должен быть оптималь-1 ным для данных условий производства.
Оптимальный припуск зависит от материала, разм&ров и конфигурации заготовки, вида заготовки, деформации заготовки при ее изготовлении, толщины дефектного поверхностного слоя и других факторов. Известно, например, что чугунные отливки имеют» дефектный поверхностный слой, содержащий раковины, песчаные включения; поковки, полученные ковкой, имеют окалину; поковки, полученные горячей штамповкой, имеют обезуглероженный поверхностный слой.
Оптимальный припуск может быть определен расчетно-аналитическим методом, который рассматривается в курсе «Технология машиностроения». В отдельных случаях (например, когда еще не разработана технология механической обработки) припуски на обработку различных видов заготовок выбирают по стандартам и справочникам.
Действительный слой металла, снимаемый на первой операции может колебаться в широких пределах, т.к. помимо операционного припуска часто приходится удалять напуск.
Напуск - это избыток металла на поверхности заготовки (сверх припуска), обусловленный технологическими требованиями упростить конфигурацию заготовки для облегчения условий ее получен ния. В большинстве случаев напуск удаляется механической обработкой, реже остается в изделии (штамповочные уклоны, увеличенные радиусы закруглений и др.).
В процессе превращения заготовки в готовую деталь ее размеры приобретают ряд промежуточных значений, которые называются операционными размерами. На рис.2.1. на деталях различных классов показаны припуски, напуски и операционные размеры. Операционные размеры обычно проставляют с отклонениями: для валов - в минус, для отверстий - в плюс.
Выбор способа получения заготовок
Технологические возможности основных способов получения заготовок
Основные способы производства заготовок - литье, обработка давлением, сварка. Способ получения той или иной заготовки зависит от служебного назначения детали и требований, предъявляемых к ней, от ее конфигурации и размеров, вида конструкционного материала, типа производства и других факторов.
Литьем получают заготовки практически любых размеров как простой, так и очень сложной конфигурации. При этом отливки могут иметь сложные внутренние полости с криволинейными поверхностями, пересекающимися под различными углами. Точность размеров и качество поверхности зависят от способа литья. Некоторыми специальными способами литья (литье под давлением, по выплавляемым моделям) можно получить заготовки, требующие минимальной механической обработки.
Отливки можно изготавливать практически из всех металлов и. сплавов. Механические свойства отливки в значительной степени зависят от условий кристаллизации металла в форме. В некоторых случаях внутри стенок возможно образование дефектов (усадочные рыхлоты, пористость, горячие и холодные трещины), которые обнаруживаются только после черновой механической обработки при снятии литейной корки. .
Обработкой металлов давлением получают машиностроительные профили, кованые и штампованные заготовки.
Машиностроительные профили изготавливают прокаткой, прессованием, волочением. Эти. методы позволяют получить заготовки, близкие к готовой детали по поперечному сечению (круглый, шестигранный, квадратный прокат; сварные и бесшовные трубы). Прокат выпускают горячекатаный и калиброванный. Профиль, необходимый для изготовления заготовки, можно прокалибровать волочением. При изготовлении деталей из калиброванных профилей возможна обработка без применения лезвийного инструмента.
Ковка применяется для изготовления заготовок в единичном производстве. При производстве очень крупных и уникальных заготовок (массой до 200...300 т) ковка - единственный возможный способ обработки давлением. Штамповка позволяет получить заготовки, более близкие по конфигурации к готовой детали (массой до 350...500 кг). Внутренние полости поковок имеют более простую конфигурацию, чем отливок, и располагаются только вдоль направления движения рабочего органа молота (пресса). Точность и качество заготовок, полученных холодной штамповкой, не уступают точности и качеству отливок, полученных специальными методами литья.
Обработкой давлением получают заготовки из достаточно пластичных металлов. Механические свойства таких заготовок всегда выше, чем литых. Обработка давлением создает волокнистую макроструктуру металла, которую нужно учитывать при разработке конструкции и технологии изготовления заготовки. Например,. в зубчатом колесе, изготовленном из проката (рис.3.1, а), направление волокон не способствует повышению прочности зубьев. При изготовлении заготовки штамповкой из полосы (рис.3.1,6) или осадкой из прутка (рис.3.1, в) можно получить более благоприятное расположение волокон.
Сварные заготовки изготавливают различными способами сварки-от электродуговой до электрошлаковой. В ряде случаев.сварка упрощает изготовление заготовки, особенно сложной конфигурации. Слабым местом сварной заготовки является сварной шов или околошовная зона. Как правило, их прочность ниже, чем основного металла. Кроме того, неправильная конструкция заготовки или технология сварки могут привести к дефектам (коробление, пористость, внутренние напряжения), которые трудно исправить механической обработкой.
Комбинированные заготовки сложной конфигурации дают значительный экономический эффект при изготовлении элементов заготовки штамповкой, литьем, прокаткой с последующим соединением их сваркой. Комбинированные заготовки применяют при изготовлении крупных коленчатых валов, станин кузнечно-прессового оборудования, рам строительных машин и т.д.
Перспективно в настоящее время получение заготовок из пластмасс и порошковых материалов. Характерной особенностью таких заготовок является то, что они по форме и размерам могут соответствовать форме и размерам готовых деталей и требуют лишь незначительной, чаще; всего отделочной-обработки.
Основные принципы выбора способа получения заготовок
Одну и ту же деталь можно изготовить из заготовок, полученных различными способами. Одним из основополагающих принципов выбора заготовки является ориентация на такой способ изготовления, который обеспечит ей максимальное приближение к готовой детали. В этом случае существенно сокращается расход металла, объем механической обработки и производственный цикл изготовления детали. Однако при этом в заготовительном производстве увеличиваются расходы на технологическое оборудование и оснастку, их ремонт и обслуживание. Поэтому при выборе способа получения заготовки следует проводить технико-экономический анализ двух этапов производства - заготовительного и механообрабатывающего. Методика технико-экономического анализа приведена в гл.9.
Разработка технологических процессов изготовления заготовок должна осуществляться на основе технического и экономического принципов. В соответствии с техническим принципом выбранный технологический процесс должен полностью обеспечить выполнение всех требований чертежа и технических условий на заготовку;
В соответствии с экономическим принципом изготовление заготовки должно вестись с минимальными производственными затратами.
Из нескольких возможных вариантов технологического процесса при прочих равных условиях выбирают наиболее экономичный, при равной экономичности - наиболее производительный. Если ставятся специальные задачи, например срочный выпуск какой-нибудь важной продукции, решающими могут оказаться другие факторы (более высокая производительность, минимальное время подготовки производства и др.).
Факторы, определяющие выбор способа получения заготовок
Форма и размеры заготовки
Наиболее сложные по конфигурации заготовки можно изготавливать различными способами литья. Литье в песчаные формы и по выплавляемым моделям позволяют получать заготовки сложной формы с различными полостями и отверстиями. В то же время некоторые способы литья (например, литье под давлением) выдвигают определенные ограничения к форме отливки и условиям ее изготовления. .
Заготовки, получаемые штамповкой, должны быть более простыми по форме. Изготовление отверстий и полостей штамповкой в ряде случаев затруднено, а использование напусков резко увеличивает объем последующей механической обработки.
Для простых по конфигурации деталей часто заготовкой является; прокат - (прутки, трубы и т.п.). Хотя в этом случае объем механической обработки возрастает, такая заготовка может быть достаточно экономичной из-за низкой стоимости проката, почти полного отсутствия подготовительных операций и возможности автоматизации процесса обработки.
Для литья и ковки размеры заготовки практически не ограничиваются. Нередко - ограничивающим параметром в этом случае являются определенные минимальные размеры (например, минимальная толщина стенки отливки, минимальная масса поковки). Штамповка и большинство специальных методов литья ограничивают массу заготовки до нескольких десятков или сотен килограммов.
Форма (группа сложности) и размеры (масса) отливок и поковок влияют на их себестоимость. Причем масса заготовки влияет активнее, так как с ней связаны расходы на оборудование, оснастку, нагрев и т.п. Значительное снижение стоимости изготовления литых и штампованных заготовок происходит при увеличении их массы от 2 до 30 кг.
