Виды заготовок в машиностроении. Электронное учебное пособие по курсу "основы технологии машиностроения" Виды заготовок применяемых в машиностроении

Классификация методов получения заготовок

Заготовка

– предмет производства, из которого различными методами путем изменения формы, размеров, физических и механических свойств материала, качества поверхности получают деталь.

Заготовки в машиностроении бывают четырех видов – бунтовые (проволока или лента, свернутые в бунт), прутковые (прутки, полосы, тяги), штучные (отливки, поковки, штучные из прутков) и порошковые (пресс-порошки, гранулы, таблетки) для получения пластмассовых, металлокерамических и керамических деталей.

Из бунтовых заготовок большой длины можно получить очень большое число деталей, меньшее число – из прутковых заготовок и только одну деталь – из штучной заготовки. Небольшие по размерам и массе детали целесообразно изготавливать из бунтовых и прутковых заготовок. Для получения высокого коэффициента использования материала необходимо применять штучные заготовки, по форме и размерам близкие к готовой детали. Из порошков и гранул получают штучные заготовки или готовые детали, дальнейшая обработка которых почти не требуется.

Основные способы изготовления заготовок приведены на рисунке 1.

Правильно выбрать способ получения заготовки – означает определить рациональный технологический процесс её получения с учётом материала детали, требований к точности её изготовления, технических условий, эксплуатационных характеристик и серийности выпуска. Машиностроение располагает большим количеством способов получения деталей. Максимальное приближение геометрических форм и размеров заготовки к размерам и форме готовой детали – главная задача заготовительного производства. Заданные конструктором форма, размеры и марка материала детали во многом определяют технологию изготовления. Таким образом, выбор вида заготовки происходит в процессе конструирования, так как при расчёте деталей на прочность, износостойкость или при учете других показателей эксплуатационных характеристик конструктор исходит из физико-механических свойств материала детали.

На себестоимость изготовления детали влияют конструктивные, производственные и технологические факторы. То, насколько полно в заготовке учтено влияние факторов первой и второй групп, позволяет судить о технологичности заготовки

.

Под

технологичностью заготовки принято понимать, насколько данная заготовка соответствует требованиям производства и обеспечивает долговечность и надежность работы детали при эксплуатации. Выпуск технологичной заготовки в заданных масштабах производства обеспечивает минимальные производственные затраты, себестоимость, трудоемкость и материалоемкость. Оптимальное решение при выборе заготовок может быть найдено только при условии комплексного анализа влияния на себестоимость всех факторов, в том числе и способа получения заготовки. В себестоимости изготовления детали значительную долю составляют затраты на материал. Наиболее широко для получения заготовок в машиностроении применяют следующие методы: литье, обработка пластическим деформированием, резание, сварка, а также комбинация этих методов. Каждый из методов содержит большое число способов получения заготовок.

Литье

- получение заготовок путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки.

Обработка пластическим деформированием

- технологические процессы, которые основаны на пластическом формоизменении металла.

Сварка

- технологический процесс получения неразъемных соединений из металлов и сплавов в результате образования атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых заготовок.

Резание

- получение заготовки из проката, полученного пластическим деформированием, отрезкой или вырезкой.

Выбор способа получения заготовки сложная задача. Способ получения заготовки должен быть экономичным, обеспечивающим высокое качество детали, производительным, нетрудоемким. Для мелкосерийного и единичного производства характерно использование в качестве заготовок горячекатаного проката, отливок, полученных в песчано-глинистых формах, поковок, полученных ковкой. Это обуславливает большие припуски, значительную трудоемкость последующей механической обработки.

В условиях крупносерийного и массового производств рентабельны способы получения заготовок: горячая объемная штамповка; литье в кокиль, литье под давлением, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям. Применение этих способов позволяет значительно сократить припуски, снизить трудоемкость изготовления детали.

Материалы для изготовления заготовок должны обладать необходимым запасом определенных технологических свойств – ковкостью, штампуемостью, жидкотекучестью, свариваемостью, обрабатываемостью. Для деформируемых материалов необходимым технологическим свойством является технологическая пластичность. Особо жесткие требования по технологической пластичности предъявляются к сплавам, из которых детали получают холодной обработкой давлением – выдавливанием, вытяжкой, гибкой, формовкой.

Если металл обладает низкой жидкотекучестью, высокой склонностью к усадке, то не рекомендуется применять литье в кокиль, под давлением, так как из-за низкой податливости металлической формы могут возникнуть литейные напряжения, коробление отливки, трещины. Целесообразно применять оболочковое литье и литье в песчано-глинистые формы.

Для ответственных, тяжело нагруженных деталей (валы, шестерни, зубатые колеса), для которых предъявляются определенные требования к качеству металла и к физико-механическим свойствам – целесообразно использовать поковки, так как в процессе деформирования создается мелкозернистая, направленная волокнистая структура, значительно повышающая физико-механические свойства материала. Использование точных способов обеспечивает достаточную чистоту поверхности и высокую точность заготовок. Совершенствование ковки и штамповки обеспечивают параметры шероховатости и точность размеров, соответствующих механической обработке и даже финишных операций. Калибровка, холодное выдавливание обеспечивают получение готовых деталей (заклепки, гайки, болты).

Критерии выбора

метода получения исходных заготовок чаще всего определяются производственной программой:

• При больших объемах выпуска – следует стремиться к максимальному приближению конфигурации и размеров исходной заготовки к размерам готовой детали (коэффициент использования металла);
• При малых объемах выпуска – рациональным выбором следует считать минимальные затраты.

Основными факторами влияющими на выбор исходных заготовок являются также (кроме производственной программы):

1. Вид обрабатываемого материала;
2. Конфигурация и размеры; масса;
3. Условия эксплуатации;
4. Экономичность самого метода получения исходных заготовок.

Основные методы получения исходных заготовок :

В машиностроении основную массу заготовок изготавливают в литейных цехах заливкой металла в формы, в кузнечно-прессовых цехах - обработкой на ковочных и штамповочных молотах и прессах. Главными факторами влияющими на выбор метода получения исходных заготовок являются себестоимость и годовая производственная программа..

Производство заготовок литьем

Масса отливок - до 300 т, а длина - до 20 м. Наиболее распространенным материалами литейных форм являются: песчано-глинистые и песчано-смоляные смеси, сталь, чугун, сплавы, керамика и др. Серый и высокопрочный чугун имеет высокую жидкотекучесть, что позволяет получить толщину стенки 3-4 мм. Ковкий чугун обладает склонностью к образованию трещин и значительных внутренних

напряжений. Легированные стали с увеличенным содержанием марганца имеют хорошую жидкотекучесть, что затрудняет получение отливок с тонкими стенками.

Литье в песчано-глинистые формы

подразделяют на три группы: Разовые , изготавливаемые из песчано-глинистых смесей(для черных и цветных металлов любого размера и веса; Полупостоянные - из огнеупорных материалов (шамот, магнезит и др.) - для получения нескольких десятков оливок Постоянные , изготавливаемые из металлов и сплавов

Для отливок применяют чугун, сталь, сплавымеди, алюминий и др.

Литье в оболочковые формы

- обеспечивает точность размеров 13-14 квалитета и величину параметра шероховатости Ra = 6,3 мкм. Литейной формой является оболочка, состоящая из формовочных смесей с термопластичными и термореактивными связующими смолами, которые помещают в ящик с песком или дробью перед заливкой ее металлом. Требуется дорогостоящая оснастка, а сама форма используется один раз, поэтому данный метод целесообразен в массовом, крупносерийном и среднесерийном производстве, массой до 100 кг.

Литье в кокиль

. Отливки (из чугуна и стали) с толщиной стенки 5 мм, 12-14 квалитета точн ости, шероховатость Ra = 12,5...3,2 мкм и массой до 200 кг. Применяют в серийном и массовом производстве, выше производительность в 2-5 раз меньше себестоимость. К недостаткам литья относится невысокая стойкость форм при литье чугуна и стали, образование отбела чугунных отливок, что вызывает необходимость проведения дополнительной операции (отжига); возможно образование трещин в сложных отливках. Кокили изготавливают литыми из чугуна, стали, меди и алюминия; разъемными или вытряхными. Распространены многоместные кокили.

Литье по выплавляемым моделям .

