Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ имени С. М. Кирова»

Кафедра технологии лесного машиностроения и ремонта

А. В. Трофимов, кандидат технических наук, доцент

В. А. Марков, кандидат технических наук, доцент В. И. Кретинин, кандидат технических наук, доцент Т. И. Горбачева, доцент

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ

МАШИНОСТРОЕНИЯ

Проектирование технологических процессов Учебное пособие для студентов направлений подготовки 151000 «Технологические машины и оборудование», 190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»

Санкт-Петербург Рассмотрено и рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией лесомеханического факультета Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета 26 сентября 2013 г.

Отв. редактор доктор технических наук, профессор В. В. Балихин Рецензенты:

кафедра технологии металлов и ремонта Петрозаводского государственного университета (зав. кафедрой доктор технических наук, профессор А. В. Питухин), зам. директора ООО «Лестехсервис-СПб»

кандидат технических наук, доцент О. А. Михайлов УДК 621.002 (075.8) Трофимов, А. В.

Основы технологии машиностроения. Проектирование технологических процессов: учебное пособие / А. В. Трофимов [и др.]. – СПб.:

СПбГЛТУ, 2013. – 72 с.

ISBN 978-5-9239-0619- Представлено кафедрой технологии лесного машиностроения и ремонта.

В представленном учебном пособии конспективно изложены вопросы проектирования технологических процессов изготовления деталей лесных машин. Пособие соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту РФ и предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения по направлениям подготовки 151000 «Технологические машины и оборудование» и «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

Для проверки восприятия материала и получения навыков его применения после каждой темы приведены контрольные вопросы.

Табл. 5. Ил. 36. Библиогр. 20 назв.

Темплан 2013 г. Изд. № 130.

СПбГЛТУ, ISBN 978-5-9239-0619-

ВВЕДЕНИЕ

Организационные и структурные изменения в лесной промышленности и лесном хозяйстве привели к неизбежным преобразованиям в отраслевом машиностроении. Место крупносерийных и массовых производств постепенно занимают более гибкие технологии средних и мелких серий. Существенно меняются возможности заготовительных производств. Расширяется применение компьютерных технологий в проектировании конструкций и процессов изготовления.

Большой массив информации, базирующийся на технологиях тяжелого и среднего машиностроения, автомобильной промышленности, затрудняет восприятие студентами основ дисциплины «Технология машиностроения». Указанные причины и необходимость развития учебного процесса (эффективность самостоятельной работы и подготовки к текущим занятиям, проведение текущего контроля знаний и др.) объясняют целесообразность краткого представления лекционного материала дисциплин «Технология машиностроения» и «Основы технологии машиностроения».

Необходимость более сжатой и направленной компоновки материала объясняется также переходом на подготовку бакалавров и сокращением времени обучения по дисциплине.

Текст сопровождается рекомендациями по решению задач [14] и контрольными вопросами. Содержание лекций базируется на источниках [2–8; 11–13]. Значительная часть материала более подробно рассматривается в пособиях [15–20] для проведения практических и лабораторных занятий.

Лекции предназначены для студентов всех форм обучения по направлениям 151000,190600.

Темы 1–9 подготовлены доц. Трофимовым А.В. совместно с доц.

Кретининым В.И. и доц. Марковым В.А., тема 5 – доц. Трофимовым А.В. совместно с доц. Горбачевой Т.И.

Пожелания и замечания по содержанию будут приняты и рассмотрены авторами с благодарностью.

Т е м а 1. ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ИЗДЕЛИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Разработка технологического процесса представляет собой решение сложной задачи, охватывающей процессы изготовления деталей и сборки машин. Процесс разрабатывают либо с привязкой к действующему, либо для вновь создаваемого производства. В последнем случае технолог обладает большей свободой в выборе рациональных вариантов решений.

Проектирование основывается главным образом на опыте и интуиции технолога, а также на очень небольшом числе формальных правил. Содержание и последовательность работ определены стандартом Р 50-54-93– «Рекомендации. Классификация, разработка и применение технологических процессов».

Рассмотрим основные этапы проектирования в последовательности их реализации.

Анализ предполагает изучение изделия и требований Заказчика с учетом интересов предполагаемого производителя.

Объект разделяется на составные части для решения следующих задач:

– изучение служебного назначения и корректировка (при необходимости) конструкции изделия;

– изучение и корректировка (при необходимости) технических требований;

– оценка технологичности изделия;

– формирование плановых показателей производства.

Все планируемые изменения согласуются между Заказчиком и Изготовителем.

Результатом этапа является полное представление о конструкции изделия и требованиях к его изготовлению, изложенное в согласованной рабочей документации. Примеры основных фрагментов рабочих чертежей отдельных деталей показаны на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Фрагменты рабочих чертежей детали: а – вал-шестерня;

Проводится оценка возможностей производства при планировании выпуска изделий. Возможности оцениваются по определенным признакам классификации, характеризующим его тип.