Требуемые точность и качество поверхностного слоя заготовок
Требуемая точность геометрических форм и размеров заготовок существенно влияет на их себестоимость. Чем выше требования к точности отливок, штамповок и других заготовок, тем выше стоимость их изготовления. Это определяется главным образом увеличением стоимости формообразующей оснастки (модели, штампы, пресс-формы), уменьшением допуска на ее износ, применением оборудования с более высокими параметрами точности (и, следовательно, более дорогого), увеличением расходов на его содержание и эксплуатацию. В оптовых ценах на заготовки это удорожание выражается в виде надбавок к базовой цене. Размеры надбавок составляют для отливок 3...6%, для штамповок - 5...15%.
Качество поверхностного слоя заготовки сказывается на возможности ее последующей обработки и на эксплуатационных свойствах детали (например, усталостная прочность, износостойкость). Оно формируется практически на всех стадиях изготовления заготовки. Технологический процесс определяет не только микрогеометрию поверхности, но и физико-механические свойства поверхностного слоя.
В качестве примера сравним заготовки, полученные литьем в песчаные формы и под давлением. В первом случае получают грубую неточную поверхность. При обработке такой заготовки резанием возникает неравномерная нагрузка на резец, что в свою очередь снижает точность обработки. Особенно ярко это проявляется при обработке внутренних поверхностей.
Во втором случае поверхность заготовки имеет низкую высоту микронеровностей, но в связи с высокой скоростью охлаждения и отсутствием податливости формы в поверхностном слое металла создаются остаточные напряжения растяжения. Последние могут привести к короблению отливки и трещинам. Иногда остаточные напряжения выявляются не сразу, а при последующей механической обработке. Съем слоя металла с поверхности нарушает равновесие напряжений и приводит к деформации готовой детали.
Технологические свойства материала заготовки
Каждый способ производства заготовок требует от материала определенного комплекса технологических свойств. Поэтому часто материал накладывает ограничения на выбор способа получения заготовки. Так, серый чугун имеет прекрасные литейные свойства, но не куется. Титановые сплавы обладают высокими антикоррозионными свойствами, но получить из них отливки или поковки весьма затруднительно.
Технологические свойства оказывают влияние на себестоимость изготовления заготовок. Например, переход при изготовлении отливки от чугуна к стали повышает себестоимость литья (без учета стоимости материала) на 20...30%. Применение легированных и высокоуглеродистых сталей при производстве заготовок штамповкой повышает стоимость их изготовления на 5...7%.
Если заготовки из одного и того же материала получать различными Способами (литье, обработка давлением, сварка), то они будут обладать неидентичными свойствами, т.к в процессе изготовления заготовки происходит изменение свойств материала. Так, литой металл характеризуется относительно большим размером зерен, неоднородностью химического состава и механических свойств по сечению отливки, наличием остаточных напряжений и т.д. Металл после обработки давлением имеет мелкозернистую структуру, определенную направленность расположения зерен (волокнистость). После холодной обработки давлением возникает наклеп. Холоднокатаный металл прочнее литого в 1,5...3,0 раза. Пластическая деформация металла приводит к анизотропии свойств: прочность вдоль волокон примерно на 10...15% выцГе, чем в поперечном направлении.
Сварка ведет к созданию неоднородных структур в самом сварном шве и в околошовной зоне. Неоднородность зависит от способа и режима сварки. Наиболее резкие отличия в свойствах сварного шва получают при ручной дуговой сварке. Электрошлаковая и автоматическая дуговая сварки дают наиболее качественный и однородный шов.
Программа выпуска продукции
Программа выпуска продукции, т.е. количество изделий, выпускаемых в течение определенного периода времени (обычно за год), является одним из важнейших факторов, определяющих выбор способа производства заготовок. Ее влияние для каждого технологического процесса легко проследить по себестоимости одной заготовки:
Сзаг=й+6/П (3.1)
или производственной партии:
С==аП+Ь,
где а - текущие затраты (стоимость расходуемого материала, заработная плата основных рабочих, расходы на эксплуатацию оборудования и инструмента и т.д.); Ь - единовременные затраты (на оборудование, инструмент, его амортизацию и ремонт); П - размер производственной партии, шт.
Очевидно, что увеличение размера партии ведет к уменьшению себестоимости заготовки. Однако такое снижение себестоимости происходит не однозначно. При увеличении производственной партии свыше значения П, - требуется введение дополнительного оборудования, технологической оснастки. Зависимость себестоимости от размеров партии приобретает в этом случае более сложный (ступенчатый) характер (рис.3.2).
Сравнение двух (или нескольких) вариантов технологических процессов изготовления заготовок можно осуществить графически (рис.3.3). Точка пересечения дает критическую производственную партию Пк, которая разделяет области рационального применения того или иного технологического процесса.
Программа выпуска позволяет также определить экономически целесообразные пределы применения различных методов получения заготовок (рис.3.4).
Рис.3.2. Зависимость себестоимости С партии заготовок (1) и одной заготовки (2) от размера производственной партии П: П1, П2 - критические значения размеров партии |
Рис.3.3. Сравнение себестоимости С технологических про-цессов изготовления заготовки (варианты 1 и 2) в зависимости от размера производ-ственной партии |
|
Рис.3.4. Поводок (а) и зависимость себестоимости заготовки от метода ее изготовления и размера производственной партии (б) |
Производственные возможности предприятия
При организации производства нового вида заготовок, кроме разработки технологических процессов, следует установить необходимость нового оборудования, производственных площадей, кооперативных связей, "постановки дополнительных материалов, электроэнергии, воды и т. п: В этом случае выбор оборудования, оснастки и материалов производится на основании предварительного технико-экономического анализа.
При проектировании технологического процесса для действующего предприятия его следует связать с возможностями этого предприятия. Для этого необходимо располагать сведениями о типе и количестве имеющегося оборудования, производственных площадях, возможностях ремонтной базы, вспомогательных служб и т.д.
Многие из упомянутых выше факторов взаимосвязаны. Например, внедрение литья в металлические формы (кокиль) позволяет значительно снизить потребность в производственных площадях в литейном цехе (уменьшаются габаритные размеры машин, снижается расход формовочных материалов и т.п.). Но, с другой стороны, изготовление и ремонт кокилей требует дополнительных затрат в Инструментальных и ремонтных цехах.
Определенное влияние на выбор способа изготовления заготовки оказывают также наличие и уровень квалификации рабочих и ИТР на предприятии. Чем ниже квалификация рабочих и больше производственная программа, тем детальнее необходимо разрабатывать технологическую документацию, тем больше нагрузка на технологические службы предприятия и выше требования к квалификации ИТР.
Длительность технологической подготовки производства
B процессе технологической подготовки производства решаются задачи: технологического проектирования - разработка технологических процессов, маршрутных карт и т.п.; нормирования-расчеты трудоемкости операций и материалоемкости деталей; конструирования и производства основного и вспомогательного оборудования и технологической оснастки.
Сложность периода технологической подготовки производства состоит в том, что все работы должны вестись в кратчайшие сроки с минимальной трудоемкостью и стоимостью. Удлинение периода подготовки производства может привести к моральному устареванию изделия, снижению фондоотдачи капиталовложений и т.д. Поэтому начинать подготовку желательно еще во время проектирования изделия.
Длительность и объем технологической подготовки производства определяется сложностью изготавливаемого изделия, характером применяемых технологических процессов и типом производства. Чем больше количество и сложность используемого оборудования, тем больше объем и длительность подготовки. В условиях массового и серийного производства технологическая подготовка ведется особенно подробно. В единичном производстве технологическая подготовка ограничивается разработкой минимальных данных, необходимых для производства. Их детализация возлагается на цеховые технологические службы. В некоторых случаях (например, для устранения «узких» мест производства) с целью сокращения периода подготовки выбирают такой метод производства заготовок, который требует минимальных затрат на производство оборудования, инструментов и оснастки, необходимых для осуществления данного технологического процесса.