- отливки из сплавов цветных металлов, стали и чугуна массой от нескольких грамм до 300 кг. Применяют в массовом, крупно- и среднесерийном производстве при изготовлении мелких и сложной формы . Сущность процесса литья по выплавляемым моделям заключается в использовании точной неразъемной разовой модели, по которой изготавливается неразъемная керамическая оболочковая форма, куда и заливается расплавленный металл после удаления модели из формы путем выжигания, испарения или растворения. Этим способом можно изготавливать точные отливки из различных сплавов толщиной от 0,8 мм и более с небольшими припусками на обработку. Точность размеров отливок соответствует 8 -11 квалитетам, Ra = 2,5 мкм, припуски на обработку резанием для отливок размером до 50 мм составляют 1,4 мм, а размером до 500 мм - около 3,5 мм. Коэффициент точности отливок по массе может достигать 0,85 -0,95, что резко сокращает объемы обработки резанием и отходы металла в стружку. Использование для изготовления моделей легко удаляемых материалов (на основе парафина, канифоли, полистирола, карбамида или полистирола), не прибегая к разборке формы, дает возможность нагреть расплавленный перед разливкой металл до высоких температур, что значительно улучшает заполнение формы и позволяет получать отливки очень сложной формы практически из любых сплавов. К недостаткам можно отнести высокую трудоемкость и повышенный расход материала на литниковую систему при небольшом выходе продукции.

Литье под давлением .

Расплав металла заполняет форму с большой скоростью (до 35 м/с), что обеспечивает высокую плотность материала, точность и качество поверхности. Получают отливки из стали, цветных металлов и чугуна. Масса отливок может быть от нескольких граммов до 50 кг, толщина стенки 1,0...0,8 мм; 8- 12 квалитет точности Ra = 12,5- 3,2 мкм ; применяют в массовом и крупносерийном производстве. Высокая производительность и возможность получения заготовок сложной формы с мелкозернистой структурой, но высока стоимость пресс-форм и низка их стойкость. В основном применяют для цветных металлов и сплавов.

Литьем вакуумным всасыванием

получают отливки в основном из цветных металлов и сплавов, в меньшей степени из стали и чугуна. Отливки имеют толщину стенки до 1 мм. Этот метод применяют в массовом и серийном производстве, обычно для получения отливок из дорогостоящих сплавов.

Центробежное и другие виды литья

- отливки из чугуна, стали, цветных металлов и сплавов. Применяют - в массовом и серийном производстве для пустотелых и тонкостенных отливок (типа тел вращения) сложной конфигурации, например, гильз, втулок, вкладышей и т. д. Процесс осуществляют путем заливки металла во вращающуюся металлическую форму. Под действием центробежных сил частицы расплавленного металла отбрасываются к поверхности формы и, затвердевая, принимают ее очертания. Отливка охлаждается наружной стороной (от изложницы) и изнутри (со стороны свободной поверхности) за счет излучения и конвекции воздуха. Затвердевание металла под давлением приводит к уплотнению металла и повышению механических свойств, в тоже время происходит отделение газов, неметаллических примесей и вытеснение их на внутреннюю поверхность отливки, что следует учитывать в расчете припусков для изделий, имеющих внутреннюю рабочую поверхность.

Применяют и другие методы литья: непрерывное, электрошлаковое, выжиганием, штамповкой из расплава и др.

Непрерывным и полунепрерывным

литьем получают отливки из чугуна, стали, алюминиевых и магниевых сплавов; в массовом и серийном производстве для обеспечения поперечного сечения неограниченной длины (станины металлорежущих станков, корпуса гидро- и пневмоаппаратуры, трубы) и т. д.

Электрошлаковым литьем

получают отливки из сталей и сплавов с повышенными механическими свойствами массой до 300 т; в серийном производстве для получения заготовок ответственных деталей судовых двигателей, прокатные валки, турбины и т. д.

Литьем выжиманием

получают отливки из алюминиевых и магниевых сплавов; в массовом и серийном производстве для тонкостенных (до 2 мм) и значительных по габаритам (1000х3000мм) заготовок. 

Штамповкой из расплава

получают отливки из цветных металлов и сплавов, стали и чугуна в массовом и серийном производстве Для изготовления фасонных отливок с толщиной стенки до 8 мм несложной конфигурации с высокими механическими свойствами.

Производство исходных заготовок пластическим деформированием

Машинную ковку производят

на молотах и гидропрессах . В единичном и мелкосерийном производстве - наиболее экономичный способ получения высококачественных заготовок; может оказаться единственно возможным способом для заготовки большой массы.

Возможности: заготовки массой до 250 т простой формы; на молотах в подкладных кольцах и штампах до 10 кг, при этом толщина стенок заготовки достигает 3-2,5 мм, точность

14-16 квалитет , а величина параметра шероховатости поверхности составляет Ra = 25-12,5 мкм ; для стали, иногда цветных металлов и сплавов.

Штамповка

- в условиях массового и крупносерийного производства горячая объемная штамповка рентабельнее ковки. Ограничения: до 100 кг, хотя возможно получать поковки до 3 т и выше, но чаще массой до 30 кг. Применяют для получения поковок из стали, цветных металлов и сплавов. Обычно исходной заготовкой для штамповки является сортовой прокат. Горячую штамповку проводят на молотах, горизонтально-ковочных машинах (ГКМ), кривошипных горяче-штамповочных прессах (КГШП) и винтовых прессах.

К операциям листовой формовки относят правку (рихтовку), фасонную (рельефную) штамповку, отбортовку, формовку, обжим, раздачу.

Листовая штамповка

- размеры заготовок колеблются от нескольких сантиметров до 7 м с толщиной стенки 0,1-100 мм; точность - 11-12 квалитет, а при дополнительной калибровке - 9-10 квалитет.

Фасонную

(рельефную) штамповку применяют для получения на плоских заготовках различных углублений и выступов, ребер жесткости и т. п. Штамповка перераспределяет объемы металла в локальной зоне. При отбортовке отверстия толщина материала у края бортов значительно уменьшается.

Высадка

- частичное изменение формы детали типа прутка на специальных холодновысадочных автоматах, например, высадка головок болтов, винтов, заклепок и т. п.

Методами штамповки изготавливат металлические сплавы (сталь различных марок, сплавы цветных металлов, а также биметаллические) и неметаллические материалы (текстолит, прессшпан, резина, войлок). Металлические материалы по виду заготовок можно разделить на рулонный (шириной свыше 300 мм), ленты, листы, полосы, проволоку и круглый прокат (в бухтах), прутки и прокат различного сечения. Неметаллические материалы, как правило, поставляются в виде листов или полос.

Исходные заготовки, получаемые методом порошковой металлургии

Основными исходными материалами являются порошки железных, никелевых кобальтовых, молибденовых, вольфрамовых и других металлов. Формирование изделий осуществляют холодным прессованием в закрытых пресс-формах с последующим спеканием. Например, спеченный из порошка распределительный вал двигателя длиной 447 мм и массой 2,5 кг, позволяет не только экономить 75 % по массе по сравнению с чугунным литьем, но и повысить износостойкость вала в 7 раз.

Металлокерамические материалы .

Например, бронзографит (85...88 % меди, 8...10 % олова, 3...5 % графита) можно применять при изготовлении подшипников, в которых практически отсутствует дополнительный смазочный материал. Различают антифрикционные металлокерамические материалы на медной и железной основе. Свойства готовых металлокерамических изделий в значительной степени зависят от плотности спрессованных из порошка брикетов и распределения плотности по объему. Брикеты прессуют под давлением 2500...4000 Па для бронзографита и 4000. ..5000 Па для железосульфидного материала. Спекание бронзографита проводят в течение 2...3 ч при температуре 760...780 °С, а железосульфидированного материала - 1... 1,5 ч при температуре 1130... 1150 °С. От сложности формы деталей зависит возможность их прессования в конечном виде или необходимость проведения после спекания дополнительной механической обработки, что в значительной степени влияет на производительность и себестоимость.

В условиях массового и крупносерийного производства экономически целесообразно получение заготовок, наиболее близко приближающихся по форме и размерам к готовым деталям. В этом случае себестоимость заготовок увеличивается, но объем механической обработки значительно сокращается.

В условиях единичного и мелкосерийного производства заготовки далеки по размерам и форме от готовой детали, т. е. имеют значительные припуски для механической обработки. Из многих возможных способов получения заготовки необходимо выбрать экономически целесообразный.