Тип производства – классификационная категория, выделяемая по признакам широты номенклатуры и объема выпуска изделий. Методика оценки изложена подробно в части I учебного пособия [5; 11]. В результате формируется полное представление о технических возможностях производства.

1.3. Выбор действующего технологического процесса Перед выполнением проектной части подробно изучается опыт производства изделий с похожими конструктивными и технологическими признаками, в аналогичных производственных условиях.

Поиск выполняется по двум направлениям (ГОСТ 3.1109–82):

унифицированные технологические процессы – процессы, разработанные для совокупности деталей с похожими конструктивными и (или) технологическими признаками;

единичные технологии – процессы изготовления деталей аналогичного наименования и исполнения.

Цель этапа – изучение опыта производства аналогичных изделий в похожих производственных условиях.

Более подробная информация представлена в разделе 3.

1.4. Выбор заготовки и метода ее получения Заготовка – предмет труда, из которого изменением формы, размеров и свойств изготавливается деталь.

На этапе решаются следующие задачи:

– установление способа получения заготовки;

– предварительный расчет припусков на обработку каждой поверхности (см. раздел 6);

– предварительное определение размеров заготовки;

– разработка чертежа заготовки с техническими требованиями на ее изготовление.

Для получения заготовок используют разнообразные технологические процессы и их сочетания: различные способы литья; пластического деформирования; резка; сварка; комбинированные способы: штамповкисварки, литья-сварки, порошковой металлургии и др.

При выборе способа получения стремятся к максимальному приближению формы и размеров заготовки к форме и размерам готовой детали. Выполнение этого требования, в большинстве случаев, связано с увеличением затрат на изготовление заготовки.

В условиях индивидуального, мелко- и среднесерийного производства, часто, в качестве стальной заготовки используется сортовой прокат различных профилей. В этом случае важно оценить целесообразность применения формообразующих операций в заготовительных цехах (участках), а также решить вопросы предварительного изготовления различных отверстий, гнезд, выемок, фланцев и других элементов.

Определение размеров и разработка чертежа заготовки могут быть выполнены только после предварительного формирования маршрута процесса обработки.

Порядок разработки чертежа, параметры и методы их назначения для основных видов заготовок установлены системой ГОСТов.

Например:

ГОСТ Р 53464–2009 «Отливки из металлов и сплавов. Допуски, размеры, масса и припуски на механическую обработку»;

ГОСТ 7062–90 «Поковки из углеродистой и легированной стали, изготовляемые ковкой на прессах. Припуски и допуски»;

ГОСТ 7505–89 «Поковки стальные и штампованные. Допуски, припуски и кузнечные напуски»;

ГОСТ 7829–70 «Поковки из углеродистой и легированной стали, изготовляемые ковкой на молотах. Припуски и допуски».

Выполнение этапа заканчивается технико-экономическим обоснованием выбора и разработкой технического задания на изготовление заготовки (кроме заготовок из сортового проката).

Примеры.

1. На рис. 1.2 показаны фрагменты чертежей заготовок двух видов Рис. 1.2. Фрагмент чертежа заготовки: а – прокат; б – литье 2. Заготовка, изображенная на рис. 1.3, изготовлена методом горячей объемной штамповки на горизонтально-ковочной машине (ГКМ).

Степень сложности С1. Точность изготовления поковки — класс I.

Группа стали — M l.

Рис. 1.3. Фрагмент рабочего чертежа заготовки Припуски на обработку зависят от массы, класса точности, группы стали, степени сложности, шероховатости заготовки и назначаются системой ГОСТов. Размеры заготовки определяют на основании установленных припусков.

Практические вопросы выбора заготовок рассматриваются в задачах 2.9–2.11 [14].

Поверхности деталей, при обработке, должны быть строго ориентированы относительно режущего инструмента с помощью технологических баз [4].

Определение системы координат заготовки проводят в два этапа:

выбирают технологические базы, необходимые для получения наиболее ответственных поверхностей детали («чистовые базы»

– используются при обработке большинства поверхностей заготовки);

выбирают технологические базы для первой операции технологического процесса («черновые» базы).

Обычно возможны несколько вариантов. Необходимо выбрать тот, который обеспечивает все технические требования и менее сложен в реализации схем базирования.

Методические основы выбора баз и схем, распространенные варианты установки подробно рассмотрены в части 1 дисциплины «Технология машиностроения» [5] и работах [2–8; 11–13].

Наиболее общими являются следующие рекомендации.

Для «черновых» баз:

– наилучшее качество поверхности (шероховатость, форма, взаимное расположение);

– принадлежность к группе «необрабатываемых» поверхностей или поверхностей с минимальным припуском на обработку;

– однократное использование;

– возможность обработки базовых поверхностей для следующего этапа.