Методика выбора способа получения заготовок
На первом этапе тщательно анализируются детальные и сборочные чертежи изделия, взаимосвязи элементов конструкции при сборке, эксплуатации и ремонте. Анализ сопровождается критической оценкой чертежей с точки зрения технологичности и обоснованности технических требований. Все выявленные недостатки исправляются совместно с разработчиком конструкции.
Затем, исходя из заданной программы выпуска продукции, конфигурации и размеров основных деталей и узлов, а также производственных возможностей предприятия, устанавливается тип и характер будущего производственного процесса (единичное, серийное, или массовое; групповое или поточное).
В соответствии с конструкцией детали и предъявляемыми техническими требованиями устанавливают основные факторы (см. п.3.3), определяющие выбор вида заготовки и технологии ее изготовления. Факторы желательно располагать в порядке убывания их значимости.
Анализируя степень влияния рассмотренных выше факторов, выбирают один или несколько технологических процессов, обеспечивающих получение заготовок требуемого качества. Одновременно проверяют возможность использования комбинированных заготовок. На предварительном этапе выбора оптимального способа получения заготовок можно воспользоваться так называемой матрицей влияния факторов (табл.3.1). Оценка каждого фактора в ней производится «плюс - минус» или с помощью коэффициента удельного веса (от 0 до 1). Лучшим считается способ, набравший большее число плюсов или большую сумму коэффициентов.
После выбора нескольких вариантов получения заготовок для каждого из них конкретизируют: последовательность выполняемых операций (например, штамповка на прессе, затем на ГКМ; вальцовка, затем штамповка и сварка), используемое оборудование, основные и вспомогательные материалы. Если ни у одного из отобранных, способов получения заготовок нет определенных преимуществ, укрупненно проектируют несколько наиболее приемлемых заготовок и технологических процессов их производства.
3.1. Образец оформления матрицы влияния факторов
Для разработанных технологических процессов определяют основные технико-экономические показатели и на основании их анализа выбирают наиболее рациональный. Затем для выбранного способа производства разрабатывается подробный технологический процесс и делается его технико-экономический анализ.
Норма расхода металла и масса заготовки
Норму расхода материала, кг, на единицу, продукции можно выразить такой формулой:
Н == Сд + Ст. о + Сз. о, (3.3)
где Сд-масса готовой детали; Ст. о-масса технологического отхода; Gз. o-масса заготовительного отхода.
Массу готовой детали <3д можно рассчитать по формулам на основании данных чертежа или непосредственного обмера, а в случае особо сложной конфигурации детали - контрольным взвешиванием образца.
Масса технологического отхода Gт. о, м представляет собой неизбежные для данного производства потери материала, которые можно рассчитать так:
g t. o = От. а. з + бт.п. м, (3.4 )
где бт.п. з-технологические потери материала на угар, облой, прибыли, литниковую, систему; (Зт.п. м-технологические потери материала в виде припусков и напусков. Технологический отход находится в прямой зависимости от типа производства.
Масса заготовительного отхода Сз. о непосредственно с процессом изготовления детали не связана. Она определяется условиями поставки металла или материала. Например, отход прутка из-за некратности его длины длине заготовки, полосовой отход при холодной вырубке деталей из листа и т.д.
Масса технологического и заготовительного отходов уменьшается по мере совершенствования технологических процессов и применения прогрессивных методов обработки. При любом типе производства необходимо стремиться к снижению норм расхода материала за счет уменьшения технологического и заготовительного.отходов. Особенно актуальна эта задача в условиях массового производства. Именно в массовом производстве родились безотходные методы производства изделий (например, производство болтов и винтов из прутка методом холодной высадки).
Масса, с которой заготовка поступает на предварительную механическую обработку, называется массой заготовки. Масса заготовки, кг
Gs =s Од +, Ст.п. м.
Требования к заготовкам с точки зрения последующей обработки
Помимо минимальной, металлоемкости и трудоемкости к заготовкам предъявляют ряд требований с точки зрения их последующей механической обработки. К числу таких требований относятся: минимальные припуски на обработку; рациональное расположение литейных и штамповочных уклонов; повышенная точность размеров; минимизация или полное устранение дефектных слоев и др.
Минимизация припусков уменьшает количество проходов и переходов механической обработки и тем снижает ее стоимость.
Штамповочные и литейные уклоны ограничивают возможность использования отдельных поверхностей заготовки в качестве технологических баз при механической обработке, снижают точность обработки. Соответствующим выбором способа получения заготовки конструктор может создать наиболее приемлемую ее форму, позволяющую осуществить механическую, обработку с наименьшими трудозатратами. Основным требованием здесь является такое расположение плоскости разъема штампа или литейной формы, при котором установочные поверхности заготовки будут лишены уклонов и следов разъема.
Точность размеров заготовок, получаемых различными способами, колеблется от сотых долей до нескольких десятков миллиметров. Естественно при этом стремление получить точность заготовки максимально приближенной к требованиям чертежа готовой детали. В этом-случае иногда удается обойтись без механической обработки. Особенно возрастают требования к точности заготовок и стабильности размеров при обработке их на прутковых автоматах, станках типа «обрабатывающий центр», в гибких производственных системах, робототёхнических комплексах и пр. Низкая точность заготовок в автоматизированном производстве часто является причиной отказа сложных систем и линий. Поэтому точность заготовок перед запуском их на обработку в автоматизированном производстве часто приходится повышать путем предварительной обработки базовых поверхностей.
Наличие дефектного слоя на поверхности, подлежащей механической обработке, с одной стороны, приводит к увеличению припусков, с другой - к снижению стойкости режущего инструмента. Дефектный слой у чугунных отливок, получаемых в песчаных формах по деревянным моделям, составляет 1...5 мм, у поковок - 1,5...3 мм, у штампованных поковок-0,5,. .1,5, у горячекатаного проката - 0,5...1,0 мм. Без учета влияния вышеперечисленных факторов на последующую механическую обработку невозможно квалифицированно выбрать способ получения заготовки.
Влияние точности и качества поверхностного слоя заготовки на структуру ее механической обработки
Поверхности деталей делятся на обрабатываемые и необрабатываемые. В этой связи все детали в машиностроении можно разделить на три группы. К первой группе относятся детали, точность "и качество поверхностного слоя которых могут быть обеспечены тем или иным способом получения заготовки без какой-либо механической обработки. Типичными представителями таких деталей являются детали, получаемые холодной штамповкой из пластмасс, металлических порошков черных и цветных металлов, а также (реже) прецизионными способами литья и горячей штамповки. Вторая группа-летал», у которых все поверхности должны быть обработаны механически. Необходимость в механической обработке здесь может быть обусловлена двумя причинами: отсутствием способов получения заготовки, обеспечивающих требуемые по чертежу точность и качество поверхностного слоя, или экономической нецелесообразностью (дороговизной) получения требуемого качества детали имеющимися технологическими способами получения заготовок. Третью группу составляют детали, у которых часть поверхностей не обрабатывается, а наиболее точные, исполнительные и поверхности, подлежат обработке путем снятия стружки. Третья группа наиболее многочисленна и занимает промежуточное положение между первыми двумя. Производство деталей первой группы обходится наиболее дешево. Оно открывает путь к безотходной или, по крайней мере, малоотходной технологии. В стремлении к такому производству проявляется одна из самых важных тенденций развития машиностроения. Однако низкий уровень большинства наиболее распространенных в настоящее время способов получения заготовок вынуждает иметь в структуре любого машиностроительного завода механические цехи, - в которых заготовки превращаются в детали путем снятия с их поверхностей припусков на обработку.
Таким образом, основной тенденцией заготовительного производства является повышение точности и улучшение качества поверхностного слоя заготовок. Однако достижение этих качеств при малой программе выпуска может оказаться экономически невыгодным, так как расходы на оснастку для заготовительных процессов могут превысить экономию на механической обработке.