Окончательный выбор метода устанавливают на основе расчетов:

• А) себестоимости метода получения исходных заготовок;
• Б) себестоимости самого процесса механообработки.

Вопросы и задания для самоконтроля

• Дайте определение термину «Заготовка».
• Назовите виды заготовок.
• Укажите способы изготовления заготовок.
• Что понимается под технологичностью заготовки?
• Пояснить суть основных методов получения заготовок: литье, сварка, пластическое деформирование, резание.
• Перечислите основные технологические свойства заготовок.
• Укажите основные способы литья и их сущность.
• Какова сущность метода литья в оболочковые формы?
• Как производится литье по выплавляемым моделям?
• Как изготавливают выплавляемые модели?
• Назовите преимущества и недостатки литья под давлением.
• Назовите преимущества и недостатки центробежного литья.
• Как классифицируют производство заготовок пластическим деформированием?
• Что представляет собой порошковая металлургия?
• Как получают заготовки методом порошковой металлургии?
• Что представляет собой калибровка металлокерамических деталей?

В машиностроении под заготовкой принято понимать полуфабрикат, поступающий на механическую обработку, в результате которой он превращается в годную для сборки деталь. Перед заготовительным производством стоит задача получения заготовок с максимальным приближением к форме и размерам готовой детали, максимально увеличить коэффициент использования металла, т.е. оставить на обработку резанием минимально необходимые припуски и уменьшить количество металла, обращаемого в стружку.

Основными методами получения заготовок являются:

– обработка металлов давлением (пластическое деформирование);

– получение заготовок из проката;

– получение заготовок методом сварки.

§ 7.1 Литейное производство

Литейное производство – это отрасль машиностроения, изготавливающая заготовки или детали (отливки) путём заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию отливки. Рассмотрим некоторые способы литья.

Литьё в земляные формы . Схема литья показана в землю показана на рис. 7.1. На рисунке обозначены 1 – отливка (получаемая заготовка), 2 – каналы для заливки расплавленного металла, 3 – формовочная смесь, 4 – опока (стальной ящик для формовочной смеси), 5 – линия разъёма литейной формы. Сначала изготавливают металлическую или деревянную модель. Эту модель помещают в незатвердевшую формовочную смесь и соединяют две полуформы. Этот процесс называется формовкой. Формовочная смесь состоит в основном из песка и отверждаемой смолы. После затвердевания формовочной смеси полуформы разъединяют, извлекают модель, вновь соединяют две полуформы и в образовавшуюся полость через каналы заливают расплавленный метал. После застывания металла полуформы разъединяют по линии разъёма и извлекают отливку. Формовочная смесь используется один раз, так как при извлечении отливки форма разбивается, рассыпается. Для получения новой отливки необходимо снова производить формовку. Модель используется многократно.

Рис. 7.1 Литьё в земляные формы

Литьё в землю – самый универсальный и распространённый способ литья. Он применяется во всех типах производства (единичном, серийном, массовом) и служит для получения самых различных по массе и конфигурации отливок из любых литейных сплавов.

Литьё по выплавляемым моделям . Этот способ основан на применении моделей из легкоплавких материалов, например, из воска. Схема способа показана на рис. 7.2. На рисунке обозначены 1 – модель, 2 – оболочка, 3 – каналы для заливки расплавленного металла. Сначала изготавливают легкоплавкую модель. Затем эта модель покрывается слоем огнеупорных покрытий. После затвердевания оболочки, производят заливку расплавленного металла, не извлекая модель. При заливке металла модель сразу расплавляется до жидкого состояния и вытесняется из оболочки заливаемым металлом. После застывания металла оболочка разрушается и остаётся отливка требуемой конфигурации.

Данным способом можно получат отливки массой до 150 кг. Преимуществами способа являются отсутствие линии разъёма, более высокая точность и меньшая шероховатость по сравнению с литьём в землю.

Рис. 7.2 Литьё по выплавляемым моделям Рис. 7.3 Литьё в оболочковые формы

Литьё в оболочковые формы . Схема способа показана на рис. 7.3. На рисунке обозначены 1 – модель, 2 – оболочка, 3 – каналы для заливки расплавленного металла, 4 – линия разъёма формы. Сначала изготавливается металлическая или деревянная модель, которая покрывается слоем огнеупорных красок и покрытий на основе фенолформальдегидных смол. Толщина покрытия составляет 5…15 мм. После затвердевания покрытия получается оболочка. Она разрезается по линии разъёма, модель извлекается, а две полуформы вновь соединяются. Поучается оболочка, внутри которой образуется полость требуемой конфигурации. В эту оболочку заливается расплавленный металл. После застывания металла оболочка разрушается и остаётся отливка требуемой конфигурации.

Данным способом можно получат отливки массой до 150 кг. Преимуществами способа являются более высокая точность и меньшая шероховатость по сравнению с литьём в землю. Модель может использоваться многократно.

Литьё в кокиль . Кокиль – это металлическая литейная форма. Отливки получают путём свободной заливки расплавленного металла в кокиль. Схема способа показана на рис. 7.4. На рисунке обозначены 1 – полость, 2 – детали кокиля, 3 – канал для заливки расплавленного металла, 4 – линия разъёма формы. Перед заливкой внутренние поверхности кокиля обмазывают огнеупорными красками и подогревают до 300…500ºС. После застывания металла части кокиля разъединяют и извлекают отливку.

Рис. 7.4 Литьё в кокиль

Стойкость кокиля составляет 300…500 отливок. Точность размеров отливки и качество поверхности значительно выше, чем при литье в землю. Недостатком способа является трудоёмкость изготовления самого кокиля. Поэтому, он используется в серийном и массовом производстве.

§ 7.2 Получение заготовок методами

обработки металлов давлением

Обработкой давлением называют процессы получения заготовок и деталей машин методами пластического деформирования материалов. Это деформирование осуществляется силовым воздействием соответствующего инструмента на исходную заготовку из пластического материала.

Ковка . Оборудование – ковочные молоты и прессы. Инструмент называется молот. Он может иметь различную форму. Деформирование исходной заготовки осуществляется при ударном воздействии инструмента. Ковка состоит из чередования основных и вспомогательных операций. К вспомогательным операциям относятся периодический нагрев заготовки и смена инструмента. К основным операциям относятся:

1) осадка – это операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади поперечного сечения;

2) протяжка – это операция уменьшения площади поперечного сечения заготовки при увеличении её длины;

3) прошивка – это операция получения полостей или отверстий в заготовке за счёт вытеснения металла;

4) отрубка – это операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру;

5) гибка – это операция придания заготовке изогнутой формы по незамкнутому контуру.

Рис. 7.5 Ковка в подкладных штампах

Для получения ковкой заготовок более сложной формы применяют подкладные штампы (рис. 7.5). На рисунке обозначены: 1 – молот (инструмент), 2 – получаемая заготовка, 3 – подкладной штамп. На рисунке также показана исходная заготовка простой цилиндрической формы. В процессе ковки молот наносит по исходной заготовке удары, осуществляя основные операции ковки. В результате заготовка принимает конфигурацию подкладного штампа. Причем объём и масса исходной и получаемой заготовки одинаковы.

Ковку применяют во всех типах производства, особенно для получения крупногабаритных заготовок. Точность и качество поверхности заготовки после ковки невысоки: 14…17 квалитет, Ra 80.

Объёмная горячая штамповка . Штамповка выполняется на различных прессах. Инструмент для штамповки называется штамп. Штамп предназначен для изготовления одного вида заготовки или детали. Он состоит из двух или трёх частей: одной неподвижной и подвижных. Неподвижная часть называется матрицей, подвижная – пуансоном. В соединённом состоянии части штампа образуют замкнутую полость определённой конфигурации. Схема штамповки показана на рис. 7.6, где обозначены: 1 – части штампа, 2 – полость, которая заполняется штампуемым металлом, 3 – линия разъёма частей штампа.

Рис. 7.6 Объёмная горячая штамповка

В качестве исходных для штамповки принимаются заготовки простой формы: цилиндрической, призматической. В процессе штамповки части штампа сводятся вместе, металл исходной заготовки пластически деформируется и принимает конфигурацию полости. Таким образом, в процессе штамповки могут быть получены заготовки сложной конфигурации, с большим приближением к форме будущей детали. Причём объём исходной и получаемой заготовки одинаков.