Рассмотрим сказанное на примере детали (рис.3.5), всем обрабатываемым поверхностям которой присвоены номера. Точность и шероховатость пронумерованных поверхностей различны. Поверхности, 2, 3, 4, 6, 7, 8 и 9 нуждаются в однопереходной обработке (строгании, фрезеровании или точении). Поверхность 1, являющаяся базовой поверхностью, требует применения двухпереходной обработки (чистового и чернового фрезерования).
Основные виды заготовок: отливки, штамповки, поковки, прокат, заготовки из металлопорошков, пластмасс и штампосварные. Качественные характеристики заготовок в зависимости от метода их получения. Технико-экономические условия выбора заготовок. Влияние конструкции и материала детали на выбор метода получения заготовок. Задачи рационального и экономного использования металлов путем совершенствования конструкций автотракторной техники и повышения точности заготовок. Задачи охраны окружающей среды, условия труда. Безотходная технология
В транспортной промышленности применяются следующие основные заготовки:
а) отливки из чугуна, стали и цветных металлов; б) поковки и штамповки из стали и некоторых цветных металлов; в) прокат из стали и цветных металлов; г) штампо-сварные из стального проката и других металлов; д) штамповки и отливки из пластмасс; е) металлокерамические (порошковая металлургия).
Себестоимость детали складывается из себестоимости заготовки и себестоимости ее обработки, поэтому необходимо процесс изготовления детали рассматривать комплексно, включая процесс получения заготовки и ее обработку. Из многих возможных способов получения заготовки надо выбрать оптимальный для заданных условий производства, обеспечивающий минимальную себестоимость изготовления детали. Например, при массовом производстве деталей экономически оправдывается получение заготовок, наиболее приближающихся по форме и размерам к готовой детали.
Для объективной технологической характеристики заготовки (кроме оценки правильности геометрической формы и размеров, а также физических свойств металла) применяется коэффициент съема металла
где - вес заготовки; - вес детали.
Получение заготовок литьем
Заготовки можно отливать в разовые, полупостоянные и постоянные формы.
Литье в разовые формы. Этот способ применяется при изготовлении заготовок из черных и цветных металлов с любыми размерами и весами. Производится литье в разовые сырые или сухие песчаные формы, в оболочковые (скорлупчатые) формы и по выплавляемым моделям (прецизионное).
Песчаные формы выполняются в опоках или без опок (почвенная формовка). Формы без опок изготовляются ручным способом, а в опоках - ручным и машинным способами.
Сухие (стержневые) формы применяют для получения ответственных отливок сложной конфигурации (цилиндр двигателя, рабочие колеса гидротурбин и т. п.). Форму собирают из стержней по шаблонам и кондукторам; она обеспечивает получение высокой точности заготовки. Заготовки, получаемые литьем в оболочковые формы , изготовленные из песчано-смоляных смесей, имеют более высокие точность размеров и формы и чистоту поверхности по сравнению с отливками, получаемыми при литье в обычные песчаные формы. В оболочковых формах изготовляют отливки из серого, ковкого и сверхпрочного чугуна, стали и цветных сплавов. Этим методом изготовляют обычно сложные и ответственные заготовки деталей весом до 100 кг. Оболочковые формы имеют прочные тонкие стенки толщиной 5-8 мм, состоящие из смеси 92-95% кварцевого песка и 8-5% термореактивной смолы (фенолформальдегидные смолы типа бакелита и др.). Также применяются быстротвердеющие смеси с жидким стеклом, бетонные и др.
Способ отливки в оболочковые формы сокращает потребление литейной земли в 10 раз, повышает производительность труда в 10-15 раз, значительно улучшает условия труда в литейном цехе. Этот способ особенно выгоден для крупносерийного и массового выпуска деталей. Он позволяет получать стальные отливки с толщиной стенок 3 мм, а отливки из алюминиевых сплавов с толщиной стенок 1 мм. Точность отливок соответствует 4-5-му классам точности, а чистота поверхности 3-4-му классам.
Литье по выплавляемым моделям позволяет получить заготовки сложной формы, настолько близкой к готовой детали, что в отдельных случаях частично или полностью исключается механическая обработка. По выплавляемым моделям обычно изготовляют отливки небольшого веса (до 3 кг), хотя в отдельных случаях они могут выполняться и значительно большего веса. Минимальная толщина стенок отливок из чугуна составляет 0,15 мм, а из алюминиевых сплавов - 0,8 мм. Можно отливать заготовки зубчатых колес с зубьями, шлицевые валики со шлицами и т. п. Для получения большей плотности металла в отливке применяют центробежный или центробежно-вакуумный способ заливки. Для увеличения производительности процесса литья целесообразно в одной форме отливать группу заготовок по выплавляемым моделям. При этом получаются отливки с точностью по 4-5-му классам и чистотой поверхности по 3-4-му классам.
Литье в полупостоянные формы. При этом способе формы изготовляют из гипса, цемента, кирпича и камня. Гипсовые формы применяют для изготовления отливок из чугуна и цветных сплавов весом до 1 т. Отливки в гипсовые формы могут иметь толщину стенок 1-1,5 мм, а отливки из алюминиевых сплавов с использованием вакуума - толщину стенок 0,2 мм. Этим способом изготовляют отливки зубчатых колес с формообразованием зубьев, шлицевые валы, лопасти турбин и др. Цементные формы и формы из кирпича в автотракторной промышленности не применяются.
Формы из камня обеспечивают получение чугунных и бронзовых отливок с чистотой поверхности по 6-му классу и не требуют отбела поверхностного слоя. Формы из талькоактинолито-хлоритового сланца применяют вместо металлических кокилей при массовом производстве.
Литье в постоянные формы. Широкое применение имеет литье в металлические формы - кокиль. Этот вид литья позволяет получать отливки с точностью по 4-7-му классам и с чистотой поверхности по 3-4-му классам. В металлические формы можно отливать заготовки из стали, чугуна и цветных сплавов с весом от нескольких граммов до нескольких тонн.
Для повышения стойкости металлических форм их охлаждают водой. Этот метод экономически целесообразно применять при серийном и массовом производстве. Он позволяет повысить производительность труда по сравнению с литьем в песчаные формы в 2 раза и более, уменьшить более чем в 4 раза производственные площади и снизить в 2 раза затраты на формовочные материалы.
Литье под давлением производится в основном в постоянные формы и применяется для изготовления сложных тонкостенных отливок с глубокими плоскостями и сложными пересечениями стенок. Отливки имеют мелкозернистую структуру, что повышает прочность металла в 1,5 раза по сравнению с прочностью отливок, получаемых в песчаных формах.
Себестоимость форм для литья под давлением высокая, поэтому такой способ применяется в крупносерийном и массовом производстве.
Для литья втулок, колец, труб и других деталей вращения применяется центробежное литье на центробежных машинах.
Особенностью этого процесса является образование внутренней полости без применения стержней и возможность получения многослойных отливок. Заливка металла в металлическую изложницу обеспечивает более качественную отливку, чем заливка в футерованную изложницу, но срок службы последней больше из-за меньшего нагрева. Точность стальных и чугунных отливок, полученных центробежным литьем, соответствует 6-8-му классам и чистота поверхности - 3-му классу.
Получение заготовок обработкой давлением
Процессы обработки металла давлением отличаются высокой производительностью, относительно малой трудоемкостью, обеспечивают экономное расходование металла и, как правило, способствуют улучшению механических свойств металла.
Заготовки могут быть получены ковкой, горячей штамповкой, холодной объемной штамповкой и холодной листовой штамповкой.
Свободная ковка. Она производится на ковочных молотах. Для получения фасонных заготовок деталей автомобилей и тракторов, изготовляемых из сортового проката, применяют пневматические или паровоздушные молоты. Свободную ковку целесообразно применять только при единичном производстве. Ковку на молотах также производят в подкладных штампах. Применение подкладных штампов позволяет увеличить производительность ковки в 5-6 раз. Применяется этот вид ковки в мелкосерийном производстве. Перед штамповкой в подкладных штампах заготовке придают свободной ковкой форму, близкую к форме заданной поковки. Допуск на размер штамповок, получаемых в подкладных штампах, примерно в 2-3 раза меньше, чем допуск при свободной ковке. В мелкосерийном производстве применяется ковка на радиально-ковочной машине с программным управлением. Эта машина производит периодическое обжатие и вытягивание по уступам прутковой или трубной заготовки при помощи последовательных и быстрых ударов двумя бойками и более, работающими по заданной программе, заложенной в программное устройство машины. На радиально-ковочной машине можно производить горячую и холодную ковку. Точность размеров при холодной ковке колеблется в пределах от ±0,02 до ±0,2 мм и чистота поверхности соответствует 7-9-му классам, при горячей ковке точность колеблется в пределах от ±0,05 до 0,3 мм и чистота поверхности соответствует 1-3-му классам.
Горячая объемная штамповка. Горячая объемная штамповка может производиться на молотах, горизонтально-ковочных машинах (ГКМ), штамповочных прессах и ковочных вальцах. Штамповка на молотах применяется в серийном и массовом производстве. Заготовка требуемой конфигурации большей частью получается путем последовательной обработки в нескольких ручьях, выполненных в одном штампе.
Штамповкой на ГКМ изготовляют заготовки весом 0,1-100 кг. На ГКМ можно обеспечить высокое качество поковок за счет расположения волокон материала в наиболее выгодном направлении. Простые по форме заготовки при изготовлении на ГКМ можно получать без облоя, а сложные по форме заготовки - с небольшим облоем, не превышающим 1% веса заготовки. На ГКМ можно получать штампованные заготовки со сквозным отверстием и с глубокими глухими отверстиями. Штампованные заготовки можно получить из прутков и труб повышенной точности.
Штамповка на гидравлических, фрикционных и кривошипных прессах в автотракторной промышленности получила широкое применение. Штамповку на гидравлических прессах применяют для получения заготовок из легких и малопластичных сплавов, требующих небольших скоростей деформирования. Малая производительность гидравлических прессов вследствие их тихоходности повышает себестоимость штампованных заготовок по сравнению с себестоимостью штампованных заготовок, получаемых на прессах других типов.
Штамповка на фрикционных прессах применяется в мелкосерийном и серийном производстве для получения заготовок из стали преимущественно в одноручьевых штампах и для резки в двух ручьях и более, а также для точной штамповки сложных заготовок из цветных сплавов.
Наибольшее распространение в транспортной промышленности получила штамповка на кривошипных прессах. На этих прессах производятся почти все виды горячей штамповки заготовок весом до 100 кг. Постоянство режимов деформирования обеспечивает стабильность размеров и механических свойств штампованных заготовок. Производительность фрикционных и кривошипных прессов в 2-3 раза выше производительности молотов. На прессах можно штамповать заготовки выдавливанием (экструдирование), при котором обеспечиваются точная форма, размеры и повышаются механические свойства металла.
Заготовки также можно получать методом вальцовки. Вальцовкой называется процесс обработки металлов давлением, при котором деформирование заготовки происходит во вращающихся секторах-штампах, расположенных на рядках.
Холодная объемная штамповка. Одним из наиболее экономичных технологических процессов получения заготовок крепежных и других видов мелких деталей (винты, болты, ролики, шарики, толкатели клапанов и т. д.) в больших количествах является холодная объемная штамповка (высадка) на специальных холодно-высадочных прессах-автоматах. Производительность автомата - до 400 шт./мин. Исходным полуфабрикатом для изготовления болтов является бунт проволоки диаметром от десятых долей миллиметра до 10-15 мм или калиброванный пруток диаметром более 8 мм.
Холодная листовая штамповка Исходным материалом служат тонкие листы металла и ленты.
Операции холодной штамповки можно разделить на две группы.
- 1. Разделительные операции, посредством которых одна часть материала полностью или частично отделяется от другой: отрезка, вырубка, пробивка, надрезка, подрезка, обрезка, зачистка и калибровка.
- 2. Формоизменяющие операции, посредством которых плоская или пространственная заготовка превращается в пространственную деталь заданной формы и размеров: гибка, отбортовка, вытяжка.
Холодное профильное волочение. Холодным волочением получают заготовки с малым поперечным сечением, обычно со сторонами или диаметром не более 25-30 мм. Этим методом получают мелкомодульные зубчатые колеса, храповые колеса, винты и детали любого сложного профиля.
Отклонения размеров поперечного сечения заготовки соответствуют 4-му классу точности, чистота поверхности 6-му классу. При многократном волочении достигается точность формы и размеров в поперечном сечении до 2-го класса и чистота поверхности у 8-го классов. Применение этого метода обеспечивает получение заготовки, механическая обработка которой производится только по ее торцам.
Контрольные вопросы:
- 1. Какие способы литья существуют?
- 2. Какие виды заготовок, полученные обработкой давлением, бывают?
- 3. Для чего необходим коэффициент съема металла?
Основными видами заготовок для деталей явл-ся заготовки, полученные:
Обработкой давлением;
Резкой сортового и профильного проката;
Комбинированными методами;
Специальными методами.
Получение заготовок литьём .
По сравнению с другими методами получения заготовок литьё обладает рядом преимуществ:
Высокие коэффициенты использования металла и весовой точности;
Практически неограниченные габариты и масса отливок;
Возможность использования сплавов, не поддающихся пластическому деформированию и трудно обрабатываемых резанием.
Метод получения заготовок литьём в песчано- глинистые формы вследствие своей универсальности применяются во всех типах производства. Этим методом производится около 80…85 % литых заготовок. Могут быть получены самые сложные отливки, практически неограниченных размеров. Отливки имеют равномерную структуру и характеризуются хорошей обрабатываемостью резанием. Литейные уклоны составляют 1-3˚ для деревянных моделей, 1-2˚ -для металлических моделей при ручной формовке, при машинной -0,5-1˚.
К недостаткам этого метода относятся :
Большой расход металла и формовочных материалов;
Большие припуски на м/о;
Большие производственные площади;
Большие капитальные затраты для создания нормальных условий труда;
Значительное кол-во брака.
Литьё в постоянные металлические формы –кокили позволяет увеличить производительность и съём с производственных площадей, увеличить точность и уменьшить шероховатость пов-тей, уменьшить расход металла и формовочных материалов, припуски на м/о, улучшить мех-е свойства материала, уменьшить себестоимость отливок и кол-во брака.
Формы кокилей изготовляются из чугуна или стали литьём с последующей м/о. Применяется также литьё в облицованный кокиль .
Наибольшее применение для литья в кокиль получили цветные сплавы, имеющие более низкую температуру плавления, а следовательно, более высокую стойкость форм.
Стойкость кокилей составляет: при литье цветных сплавов – до 150 тыс. заливок, при литье чугуна – до 1-5 тыс. заливок, стали – не более 100-500 заливок.
К недостаткам литья в кокиль относятся :
Необходимость упрощения конфигурации отливок и увеличения толщины стенок полых отливок;
Затруднение выхода газов из формы, и как следствие – возможность образования газовых раковин;
Возможность появления отбелённого слоя на пов-ти чугунных заготовок.
Центробежное литьё применяется для получения отливок типа тел вращения (труб, дисков, втулок, цилиндров, шпинделей) и фасонных отливок из стали, чугуна, цветных металлов и сплавов.
Способ центробежного литья имеет несколько разновидностей: с вертикальной осью вращения, горизонтальной, наклонной, вертикальной, не совпадающей с осью отливки. Позволяет получить по сравнению с предыдущими способами более высокое качество структуры вследствие более организованного размещения атомов металла, меньший расход металла (отсутствуют прибыли, литниковые системы), уменьшить кол-во брака – выход годного литья достигает 95% (на – 20-60% больше, чем при литье в песчано- глинистые формы), снижение себестоимости изготовления отливок на 20-40%.
Недостатками явл-ся ограниченность конфигурации и размеров отливок, сложность формы для отливок сложной конфигурации.