Штамп – это сложный и дорогостоящий инструмент. В то же время он применяется для получения одного вида заготовок. Поэтому штамповка применяется в серийном и массовом производстве, где штамп обрабатывает большие партии (сотни или тысячи штук) одинаковых заготовок, и стоимость штампа распределяется на все изготовляемые им заготовки. Преимущества штамповки: большое приближение формы заготовки к форме будущей детали и, соответственно, высокий коэффициент использования металла на операциях резания; высокая производительность; более высокая точность и качество поверхности по сравнению с операциями ковки. Приближение формы заготовки к форме детали сокращает количество операций обработки резанием и, соответственно, уменьшает стоимость механической обработки.

§ 7.3 Получение заготовок из проката

Металлургическая промышленность выпускает прокат различного профиля из различных марок материалов. На рис. 7.7 показаны некоторые виды проката: а) пруток – это прокат круглого сечения различных диаметров; диаметр d прутков регламентируется, длина поставляемых прутков не регламентируется и может быть различной: 4 метра, 6 метров и более.

б) прокат шестигранного сечения; регламентируется размер шестигранника S , диаметр описанной окружности D – это справочный размер.

в) трубный прокат; регламентируются наружный диаметр D и внутренний диаметр d .

г) прокат квадратного или прямоугольного сечения; регламентируется размер а .

д) листовой прокат; регламентируется толщина листа S , длина а и ширина b листа может быть различной, обычно не менее 1500 мм.

Рис. 7.7 Профили проката

Также существует фасонный прокат более сложного сечения. На машиностроительные предприятия металл поставляется большими партиями. Длина проката может быть различной, обычно от 4 до 9 метров. Для получения конкретной заготовки от проката нужного сечения и размеров отрезается кусок требуемой длины. Например, требуется получить заготовку круглого сечения диаметром 25 мм и длиной 100 мм. Для этого берётся пруток диаметром 25 мм и от него отрезается заготовка в 100 мм длиной, которая затем поступает на механическую обработку. Для резки металла используются различные способы: резка дисковой или ленточной пилой, резка абразивным кругом, газопламенная резка, плазменная резка, рубка на гильотинных ножницах и др.

Заготовки из проката имеют простую форму. Над ними не производится дополнительных заготовительных операций, поэтому они существенно дешевле штамповок. Но такая заготовка обычно не похожа по форме на будущую деталь. Поэтому, деталь полностью изготавливается методами обработки резанием, что приводит к увеличению числа операций резания, снижению коэффициента использования металла и, соответственно, повышению затрат на механическую обработку. Заготовки из проката используются в единичном и мелкосерийном производстве в тех случаях, когда экономически нецелесообразно изготавливать дорогостоящий штамп и тратить время на подготовку производства.

§ 7.4 Сварные заготовки

Сварка – это технологический процесс получения неразъёмных соединений из металлов, сплавов и других однородных и неоднородных материалов в результате образования атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых материалов. В качестве исходных заготовок для сварки могут применяться прокат и литьё. Исходные заготовки соединяют друг с другом и сваривают. Вследствие этого сварная заготовка может иметь очень сложную конфигурацию при относительно простой и нетрудоёмкой технологии изготовления.

Вследствие неравномерных температурных полей при сварке и остывании сварные заготовки имеют внутренние напряжения. Поэтому, для снятия напряжений ответственные заготовки необходимо отжигать. Вследствие своей небольшой трудоёмкости и универсальности сварку применяют во всех типах производства. Например, в единичном – для получения заготовок корпусных деталей; в серийном или массовом – для соединения крупногабаритной и мелкой заготовки, для присоединения к базовой детали различных кронштейнов, проушин.

§ 7.5 Завершающие операции заготовительного производства

В основном к завершающим операциям относятся очистка заготовок от остатков формовочной смеси, пригаров, окалины, а также удаление облоя и литников (излишний металл на заготовке). Для этой цели используются пескоструйная, дробемётная очистка, галтовка и травление.

Пескоструйная очистка – это очистка заготовки струёй песка, подаваемого сжатым воздухом. Песчинки, летящие с большой скоростью, сбивают с заготовки остатки формовочной смеси, грязь, окалину, оставляя практически чистую металлическую поверхность. При дробемётной очистке вместо песка используется стальная или стеклянная дробь (мелкие шарики).

Галтовка используется для мелких и средних заготовок. Заготовки и песок или дробь засыпаются в барабан, который начинает вращаться в разных направлениях. В результате заготовки в барабане очищаются.

Травление – это очистка заготовок кислотой (для стали и чугуна) или щёлочью (для алюминия). Это самый качественный, но дорогостоящий метод очистки.

Вопросы для самоконтроля

1) В чём состоит сущность процессов литья?

2) Как получают литейную форму при литье в землю?

3) Из каких материалов изготавливают модель при литье по выплавляемым моделям?

4) При каких процессах литья модель используется многократно?

5) Какой способ литья является самым универсальным?

6) При каком способе литья литейная форма используется многократно?

7) Приведите определение термина «кокиль»?

8) В чём состоит сущность способов обработки металлов давлением?

9) Назовите основные операции ковки?

10) Сколько различных конфигураций заготовок или деталей можно получить при помощи одного штампа?

11) На сколько изменяется объём металла в процессах обработки давлением?

12) В каких типах производства целесообразно использовать поковки? Почему?

13) Какие вы знаете профили проката?

14) Какими преимуществами обладают заготовки из проката?

15) Как получить заготовку из проката?

16) Какими преимуществами обладают сварные заготовки?

17) Что используется в качестве исходных заготовок для сварных заготовок?

18) Какие существуют способы очистки заготовок?

19) Сущность пескоструйной очистки?

20) Сущность галтовки?

Второе издание книги содержит современные представления о выборе рационального способа получения заготовок для деталей машиностроения. Рассмотрены технологические особенности получения заготовок, обеспечивающие их высокое качество при минимальных затратах. Отдельно представлены основные принципы повышения технологичности деталей для различных способов получения заготовок. Рассмотрено влияние технологических свойств металлов и сплавов на качество и экономичность получаемых деталей. В отдельной главе изложены основные принципы повышения эффективности мелкосерийного производства заготовок. Содержащиеся в книге данные, математическая постановка и алгоритмы решения некоторых задач могут быть использованы при формализации знаний для разработки систем автоматизированного проектирования технологических процессов в заготовительном производстве. Книга предназначена для инженерно-технических работников машиностроительных предприятий, занимающихся разработкой технологических процессов в заготовительном производстве и механической обработке, а также полезна для студентов высших учебных заведений, аспирантов и учащихся средних профессиональных образовательных учреждений машиностроительных и металлургических специальностей.

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ.

Необходимость экономии материальных ресурсов предъявляет высокие требования к рациональному выбору заготовок, к уровню их технологичности, в значительной степени определяющей затраты на технологическую подготовку производства, себестоимость, надежность и долговечность изделий. Правильно выбрать способ получения заготовок - значит определить рациональный технологический процесс ее получения с учетом материала детали, требований к точности ее изготовления, технических условий, эксплуатационных характеристик и серийности выпуска.

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ.
Глава 1. МАТЕРИАЛЫ В СОВРЕМЕННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ.
Глава 2. СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК.
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ.
Глава 4. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ.
Глава 5. ОСОБЕННОСТИ МЕЛКОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Производство заготовок в машиностроении, Афонькин М.Г., Звягин В.Б., 2007 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

• Конструирование и расчет поршневых двигателей, Чайнов Н.Д., Краснокутский А.Н., Мягков Л.Л., 2018
• Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада в экономике, Глазьев С.Ю., Харитонов В.В., 2009
• Общая экономическая и социальная география, Курс лекций, Часть 2, Максаковский В.П., 2009

Следующие учебники и книги.

1. Типы и формы производства и методы организации его подготовки

1.1 Типы производства

В машиностроительном производстве различают три основных типа: массовое, серийное и единичное. Принадлежность производства к тому или иному типу определяется степенью специализации рабочих мест, номенклатурой объектов производства, формой движения этих объектов по рабочим местам.

Степень специализации рабочих мест характеризуется коэффициентом закрепления операций, под которым понимают количество различных операций, выполняемых на одном рабочем месте в течение месяца:

К З.О ,=О/Р , (1.1)

где О - число различных операций, выполняемых на рабочих местах участка или цеха в течение месяца;

Р - количество рабочих мест на участке или в цехе.