Литьё под давлением позволяет получать точные отливки из цветных сплавов с малой шероховатостью и небольшой толщиной стенок, повышенную прочность отливок на 25-40% по сравнению с литьём в песчано- глинистые формы, уменьшить или полностью устранить припуски на обработку, осуществить высокую автоматизацию процесса, улучшить условия труда, сократить производственный цикл. Этим способом отливают заготовки деталей: корпуса карбюраторов, электромагниты, щиты малых электродвигателей и др.
Литьё под давлением производится на специальных литьевых машинах с горизонтальными или вертикальными камерами прессования; разновидностью литья под давлением явл-ся литьё с применением вакуума.
Недостатком способа явл-ся необходимость применения сложных форм и специального оборудования.
Литьё по выплавляемым моделям даёт возможность получать высокую точность и малую шероховатость поверхностей отливок, уменьшить внутренние напряжения в отливках или устранить совсем, получить минимальные припуски и улучшить условия труда.
Разновидностями способа явл-ся: литьё по растворяемым солевым моделям, литьё по выжигаемым моделям.
Недостатком данных способов явл-ся сложный технологический процесс получения отливок, требующий специального оборудования и специальной оснастки, длительный производственный цикл.
Литьё в оболочковые формы даёт по сравнению с литьём в песчано-глинистые формы более высокую точность и меньшую шероховатость поверхности, малые припуски на обработку, снижение трудоёмкости по всем элементам процесса, высокую производительность, уменьшение кол-ва формовочных смесей в несколько раз, улучшение условий труда, возможность внедрения комплексной автоматизации.
Оболочковые формы могут быть: песчано-смоляными, химически твердеющими и жидкостекольными.
Недостатки литья в оболочковые формы – дорогая и сложная оснастка, дорогие формовочные смеси, необходимость изготовления точных металлических моделей.
Заготовки, полученные штамповкой жидкого металла , обладают высокой плотностью структуры. Способ позволяет снизить расход металла в 1,5-3 раза по сравнению с литьём в песчано-глинистые формы, не требует дорогостоящего оборудования и оснастки.
Штамповка жидких металлов имеет несколько разновидностей:
С кристаллизацией под поршневым давлением;
Выжиманием;
Вакуумное всасывание;
Непрерывное литьё и др.
Кроме приведённых выше способов литья существуют и другие, например, литьё в формы: гипсовые, песчано- цементные, кирпичные, шамотно- кварцевые, глинистые, каменные, керамические и др.
В 1988 г. введён в действие единый ГОСТ 26645-85 « Отливки из металлов и сплавов» на отливки, получаемые любым способом из чёрных и цветных металлов и сплавов. Данный стандарт устанавливает допуски размеров, формы, расположения и неровностей поверхности, допуски массы и припуски на обработку. Согласно ГОСТ 26645-85 точность отливки характеризуется четырьмя показателями:
Классом размерной точности (22 класса);
Степенью коробления (11 степеней);
Степенью точности поверхностей (22 степени);
Классом точности массы (22 класса).
Обязательному применению подлежат классы размерной точности и точности массы отливок.
Стандартом предусмотрено 18 рядов припуска отливок.
В технических требованиях чертежа отливки должны быть указаны нормы точности отливки в следующем порядке:
Класс размерной точности;
Степень коробления;
Степень точности поврхностей;
Класс точности массы;
Допуск смещения отливки.
Пример условного обозначения точности отливки 8-го класса размерной точности, 5-й степени коробления, 4-й степени точности поверхностей, 7-го класса точности массы с допуском смещения 0,8мм: Точность отливки 8-5-4-7 См 0,8 ГОСТ 26645-85 .
В технических требованиях чертежа отливки должны быть указаны в нижеприведённом порядке значения номинальных масс детали, припусков на обработку. Технологических напусков и массы отливки.
Пример условного обозначения номинальных масс, равных для детали -20,35 кг, для припусков на обработку -3,15 кг, для технологических напусков – 1,35 кг, для отливки – 24, 85 кг.
Масса 20.35-3.15-1.35-24.85 ГОСТ 26645-85 .
Для необрабатываемых отливок или при отсутствии напусков соответствующие величины обозначают «0». Например: Масса 20.35-0-0-20.35 ГОСТ 26645-85 .
Заготовки, получаемые обработкой давлением .
Различают следующие способы получения заготовок обработкой давлением:
Штамповка (горячая и холодная);
Специальные способы.
Все процессы обработки металлов давлением основаны на способности металлов в твёрдом состоянии устойчиво изменять формы и размеры под действием приложенных внешних сил, т.е пластически деформироваться. В процессе пластической деформации металл приобретает не только требуемую форму, но и меняет свою структуру и физико – механические свойства.
Способы получения заготовок давлением в основном явл-ся высокопроизводительными процессами, обеспечивают малые припуски и улучшенную структуру металла.
Материал, из которого получают заготовки давлением, должен обладать ковкостью: прочностью и пластичностью при высокой температуре. Ковкость в основном зависит от химического состава материала и его компонентов. Например, такие элементы, как хром, кремний, углерод и марганец- снижают, а никель – повышает ковкость. Наличие серы (при температуре 800-900 град) вызывает явление красноломкости, фосфора (более 0,03%) хладноломкости.
Ковка .
При ковке формообразование происходит вследствие свободного течения металла в стороны, перпендикулярные к движению формообразующего инструмента – бойка.
Ковкой заготовок на молотах и прессах получают поковки простой конфигурации с большой массой (до 250т). Поковки имеют хорошую структуру металла по всему сечению, т.к течение металла не ограничивается инструментом, и он хорошо проковывается. Ковка не требует специального инструмента и оснастки.
Недостатком явл-ся низкая производительность, большая трудоёмкость, большие припуски и напуски на обработку, низкая точность. Для получения поковок более сложной конфигурации применяют подкладные кольца и штампы. Уменьшить припуски на обработку и снизить трудоёмкость позволяет применение радиально- ковочных машин. Однако область их применения ограничена только телами вращения.
В зависимости от массы поковок для ковки применяют: пневматические молоты, паровоздушные молоты, гидравлические прессы.
Горячая штамповка .
По сравнению с ковкой горячая объёмная штамповка имеет ряд преимуществ:
Более сложная форма поковки и лучшее качество поверхности;
Снижение припусков на обработку;
Экономия металла;
Повышение точности изготовления заготовок;
Уменьшение штамповочных уклонов за счёт наличия в конструкции штамповочного оборудования выталкивателей;
Повышение производительности труда;
Уменьшение трудоёмкости;
Улучшение условий труда.
К недостаткам горячей объёмной штамповки относится:
Дорогостоящая оснастка (инструмент – штамп), что позволяет применять штамповку только при большом объёме выпуска деталей;
Ограничения по массе получаемых поковок;
Дополнительный отход металла в заусенец (10-30% от массы поковки);
Большие усилия деформирования, чем при ковке.
Применение унифицированных блоков штампов со сменными вставками и унификация другой оснастки дают возможность применения штампов даже в мелкосерийном производстве. Хороший эффект дают комбинированные способы изготовления заготовок: ковка и последующая штамповка и т.д.
Горячая объёмная штамповка подразделяется на различные виды в зависимости от типов штампов, оборудования, исходной заготовки, способа установки заготовки в штампе и т.п.
В зависимости от оборудования имеются следующие виды объёмной штамповки:
На штамповочных паровоздушных молотах двойного действия;
На кривошипных горячештамповочных прессах;
На горизонтально- ковочных машинах (ГКМ);
На гидравлических прессах;
На высокоскоростных молотах;
На специальных машинах (ковочные вальцы, горизонтально- гибочные машины, ротационно-обжимные и радиально- обжимные машины, электровысадные машины, раскатные машины).
В зависимости от типа штампа штамповка подразделяется на следующие виды:
В открытых штампах;
В закрытых штампах;
В штампах выдавливания.
Штамповка в открытых штампах характеризуется тем, что штамп в процессе деформирования остаётся открытым. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа явл-ся переменным, в него затекает (выдавливается) металл при деформировании, образуя заусенец. Основное назначение этого заусенца – компенсация колебаний исходных заготовок по массе. Этот тип штампа можно применять для деталей любой конфигурации. Однако наличие заусенца увеличивает расход металла, а для обрезки заусенца необходимо применение специальных обрезных прессов и штампов.
При штамповке в закрытых штампах (безоблойная штамповка) штамп в процессе деформирования остаётся закрытым, т.е металл деформируется в закрытом пространстве. Отсутствие заусенца сокращает расход металла, отпадает необходимость в обрезных прессах и инструменте. Макроструктура поковок более качественная, т.к нет нарушения волокон, имеющих место при обрезке заусенца. Однако этот тип штампа применяется для простых деталей, в основном тел вращения.
Штамповка в штампах для выдавливания – наиболее прогрессивна. При этом снижается расход металла (до 30%), повышается коэффициент весовой точности, повышается точность поковки и чистота поверхностей, производительность труда увеличивается в 1,5-2,0 раза.
Недостатки – высокие удельные усилия деформирования, большие энергозатраты и низкая стойкость штамповой оснастки. Применяются для заготовок с высокой пластичностью.
Штамповка на молотах у лучшает точность заготовок, но явл-ся трудоёмким процессом. Большую трудность представляет центрирование половинок штампа относительно друг друга. Процесс плохо поддаётся автоматизации.
Штамповка на прессах (кривошипных, гидравлических, фрикционных) за счёт применения выталкивателей позволяет уменьшить припуски на обработку, штамповочные уклоны в 1,5-2,0 раза по сравнению со штамповкой на молотах, улучшить условия труда, повысить производительность. Отсутствие ударов при работе уменьшает вибрации, повышает стойкость штампов, улучшает центрирование половинок штампов.
Штамповка на горизонтально- ковочных машинах (ГКМ), по сравнению со штамповкой на прессах и молотах. Обеспечивает возможность получения сложных поковок с глубокими полостями и отверстиями, получение заготовок высокого качества без облоя и штамповочных заусенец с небольшими припусками на обработку.
ГКМ представляют собой механический пресс, расположенный в горизонтальной плоскости. В отличие от штампов молотовых и прессовых штампы на ГКМ имеют два взаимно перпендикулярных разъёма и могут быть открытыми и закрытыми. Наличие двух разъёмов в штампе создаёт лучшие условия для выполнения высадочных работ и позволяет значительно уменьшить штамповочные уклоны (наружные 15´ - 1 град, внутренние 30´-2 град), вплоть до их отсутствия.
Поковки, получаемые на ГКМ, обычно имеют форму тел вращения.
Недостатком явл-ся необходимость применения прутка (проката) повышенной точности.
При разработке чертежа поковки пользуются ГОСТ 7505-89, данные которого распространяются на штампуемые детали массой до 250 кг, изготавливаемые горячей объёмной штамповкой из чёрных металлов на различных видах штамповочного оборудования.
При определении припусков и допускаемых отклонений размеров необходимо определить исходный индекс.
Исходный индекс – это условный показатель, учитывающий конструктивные характеристики (класс точности, группу стали, степень сложности, конфигурацию поверхности разъёма) и массу поковки. Стандарт устанавливает 23 исходных индекса. Исходными данными для определения исходного индекса явл-ся:
- масса поковки;
Группа стали;
Степень сложности поковки;
Класс точности поковки.
М1 – углеродистая и легированная сталь с содержанием углерода до 0,35% и легирующих элементов до 2%;
М2 – углеродистая сталь с содержанием углерода свыше 0,35 до 0,65% и легированная, за исключением указанной в группе М1.
Степень сложности поковки (всего 4) определяют путём вычисления отношения массы (объёма) поковки к массе (объёму) геометрической фигуры, в которую вписывается форма поковки.
Стандарт предусматривает пять классов точности поковок.
На чертеже поковки должны быть указаны: исходный индекс, класс точности, группа стали и степень сложности поковки.
Холодная штамповка.
Объёмная холодная штамповка;
Листовая штамповка;
Штамповка на горизонтально- гибочных машинах;
Вальцовка;
Раскатка;
Накатка;
Калибровка.
Объёмная холодная штамповка делится на ряд видов:
Выдавливание;
Высадку;
Радиальное обжатие;
Редуцирование и др.
Этот способ формообразования устраняет потери металла и отходы в окалину, имеющие место при нагреве металла, обеспечивает получение более точных размеров заготовки и качество поверхности. В рез-те холодного деформирования в металле ликвидируются некоторые внутренние дефекты, обеспечивается однородность его структуры, происходит упрочнение поверхностного слоя.
Заготовки из пластмасс .
Пластмассы – неметаллические материалы, которые получают на основе высокомолекулярных соединений – полимеров.
Пластмассы, получаемые из искусственных и естественных смол и их смесей с различными веществами, можно формировать прессованием, литьём и выдавливанием. Они обладают ценными физико- механическими свойствами(стойкость к агрессивным средам, электротеплоизоляционные, антифрикционные и др), из них легко изготовить детали сложной конструкции.
Пластмассы применяют: для изготовления некрупных деталей (пробок, заглушек, прокладок, вкладышей, зубчатых колёс, крыльчаток и др). Однако пластмассам свойственна низкая ударная вязкость, недостаточная прочность, невысокая теплостойкость, старение.
Основные положения к выбору оптимальной заготовки .
Выбранный способ получения заготовки должен быть экономичным, обеспечивающим требуемое качество детали, производительным, нетрудоёмким процессом.
Главным при выборе заготовки явл-ся обеспечение заданного качества готовой детали при её минимальной себестоимости.
Решение задач формообразования деталей целесообразно перенести на заготовительную стадию и тем самым снизить расходы материала, уменьшить долю затрат на механическую обработку в себестоимости готовой детали.
В первую очередь при выборе заготовки следует определить, каким методом наиболее целесообразно получить заготовку для данной детали. При этом надо ориентироваться на материал и требования к нему с точки зрения обеспечения служебных свойств детали. Далее, пользуясь качественной оценкой, наметить предварительно способ её получения.
Предварительно выбор материала и способа получения заготовки на основе экономических показателей может производиться по таблицам или графикам, приведенным в литературе. Графики показывают зависимость себестоимости получения заготовки от программы выпуска деталей и точности изготовления.
Окончательный выбор заготовки производится на основе экономических расчётов себестоимости получения заготовки и себестоимости её дальнейшей м/о.
По мере усложнения конфигурации заготовки, уменьшения припусков, повышения точности размеров усложняется и удорожается технологическая оснастка заготовительного цеха и возрастает себестоимость заготовки, но при этом снижается трудоёмкость и себестоимость последующей м/о заготовки, повышается коэффициент использования материала. Заготовки простой конфигурации дешевле, т.к не требуют последующей трудоёмкой обработки и повышенного расхода материала.
В качестве заготовок деталей машин применяются:
1.Прокат . Используют калиброванные прутки и горячекатаную сталь повышенной и обычной точности. По ГОСТу 7417 калиброванные прутки изготовляют ф 3-30 мм по классу точности 2 , диаметром 3-65 мм по 3-му классу точности и 3-100 мм по 4-5-му классу точности.
При креплении в цанговых зажимах применяются калиброванные прутки 5-го класса точности. Заготовки из калиброванных прутков 4-го и высших классов точности обычно не обрабатываются лезвийным инструментом, а шлифуют.
В условиях крупносерийного и массового пр-ва целесообразно использовать прокат спец-х профилей; при этом почти полностью исключается или значительно сокращается м/о.Профильное холодное волочение обеспечивает 4-й класс точности и 6-й класс чистоты. Наиболее целесообразно применять профильное волочение для деталей с одинаковым профилем по всей длине.
Механической обработке заготовок из проката предшествует правка и отрезка.
Отрезка заготовок производится на токарных и токарно-отрезных станках, дисковых, ленточных и ножовочных пилах, кривошипных и эксцентриковых прессах.
Способ отрезки на прессах обеспечивает высокую производительность, но при нём не достигается перпендикулярность реза к оси прутка и происходит смятие конца заготовки.