Если за рабочим местом, независимо от его загрузки, закреплена только одна операция, то К З.О. = 1, что соответствует массовому производству. При 1 < Кз.о, < 10 производство является крупносерийным, при 10 < Кз.о < 20 - среднесерийным, при 20 < Кз.о < 40 - мелкосерийным, при Кз.о > 40 - единичным.

Пример. На участке из 15 рабочих мест в течение месяца на 1, 2, 3, 7, 10, и 13-м рабочих местах выполнялось по одной операции; на 4, 5 и 12-м - по две; на 6, 8, 9 и 11-м - по три и на 14-м и 15-м - по четыре.

Отсюда

Следовательно, производство на участке крупносерийное.

Массовое производство характеризуется непрерывным изготовлением ограниченной номенклатуры изделий на узкоспециализированных рабочих местах. Изделие - это продукт конечной стадии производства. Массовое производство позволяет механизировать и автоматизировать технологический процесс в целом и организовать его более экономично.

Технические характеристики различных типов производства заготовок

Характерный признак	Производство
	единичное	серийное	массовое
Повторяемость партий (серий)	Отсутствует	Периодическая	Непрерывный выпуск одних и тех же заготовок
Технологическое оборудование	Универсальное	Универсальное, частично специализированное и специальное	Широкое использование специального оборудования и автоматических линий
Приспособления	Преимущественно универсальные	Специальные, переналаживаемые	Специальные, часто органически связанные с оборудованием
Инструмент	Преимущественно универсальный	Универсальный и специальный	Преимущественно специальный
Квалификация рабочих		Различная	Низкая (при наличии высоко квалифицированных наладчиков)
Себестоимость низкая готовой детали			Самая низкая

Серийное производство характеризуется изготовлением ограниченной номенклатуры изделий партиями (сериями), повторяющимися через определенные промежутки времени, и широкой специализацией рабочих мест. Разделение серийного производства на крупно-, средне- и мелкосерийное условно, т. к. в различных отрас-лях машиностроения 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 широкой номенклатуры неповторяющихся или повторяющихся через неопределенные промежутки времени изделий на рабочих местах, не имеющих определенной специализации (кроме профессиональной). В единичном производстве значительный процент технологических операций выполняют вручную.

Технические характеристики различных типов производств заготовок по основным признакам представлены в табл. 1.1. Повышение степени специализации рабочих мест, непрерывное и прямоточное движение по ним объектов производства, т. е. переход от единичного к серийному и от серийного к массовому производству, позволяет шире применять специальное оборудование и технологическое оснащение, прогрессивные технологические процессы, передовые методы организации труда и в конечном итоге - повышать производительность труда, снижать себестоимость продукции, повышать ее качество.

1.2 Производственный и технологический процессы

Согласно ГОСТ 14.004-83 совокупность всех действий людей и орудий производства, необходимых на данном производстве для изготовления или ремонта выпускаемых изделий, называется производственным процессом. При осуществлении производственного процесса материалы и полуфабрикаты превращаются в готовую продукцию, соответствующую своему служебному назначению. Производственный процесс охватывает: подготовку средств производства и обслуживание рабочих мест; получение и хранение материалов и полуфабрикатов; все стадии изготовления деталей машин; транспортировку материалов, заготовок, деталей, частей и готовых изделий, сборку частей и изделий; технический контроль, испытания и аттестацию продукции на всех стадиях производства; разборку сборочных единиц и изделий (при необходимости); изготовление тары; упаковку готовой продукции и другие действия, связанные с изготовлением выпускаемых изделий. Производственный процесс осуществляется в пространстве и времени при взаимодействии объектов производства с орудиями производства.

Территория, необходимая для осуществления производственного процесса, называется производственной площадью. Календарное время, необходимое для осуществления периодически повторяющегося производственного процесса, называется производственным циклом.

По ГОСТ 3.1109-82 часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению состояния предмета труда, называется технологическим процессом. При осуществлении технологического процесса происходит последовательное изменение формы, размеров, свойств материала или полуфабриката в целях получения изделия, соответствующего заданным техническим требованиям. Технологический процесс имеет свою структуру и осуществляется на рабочих местах.

Технологическая операция - законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте и охватывающая все последовательные действия рабочего (или группы рабочих) и оборудования по изготовлению заготовки или ее обработке (одной или нескольких одновременно). Часть производственной площади цеха, на которой размещены один или несколько исполнителей работы и обслуживаемая ими единица оборудования или часть конвейера, а также оснастка и предметы производства, называется рабочим местом. Современное производство изделий машиностроения немыслимо без технологического оборудования и оснастки.

Технологическое оборудование - это орудия производства, в которых для выполнения определенной части технологического процесса размещаются материалы или заготовки, средства воздействия на них и источники энергии. Примером технологического оборудования являются литейные машины, прессы, станки, печи, гальванические ванны, моечные и сортировочные машины, испытательные стенды, разметочные плиты и т. д. Технологическая оснастка - это орудия производства, используемые совместно с технологическим оборудованием и добавляемые к ним для выполнения определенной части технологического процесса. Примерами технологической оснастки являются инструмент, штампы, приспособления, прессформы, калибры, модели, литейные формы, стержневые ящики и т. д.

Запуск изделий в производство может осуществляться непрерывно (в течение длительного времени) и разово (единичные экземпляры и партии). Группа заготовок одного наименования и типоразмера, запускаемая в производство одновременно или непрерывно в течение определенного интервала времени, называется производственной партией. Технологические процессы в массовом и крупносерийном производствах характеризуются тактом выпуска. Такт выпуска - это интервал времени, через который периодически производится выпуск заготовки или изделия определенного наименования, типоразмера и исполнения. Понятие «такт выпуска» широко применяется при массовом и крупносерийном производстве заготовок, где имеет место высокий уровень механизации и автоматизации производства (специальное оборудование, конвейеры и пр.). Если заготовка на данном предприятии является конечным продуктом производства (например, на сталелитейном заводе), то в этом случае она является изделием данного завода.

1.3 Принципы, формы и методы организации производства

От правильной организации производственного процесса зависят результаты производственно-хозяйственной деятельности предприятия, экономические показатели его работы: себестоимость продукции, прибыль и рентабельность производства. Основным принципом рациональной организации производственного процесса является специализация.

Специализация - одна из форм разделения труда, заключающаяся в том, что предприятие в целом и его отдельные подразделения изготовляют продукцию ограниченной номенклатуры. Сокращение номенклатуры изготовляемой продукции на каждом рабочем месте, участке, в цехе и на заводе приводит к увеличению выпуска одноименной продукции, к улучшению экономических показателей за счет использования специального и более производительного оборудования, повышения степени механизации и автоматизации всех процессов, приобретения рабочими навыков в работе, улучшения организации труда, организации поточного производства и т. д. Уменьшению номенклатуры выпускаемой продукции способствуют стандартизация, нормализация и унификация изделий и их составных частей.

Применительно к заготовительному производству принцип специализации легко прослеживается на фоне различных типов производства. Так, в условиях единичного производства в структуре машиностроительного завода чаще всего предусматривается один литейный цех, в котором в различных отделениях на разнообразном оборудовании получают заготовки из чугуна, стали и цветных сплавов. В условиях серийного и массового производства в структуре завода могут быть отдельные самостоятельные цехи: сталелитейный, чугунолитейный, цветного литья. Большая концентрация производства однотипных заготовок приводит к созданию заводов, специализирующихся на выпуске заготовок из определенных материалов, определенной весовой категории, сложности и других признаков. Поэтому в нашей стране существуют заводы сталелитейные, чугунолитейные, кузнечно-штамповочные и пр. Для машиностроения США, например, характерно то обстоятельство, что еще в 50-х годах текущего столетия заготовительное производство в основном отделилось от механосборочного. Соблюдение принципа специализации существенно влияет на формы и методы организации технологических процессов.

Формы и методы организации технологических процессов зависят от установленного порядка выполнения операций, расположения технологического оборудования, количества изделий и направления их движения при изготовлении. Существуют две формы организации технологических процессов: групповая и поточная.

Основа групповой формы организации производства - группирование изготовляемых заготовок по однородным конструктивно-технологическим признакам. Она характеризуется единством средств технологического оснащения и специализацией рабочих мест.

Поточная форма характеризуется специализацией каждого рабочего места, согласованным и ритмичным выполнением всех операций технологического процесса на основе такта выпуска, размещением рабочих мест в последовательности, соответствующей последовательности выполнения технологических операций. Поточная форма производства реализуется в виде поточной линии. Поточные линии, на которых заготовки изготовляются поочередно, партиями, называются переменно-поточными. Они характерны для серийного производства и применяются при изготовлении конструктивно близких заготовок с соответствующими переналадками оборудования и оснастки. Если на поточной линии все процессы автоматизированы, то поточная линия называется автоматической.

1.4
Понятие о единой системе технологической подготовки производства

В начале семидесятых годов текущего столетия в нашей стране была создана Единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП). ЕСТПП - установленная государственными стандартами система организации и управления технологической подготовкой производства, предусматривающая широкое применение прогрессивных типовых технологических процессов, стандартной технологической оснастки и оборудования, средств механизации и автоматизации производственных процессов, инженерно-технических и управленческих работ.

Технологическая подготовка производства (ТПП) должна обеспечить полную технологическую готовность предприятия производить изделия высшей категории качества в соответствии с заданными технико-экономическими показателями, т. е. при минимальных трудовых и материальных затратах. Под полной технологической готовностью понимают наличие на предприятии полного комплекта технологической документации и средств технологического оснащения, обеспечивающих производство изделий. ТПП включает решение многих задач, которые могут быть сгруппированы по следующим основным функциям: обеспечение технологичности конструкции изделия; разработка технологических процессов; проектирование и изготовление средств технологического оснащения; организация и управление ТПП.

Одно из видных мест в ЕСТПП занимает проектирование заготовок и технологических процессов их получения.

1.5 Назначение и тенденция развития заготовительного производства

Основное назначение заготовительного производства состоит в обеспечении механических цехов высококачественными заготовками.

В машиностроении используют заготовки, получаемые литьем, обработкой давлением, сваркой, а также из пластмасс и порошковых материалов (табл. 1.2). Современное заготовительное производство располагает возможностью формировать заготовки самой сложной конфигурации и самых различных размеров и точности.

Примерная структура производства заготовок в машиностроении

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.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют типы производства? Перечислите их основные признаки.

2. Что понимают под производственным и технологическим процессами?

3. Что понимают под технологическим оборудованием и оснасткой?

4. Какие существуют формы организации технологических процессов?

5. Дайте определение ЕСТПП и охарактеризуйте её назначение.

6. Каковы назначение и тенденция развития заготовительного производства?

7. Какие заготовки используют в машиностроении?

2. Основные понятия о заготовках и их характеристика

2.1 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, центрование, а иногда и обработку технологических баз.

2.2 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 оптимальным для данных условий производства.

Оптимальный припуск зависит от материала, размеров 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.

Рис. 2.1. Припуски, напуски и размеры корпуса подшипника (а), пробки (б) и вала (в) : А эаг, Б заг, В заг, D заг, D ′ заг, D ″ заг - исходные размеры заготовки; A дет, Б дет, В дет, D " дет, D " дет, - размеры готовой детали; D 1 , D 2 , О" 1 , О" 1 , - операционные размеры заготовки

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 получения. 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.

2.3 Конструкционные материалы

Роль конструкционного материала в технологическом процессе изготовления деталей машин чрезвычайно велика. С одной стороны, конструкционный материал должен обеспечить изготовление заготовок и деталей с наименьшими производственными затратами. Удельный вес стоимости материалов в себестоимости машиностроительной продукции сравнительно высок (например, в станкостроении он составляет 60 % общей стоимости, при изготовлении локомотивов и вагонов - 70...75 %) и имеет тенденцию к увеличению. С другой стороны, правильный выбор конструкционного материала должен обеспечить детали ее высокие эксплуатационные свойства, ее долговечность и ремонтопригодность. При выборе конструкционного материала необходимо учитывать его эксплуатационные, технологические и экономические свойства.

Эксплуатационные свойства материала должны обеспечить детали надежное выполнение своих функций. С этой точки зрения его выбор производится на основании расчетов, экспериментов или опыта эксплуатации аналогичных деталей. Данные по выбору марок материалов для изготовления деталей, работающих в определенных условиях, обычно приводятся в справочниках.

Технологические свойства (жидкотекучесть, способность к пластической деформации, свариваемость)-важный фактор, определяющий возможность и эффективность обработки данного материала выбранным технологическим методом. Проектируя деталь, конструктор должен с самого начала представлять, как ее будут изготовлять, начиная от получения заготовки и кончая финишной обработкой.

Технологические свойства материала могут заранее определить последующую технологию изготовления заготовок. Например, если станина станка изготавливается из серого чугуна, то заготовку можно получить только литьем. Чугун нельзя обрабатывать давлением. Он практически не сваривается (по крайней мере, при создании новых конструкций) и почти не допускает ремонта наплавкой. Литые заготовки станин требуют дополнительной обработки (естественное старение, низкотемпературный отжиг и др.) для стабилизации формы и размеров.

Экономическая эффективность используемого конструкционного материала может быть оценена его стоимостью и дефицитностью. Экономическая эффективность конструкционного материала не должна сводиться к его низкой стоимости. На выбор материала существенно влияет экономичность методов изготовления заготовок и их последующей обработки, что определяется технологическими свойствами данного материала. Кроме того, при современной тенденции все шире использовать более качественные и, следовательно, более дорогие материалы, необходимо учитывать, как их применение скажется на снижении массы и себестоимости детали в целом, на увеличении ее срока службы и ремонтопригодности.

2.4 Качество заготовок

Качество промышленной продукции - это совокупность свойств, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные по требности в соответствии с ее назначением. Одними из важнейших показателей качества машин являются:

1) эксплуатационные, которые определяют технический уровень машины (ее совершенство), ее надежность, эстетические и другие характеристики;

2) производственно-технологические, которые характеризуют главным образом технологичность конструкции машины и ее элементов;

3) экономические, которые характеризуют себестоимость изготовления, эксплуатации и ремонта машины.

Качество заготовки в большинстве случаев оценивается ее точностью и качеством поверхностного слоя.

2.4.1 Точность заготовок

Под точностью заготовки понимается ее соответствие требованиям чертежа и технических условий на ее изготовление. Отклонение реальной заготовки от требований чертежа (или эталона) называется погрешностью. Погрешности неизбежны на всех этапах изготовления заготовки, поэтому изготовить абсолютно точную заготовку практически невозможно.

Точность заготовок характеризуется как геометрическими (отклонения формы и размеров), так и физико-механическими свойствами (например, прочность, твердость, упругость, электропроводность и др.). Первая группа показателей изучалась в курсе «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения». Вторая группа обеспечивается правильным выбором материала и стабильностью технологии изготовления заготовок.

Для каждого метода изготовления заготовок различают достижимую и экономическую точность. Точность, которая может быть достигнута при данном типе производства высококвалифицированным рабочим в наиболее благоприятных условиях, называется достижимой. Экономическая точность достигается при данном технологическом методе в нормальных условиях производства. При проектировании технологических процессов технолог должен ориентироваться на среднеэкономическую точность, которая оговаривается в справочной литературе .

2.4.2 Качество поверхностного слоя заготовок

Качество поверхностного слоя заготовок - это совокупность всех служебных свойств поверхностного слоя материала как результат воздействия на него одного или нескольких последовательно применяемых технологических процессов. Поверхностный слой заготовки качественно отличается от материала сердцевины заготовки.

Качество поверхностного слоя характеризуют две группы параметров: геометрические (волнистость, шероховатость, субмикронеровности) и физико-механические (химический состав; микроструктура; микротвердость; величина, знак и глубина распространения остаточных напряжений и т. п.).

Качество поверхностного слоя определяется свойствами материала и технологией изготовления заготовки. Например, после горячей штамповки на поверхности заготовки будет окалина. Шероховатость поверхности заготовки, полученной холодной штамповкой, значительно ниже, чем заготовки, полученной горячей штамповкой, но ее поверхностный слой имеет наклеп. Если заготовка подверглась химико-термической обработке, ее поверхностный слой имеет иной химический состав и структуру, чем основа.

Геометрические параметры качества поверхностного слоя и точность заготовки в определенном смысле взаимосвязаны. Например, если заготовку получают литьем в песчаные формы, то микро- и макронеровности не позволяют получить высокую точность размеров. Выбирая вид заготовки и технологию ее производства, необходимо знать точность и качество поверхностного слоя заготовки, которые при этом могут быть получены.