При отрезке на ножовочных и ленточных пилах сокращается расход металла, однако производительность этих способов невелика.
При выборе способа отрезки заготовки учитывается экономическая целесообразность того или иного способа.
Заготовки из листового проката отрезаются от листа или полосы на гильотинных ножницах, пресс- ножницах, при помощи газовой резки по разметке на спец-х машинах, работающих по копирам и позволяющих одновременно вырезать несколько заготовок с достаточно высокой точностью.
Заготовки деталей из листового металла изготовляются путём вырубки (плоские детали разной конфигурации), гибки, вытяжки и совмещения этих методов. Штамповку целесообразно применять при изготовлении значительного кол-ва деталей; при этом стоимость изготовления штампов компенсируется снижением затрат на изготовление деталей. Штамповку у деталей из листового материала производят на механических (кривошипных и эксцентриковых) гидравлических прессах.
2.Поковки. Их применяют для деталей сложной конфигурации большого сечения или деталей, имеющих большую разницу в сечениях по длине (шестерни, диски, ступенчатые и фланцевые валы). Поковки изготовляют на пневматических и паровоздушных молотах и гидравлических прессах из сортового проката или из слитков.
Точность заготовок, изготовленных свободной ковкой, невысокая, поэтому они имеют значительные припуски на обработку. Допуски на размеры поковок, изготовленных свободной ковкой на прессах, составляют 12-72 мм в завис-ти от конфигурации и р-ров поковки.
Свободной ковкой трудно получить заготовки сложной конфигурации с выступами, рёбрами, выемками.
Свободной ковкой получают заготовки в индивидуальном и мелкосерийном производстве в тех случаях, когда при применении проката расходуется большое кол-во металла на стружку, а также для повышения механических св-в материала.
3.Штамповки. Штампованные заготовки используют для про-ва деталей сложной конфигурации. При штамповке в закрытытх штампах ф-ма и р-ры заготовок определяются ф-мой и р-рами ручьёв штампа. В закрытых штампах можно получить детали сложной конфигурации – с рёбрами, выступами, изгибами. Производительность труда при этом высокая.
Например, производительность труда при штамповке сложных небольших деталей в нескольких ручьях составляет 200-400 деталей в час, а при штамповке более крупных деталей массой около 100 кг – до 100 деталей в час. Высокая точность загот-к позволяет значительно уменьшить припуски на обработку и в отдельных случаях, применяя чеканку. Совсем отказаться от припуска.
Но штамповка в закрытытх штампах применяется только при значительном кол-ве деталей в серии. Это объясняется высокой стоимостью ковочных и отрезных штампов.
Штамповки изготовляют на паро-воздушных и фрикционных молотах, на фрикционных, кривошипных и гидравлических прессах и на горизонтально- ковочных и ротационных машинах.
При небольших сериях штамповки могут быть изготовлены в подкладных штампах на ковочных молотах.
На горизонтальных ковочных машинах изготовляют детали типа клапанов, валов с фланцами, валов-шестерён, втулок, рычагов. При этом можно получить заготовку без штамповочных уклонов или с очень малыми штамповочными уклонами, с прошитыми глухими или сквозными отверстиями, а также заготовки с большой разницей сечения по длине.
Припуски на штампованных заготовках принимаются в пределах 0,5-5 мм и зависят от способа изготовления и раз-ров детали; допуски на изготовление обычно не превышают половины величины припуска.
В последнее время появились новые способы получения штампованных заготовок из сортового и листового проката;
Штамповка с применением взрывчатых вещ-в, при котор. взрывной волной, действующей на заготовку через водную или воздушную среду, ей придаётся форма матрицы, изготовленной из металла, бетона и др. материалов;
Штамповка в электромагнитном поле, при котор. под действием мощного кратковременного электромагнитного импульса заготовке придаётся ф-ма матрицы.
Преимуществами этих способов явл-ся возможность получения крупных заготовок при отсутствии мощного оборудования, простота оснастки и её невысокая стоимость, возможность штамповки заготовок из материалов, трудно штампуемых другими способами.
4.Отливки из стали, чугуна и цветных металлов. Их применяют в качестве заготовок для деталей сложной конфигурации.
Способы получения отливок:
1)литьё в земляные формы, котор. служат для изготовления только одной детали и при извлечении заготовки разрушаются;
2)литьё в оболочковые формы, изготовленные из песка, плакированного бакелитовыми или др. полимизирующими связками. В оболочковых ф-мах можно получить отливки высокой точности (4-5 класс) с чистотой пов-ти 4-5-го класса и малыми уклонами, что позволяет уменьшить припуски на м/о;
Малые литейные уклоны, что позволяет значительно сократить припуски на м/о, а в некотор. случаях оказаться от обработки;
3)литьё по выплавляемым моделям. Применяется для деталей из стали и цветных металлов. По выплавляемым моделям можно получить детали очень сложной конфигурации, с отв-ми, каналами, тонкими рёбрами и выступами, с точностью по 4-7 му классам и чистотой пов-ти 3-4 класса. Применение этого дорогостоящего метода получения заготовок целесообразно в тех случаях, когда точное литьё позволяет отказаться от м/о. Точным литьём изготовляют детали (грузы регуляторов, толкатели топливных насосов, крыльчатки водяных насосов). Этим методом можно получить отв-я ф до 2,5 мм и стенки толщиной до 0,3 мм;
4).центробежный способ литья. Этим способом получают заготовки для деталей, имеющих форму тел вращения (втулки, трубы, гильзы) и заготовки для деталей фасонного профиля, имеющих ось симметрии (рычаги, вилки и т.п);
5) литьё способом вакуумного всасывания. Этим способом изготовляют втулки и др.заготовки несложной формы;
6) литьё методом выжимания. Применяется для изготовления тонкостенных крупногабаритных деталей типа крышек, тонкостенных плит и др.
5.Штамповки из жидкого металла. Их используют для изготовления заготовок из цветных металлов. Заготовки получают путём заливки в подогретый штамп жидкого металла, котор. при охлаждении до полужидкого состояния под давлением пуансона заполняет форму и кристаллизуется. Кристаллизация под давлением обеспечивает плотность структуры, высокую точность и чистоту поверх-ти. Этот способ применяется для изготовления ответственных заготовок.
6.Металлокерамические заготовки. Их получают путём прессования заготовок из смеси металлических порошков в прессформах с последующим спеканием и калибровкой. Этим методом можно получить детали со спец-ми свойствами: жаростойкие(вставки седел клапанов)
Антифрикционные (втулки, подшипники),фрикционные, а также детали, не требующие доп.обработки.
Поковки, штамповки, отливки из чугуна, стали и лёгких сплавов перед м/о часто подвергают т/о: нормализации, отжигу, улучшению, старению, закалке и т.д. Это позволяет придать матер-лу заготовок повышенные мех-е св-ва, улучшить обрабатываемость или устранить внутренние напряжения, возникшие при остывании заготовки и вызывающие коробление деталей в процессе обработки и эксплуатации.
Вид заготовки оказывает значительное влияние на хар-р ТП, трудоёмкость и экономичность обработки.
При выборе заготовки желательно, чтобы её ф-ма максимально приближалась к форме готовой детали.Это позволяет лучше использовать материал и уменьшить затраты на снятие припуска.
Однако, при усложнении формы и повышении точности заготовок увеличивается стоимость изготовления, т.к. требуется применять более сложные и дорогие оснастку и оборудование. Поэтому для одинаковых деталей различных серий выбирают разные заготовки.
Если выпускается несколько десятков коленчатых валов двигателей, то применяется заготовка - поковка;
Если же необходимо производить несколько тысяч таких коленчатых валов, заготовка выполняется – штамповкой.
При определении ф-мы и р-ров заготовки необход. предусмотреть припуск, достаточный для получения требуемой чистоты обрабатываемых пов-тей с учётом компенсации погрешностей, вызываемых неточностью изготовления заготовки и её деформацией, а также погрешностей установки заготовки при обработке.