2.5
Технологичность заготовок

2.5.1 Основные понятия технологичности

Технологичность конструкции изделия, согласно ГОСТ 14.205- 83, представляет собой совокупность свойств конструкции, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ. Отработка на технологичность обязательна на всех стадиях создания изделий.

Вопросы технологичности должны решаться комплексно, начиная со стадии проектирования заготовки и выбора метода ее изготовления и кончая процессом механической обработки и сборки всего изделия. Отработанная на технологичность заготовка не должна усложнять последующую механическую обработку. Технологичность, как правило, закладывается на стадии проектирования, поэтому от конструктора требуется высокий уровень технологической подготовки.

Технологичность - понятие относительное. Одна конструкция заготовки может быть технологична при данном типе производства и совершенно нетехнологична при другом. Технологичность зависит также от производственных возможностей данного предприятия (завода). Развитие производственной базы предприятия (например, внедрение станков с ЧПУ, автоматизированного оборудования) изменяет требования к технологичности. производство заготовка технологичность

Порядок и правила обеспечения технологичности устанавливаются государственными стандартами. Современные тенденции состоят в том, что отработка конструкции на технологичность все в большей степени смещается на стадию разработки конструкторской документации. Это требует делового и творческого сотрудничества конструкторов и технологов как при выборе вида заготовки, так и при разработке технологии ее последующей обработки.

2.5.2 Показатели технологичности

Показатели технологичности различают двух видов: качественные и количественные.

Качественную оценку («хорошо - плохо», «допустимо - недопустимо») получают путем сравнения двух и более вариантов заготовок. Критерием в этом случае являются справочные данные и опыт технолога и конструктора. Обычно такая оценка производится на стадии эскизного проектирования и всегда предшествует количественной оценке.

Количественные показатели дают возможность объективно и достаточно точно оценить технологичность сравниваемых конструкций. Выбор показателей зависит от назначения детали (заготовки) , типа производства и условий эксплуатации. Для каждой детали выбирают свои, наиболее характерные показатели. Применительно к заготовкам чаще всего в качестве показателей технологичности используют трудоемкость изготовления технологическую себестоимость и коэффициент использования металла.

Трудоемкость изготовления заготовки представляет собой суммарные затраты времени на производство заготовки по всем технологическим операциям. Составляющие нормы времени на выполнение работ по отдельным операциям приводятся в соответствующих справочниках.

На ранних стадиях проектирования применяют приближенные методы оценки трудоемкости. Например, «весовым методом» трудоемкость оценивается по трудоемкости типовой заготовки, аналогичной по форме, точности и технологии изготовления:

где Т пр, Т тип - трудоемкость соответственно проектируемой и типовой заготовок;G пр, G тип - масса соответственно проектируемой и типовой заготовок.

Для оценки технологичности используют также отношение трудоемкости механической обработки к трудоемкости получения заготовки Т мех /Т заг. Чем меньше это отношение, тем технологичнее заготовка (уменьшается объём механической обработки). Отношение Т мех /Т заг зависит также от типа производства (для единичного производства оно максимально).

Технологическая себестоимость изготовления применяется для выбора наилучшего варианта заготовки в условиях одного способа производства (цеха, завода). В общем виде для одной детали она состоит из следующих элементов:

С т.д = М + 3 + И и.о +С об, (2.2)

где М - стоимость расходуемых основных материалов, р./шт.; 3 - заработная плата производственных рабочих, р./шт.; И и.о - возмещение износа оснастки, р./шт.; С об - расходы, связанные с содержанием и эксплуатацией оборудования за время изготовления одной детали, р./шт.

Все элементы себестоимости взаимосвязаны. Например, изменение вида заготовки вызывает изменение затрат на механическую обработку. Изменение конструкционного материала может вызвать изменение номенклатуры технологического оборудования. Из сравниваемых вариантов выбирают тот, для которого технологическая себестоимость минимальна независимо от отдельных составляющих.

Коэффициент использования металла - это безразмерная величина, определяемая отношением массы изделия к массе израсходованного металла:

К и.м =G д /G p , (2.3)

где G д - масса готовой детали;

G p - масса всего израсходованного металла, включая массу литников, облоя, окалины, брака и т. п.

Различают коэффициент К в.г выхода металла, годного в заготовительных цехах, и коэффициент весовой точности К в.т :

К в.г = G з /G р, (2.4)

где G 3 - масса заготовки;

K в.т = G д /G з. (2.5)

При прочих равных условиях более выгодны высокие значения K и.м. Для оценки влияния технологичности заготовки на коэффициент использования металла необходимо помнить, что

К и.м = К в.г К в.т. (2.6)

2.5.3 Обеспечение технологичности заготовок на стадии проектирования

Задача обеспечения технологичности заготовок должна решаться с учетом взаимодействия всех служб завода (конструкторы, технологи, работники технического снабжения и т. д.) и конкретных производственных условий (наличие на заводе определенного оборудования, материалов, площадей). Способы повышения технологичности в значительной степени зависят от типа производства, объема партии, вида заготовки и других факторов. Поэтому ниже приводятся лишь некоторые рекомендации по повышению технологичности заготовок.

1. Желательно, чтобы очертания заготовки представляли собой сочетание наиболее простых геометрических форм.

2. Форма и размеры отдельных элементов заготовки (галтели, уклоны и т. п.) должны быть унифицированы.

3. Точность размеров и шероховатость поверхностей заготовок должны быть экономически обоснованными.

4. Желательно максимально использовать способы получения заготовок, не требующие последующего снятия стружки (рис. 2.2).

5. При невозможности обойтись без механической обработки необходимо стремиться максимально ее сокращать за счет уменьшения количества и протяженности обрабатываемых поверхностей (рис. 2.3).

Конструкция детали должна допускать возможность ее изготовления составной из двух и более частей (рис. 2.4).

Рис. 2.2. Шпилька, изготовленная обработкой резанием (о) и накатыванием (б)

Рис. 2.3. Примеры уменьшения объема механической обработки за счёт уменьшения протяженности обрабатываемых поверхностей (а) и уменьшения их количества (б)

Рис. 2.4. Конструкция цельной (о) и составной (б) детали

Контрольные вопросы

1. Что такое заготовка? Как классифицируют заготовки?

2. Что такое напуск и припуск; в каких случаях они назначаются и как определяются?

3. Как влияет материал на выбор способа получения заготовки? Приведите примеры.

4. Какие типы показателей характеризуют качество заготовки?

Что представляет собой достижимая и экономическая точность заготовки? Как влияет заданная точность на себестоимость заготовки и готовой детали?

Что подразумевают под качеством поверхностного слоя заготовки и какие факторы на него влияют?

7. Что понимают под технологичностью заготовки и какими показателями она оценивается?

8. Как обеспечивается технологичность заготовок на стадии проектирования?

Материалы и требования, предъявляемые к качеству детали.

Основная тенденция современного машиностроения — примене-ние материалов, обеспечивающих необходимые конструктивные и эксплуатационные свойства, имеющих повышенную обрабаты-ваемость на всех стадиях передела. Иными словами, материалы должны обладать необходимым запасом определенных техноло-гических свойств — ковкостью, штампуемостью, жидкотеку-честью, свариваемостью, обрабатываемостью.

Необходимым технологическим свойством для деформи-руемых материалов является технологическая пластичность . Чем ниже пластичность материала, тем сложнее получить качест-венную заготовку методом обработки металлов давлением, тем сложнее технологический процесс, тем выше себестоимость де-тали. Так, при изготовлении поковок из труднодеформируемых высокопрочных сплавов осуществить необходимую степень де-формации за один нагрев не всегда удается, поэтому необходи-мо введение дополнительных промежуточных нагревов, что зна-чительно повышает себестоимость и трудоемкость изготовле-ния поковок. Особенно жесткие требования по технологичес-кой пластичности предъявляют к тем сплавам, изделия из кото-рых подвергают холодной обработке металлов давлением — выдавливанию, вытяжке , гибке , формовке.

При выборе способа получения отливок также необходимо учитывать технологические свойства сплавов. Например, если материал обладает пониженными литейными свойствами (низ-кая жидкотекучесть, высокая склонность к усадке и т.п.), не рекомендуется применять для получения отливок из этого ма-териала такие способы, как литье в кокиль или литье под давле-нием, так как из-за низкой податливости металлических форм могут возникнуть литейные напряжения, коробление отливки и трещины . В таких случаях целесообразно применение способов: оболочковое литье и литье в песчано-глинистые формы.

Сплавы, склонные к повышенному поглощению газов (мно-гие литейные сплавы на основе алюминия), нежелательно при-менять для получения заготовок литьем под давлением; для центробежного литья исключено применение сплавов, склон-ных к ликвации.

В технических условиях для ответственных, тяжело нагру-женных деталей, для деталей, работающих в условиях перемен-ных нагрузок, в специальных средах (детали турбостроения, энергомашиностроения, такие, как валы, шестерни , зубчатые колеса, роторы, турбинные и компрессорные диски и т.п.), ука-зывают определенные требования к качеству материала, к фи-зико-механическим свойствам.

Процесс изготовления стальных отливок значительно слож-нее, чем чугунных, так как литейные свойства у стали ниже, чем у чугуна. Для предупреждения образования усадочной пористо-сти необходимы большие прибыли , обтаем которых может дос-тигать 60 % объема отливки, что приводит к увеличению расхо-да материала в 1,6 раза. Учитывая пониженную жидкотекучесть стали, сечения литниковых каналов необходимо увеличивать в 1,5—3,0 раза. Все это, естественно, снижает коэффициент ис-пользования металла, повышает себестоимость деталей.

В табл. 2.10 приведены оптовые цены за тонну стальных от-ливок для некоторых весовых групп . Сравнивая табл. 2.7 и 2.10 для отливок одних и тех же массы и группы сложности, изготовленных из чугуна и стали, можно отметить, что оптовые цены на отливки из конструкционных нелегированных и низко-легированных сталей близки к ценам аналогичных отливок из высокопрочного чугуна.

Учитывая более высокие литейные свойства высокопроч-ных чугунов, их прочность и пластичность, необходимо оцени-вать возможность замены стального литья на литье из высоко-прочного чугуна.

В структуре литейного производства СССР литье из цветных металлов, и сплавов составляет около 4 %. Однако в пос-ледние годы наблюдается тенденция к более широкому исполь-зованию цветных сплавов для получения фасонных отливок. Этому способствует наличие ряда особых физико-химических и физико-механических свойств, присущих сплавам из цветных металлов, и прежде всего высокая удельная прочность. В табл. 2.11 представлены значения удельной прочности некоторых ма-териалов, которые определяются как отношение предела проч-ности материала к его плотности. Как видно из данных табли-цы, такие материалы, как алюминиевый и титановый сплавы, имеют более высокую удельную прочность, что позволяет при их применении значительно снизить массу изделий.

Среди литейных материалов из сплавов цветных металлов наиболее широкое применение нашли алюминиевые сплавы. От-ливки из алюминиевых сплавов составляют около 70 % общего выпуска цветного литья; 25 % составляют отливки из медных сплавов. В последние годы достигнуты значительные успехи в освоении использования тугоплавких металлов, в частности титана, что значительно расширило область их применения, в том числе и для получения фасонных отливок.

Наиболее высокими литейными свойствами обладают спла-вы системы алюминий-кремний, так называемые силумины. Эти сплавы широко применяют в автомобильной, авиационной, приборо-, машино-, судостроительной и электротехнической промышленности , так как они обладают высокими литейными свойствами, достаточными пластичностью и механической проч-ностью, удовлетворительной коррозионной стойкостью. Из си-луминов получают отливки деталей сложной конфигурации, ра-ботающие при средних и значительных нагрузках.

Сплавы системы алюминий — медь обладают пониженными литейными свойствами, низкими пластичностью и коррозион-ной стойкостью, но хорошо обрабатываются резанием. Вслед-ствие широкого интервала кристаллизации сплавы этой систе-мы склонны к образованию усадочных трещин и рассеянной усадочной пористости . Отличительная особенность этих спла-вов — теплопрочность. Основная область применения — самолетостроение.

Сложные алюминиевые сплавы, содержащие медь и кремний, обладают высокой жидкотекучестью, коррозионной стойко-стью, хорошей свариваемостью. Их применяют для изготовления корпусов различных приборов, автомобильных и тракторных поршней, деталей авиационных двигателей.

Алюминиево-магниевые сплавы из всех литейных алюминие-вых сплавов обладают наиболее высокими механическими свой-ствами, пониженной плотностью, высокими коррозионной стой-костью и прочностью. Их используют при изготовлении отливок, испытывающих большие вибрационные нагрузки или подвергающихся воздействию морской воды. Вследствие большой склонности к окислению, образованию усадочных трещин и рыхлостей, взаимодействию с влагой литейной формы, пониженной жидкотекучести изготовление отливок из этих сплавов вызывает значительные технологические трудности.

Сплавы, не вошедшие в рассмотренные системы, относятся к сложнолегированным; их применяют для отливок, работаю-щих при повышенных температурах и давлениях, требующих повышенной стабильности размеров, для изготовления сварных конструкций и деталей, хорошо обрабатываемых резанием .

Наибольший эффект в снижении себестоимости получает-ся при увеличении коэффициента весовой точности, так как статья расходов на металл во много раз превышает любую дру-гую статью расхода при производстве деталей машин. Как из-меняются коэффициент весовой точности и коэффициент ис-пользования металла при изготовлении поковки штуцера, по-казано на рис. 3.33.

В некоторых случаях для выбора оптимальной заготовки целесообразно сопоставлять между собой литье и обработку металлов давлением. Если деталь может быть получена как из отливки, так и из поковки, то прежде всего необходимо оцени-вать требования, предъявляемые к детали условиями эксплуа-тации (характер нагрузок, значения механических свойств, тре-бования к плотности, размеру и расположению зерен и т.д.). Обычно эти требования заданы конструктором и изложены в чертеже готовой детали. Ответственные детали, к которым предъявляют повышенные требования по механическим свой-ствам, особенно по ударной вязкости , рекомендуется изготав-ливать из кованых или штампованных заготовок. Горячую объ-емную штамповку наиболее целесообразно сопоставлять с литьем под давлением, с литьем в кокиль и со штамповкой из жидкого металла.

Если деталь по своей конструкции пригодна для штамповки и для литья под давлением, то при выборе способа изготовле-ния необходимо учитывать следующее.

Температуру плавления сплава. Например, деталь изго-тавливают из медного сплава. Стойкость форм при литье под давлением медных сплавов в среднем 5—10 тыс. шт. отливок, стойкость штампа 10—20 тыс. шт. поковок. Кроме того, стои-мость форм в 1,5—2 раза выше стоимости штампа. Следует помнить, что параметр шероховатости поверхности деталей из медных сплавов, изготавливаемых литьем под давлением, ухудшается по мере изнашивания формы, так как на поверх-ности формы появляется сетка трещин разгара;

Характерной особенностью порошковой металлургии как промышленного метода изготовления различного рода загото-вок является применение исходного сырья в виде порошков, которые затем прессуют или формуют в изделия заданных размеров и подвергают термической обработке (спеканию), проводимой при температурах ниже температуры плавления

основного компонента шихты.

Основные элементы технологии порошковой металлургии следующие:

получение и подготовка порошков исходных материалов, которые могут представлять собой чистые металлы или их

сплавы, металлоиды, соединения металлов с неметаллами и другие химические соединения;

прессование из "подготовленной шихты изделий необходи-мой формы в специальных пресс-формах, т.е. формование бу-дущего изделия;

термическая обработка (или спекание) спрессованных из-делий, обеспечивающая им окончательные физико-механичес-кие и другие свойства. В производственной практике иногда встречаются отклонения от типового технологического процес-са, например совмещение операции прессования и спекания, пропитка пористого брикета расплавленным металлом, допрессовка или калибровка спеченного полуфабриката, дополнитель-ная механическая обработка спеченных изделий и т.д.

Достоинства порошковой металлургии следующие:

возможность изготовления деталей из тугоплавких мате-риалов, псевдосплавов (например, медь — вольфрам, железо — графит), пористых материалов с заранее заданной пористостью (фильтры, самосмазывающиеся подшипники);

значительная экономия материалов в связи с возможностью прессования изделий с окончательными размерами, не нуж-дающихся (или почти не нуждающихся) в последующей меха-нической обработке; отходы производства в этом случае не превышают 1—5 %;

возможность получения изделий из материалов высокой чистоты, так как при изготовлении деталей методом порошко-вой металлургии (в отличие от литья) исключается внесение каких-либо загрязнений в перерабатываемый материал;