Для «чистовых» баз:

– при вынужденной смене баз необходимо переходить от менее точной поверхности к более точной;

– при отсутствии надежных баз необходимо создавать «искусственные».

Для реализации схем базирования на станках применяют станочные приспособления (см. раздел 7).

Примеры схемы базирования и схемы установки в виде фрагментов карты эскизов показаны на рис. 1.4 и рис. 1.5.

Рис. 1.4. Схема базирования (а) и схема установки призматической заготовки в приспособлении (б) при фрезеровании шпоночного паза:

1 – призматическая заготовка; 2 – дисковая фреза; 3 – приспособление;

Рис. 1.5. Фрагмент карты эскизов фрезерно-центровальной операции (установка на призматических опорах с упором в торец) Требуемое качество отдельной поверхности, при обработке детали, может быть достигнуто различными методами.

Выбор метода следует начинать с поиска такой технологической системы, которая позволит наиболее экономичным путем достичь требуемого качества. Подбор варианта зависит, как правило, от производительности метода и экономичности его реализации. Оценка этой группы показателей возможна только после формирования маршрута, выбора режимов и проведения нормирования затрат времени. Решение о методах обработки поверхностей на этом этапе принимается предварительно и может быть в дальнейшем скорректировано.

Характеристика методов обработки представлена в работах [7; 12] и других источниках.

Практика выбора методов обработки рассматривается в задачах 1.8;

2.6; 2.8; 2.13–2.15 [14].

Под термином «маршрут» понимается перечень технологических операций в последовательности их выполнения (структура технологического процесса).

Основы разделения процесса на части и рекомендации по формированию маршрута рассматриваются в разделе 4.

Основным элементом любого процесса является технологическая операция – главный элемент проектирования и планирования производства.

1.8. Планирование технологических операций При планировании операций рассматривается комплекс вопросов:

– формирование структуры операции, определение последовательности и содержания переходов;

– выбор оборудования и средств технологического оснащения (при необходимости – их проектирование);

– расчет припусков на обработку поверхностей;

– определение режимов обработки;

– расчет нормируемых параметров;

– разработка технологической документации (карты эскизов, операционные карты и др.).

Подробное рассмотрение методов планирования проводится в разделе 6.

1.9. Определение требований техники безопасности Стандарты системы безопасности труда и соответствующие инструкции позволяют разработать требования по технике безопасности и производственной санитарии применительно к условиям конкретного производства (шум, вибрация, радиация, загазованность, опасные и вредные вещества в воздухе рабочей зоны и т. п.). На этом этапе решают также вопросы обеспечения устойчивости экологической среды.

1.10. Расчет технико-экономических показателей Результат проектирования обычно представлен несколькими вариантами технологий. Для выбора наиболее рационального, оценивают ТЭП, используя методику расчета экономической эффективности технологических процессов машиностроения. Информация необходима для планирования производства, сравнения проекта с типовыми вариантами и дальнейшего совершенствования процесса.

Подробное рассмотрение методов проводится при изучении дисциплины «Экономика машиностроительного производства».

Необходимо отметить, что проектирование является многовариантной и многоступенчатой задачей.

При разработке проекта, в случае необходимости, технолог часто возвращается к ранее выполненным этапам для внесения в них корректив. На большинстве этапов решения принимаются предварительно и в последующем уточняются.

Практические навыки разделения процесса проектирования на этапы поможет получить решение задачи 2.1 [14].

Контрольные вопросы 1. Назовите группы параметров детали для анализа технологических требований.

2. Какие задачи решаются при анализе исходных данных?

3. Раскройте происхождение и содержание слова «анализ».

4. Назовите классификационные признаки типа производства:

– единичное;

– мелкосерийное;

– среднесерийное.

5. На каком этапе проектирования рассматривается вопрос о термической обработке?

6. При изучении какой дисциплины учебного плана рассматриваются вопросы оформления технологических требований на деталь?

7. Какие задачи решаются при проектировании технологических операций?

8. Объясните содержание термина – унифицированный технологический процесс.

9. Для каких целей применяется расчет технико-экономических показателей процесса?

10. В каких случаях необходимо разрабатывать технологическую документацию?

Значение слова «анализ» предусматривает разделение предмета на части с целью изучения его структуры и взаимодействия элементов между собой.

Для проведения анализа используют следующую информацию:

базовая информация – конструкторская документация (чертежи, ТУ) и производственная программа (годовая программа, объем партий и т. п.);

руководящая информация – государственные стандарты: ЕСТПП, ЕСТД, ГОСТы и стандарты предприятий (СТП); классификаторы деталей и операций; трудовые нормативы; действующие унифицированные технологические процессы; инструкции и т. д.;

справочная информация – справочники, каталоги, паспорта оборудования, различные пособия и т. п., в том числе справочные таблицы по припускам, режимам резания и т. д.

Разработка процесса изготовления детали должна начинаться с изучения конструкции, служебного назначения (СН), анализа технических требований и норм точности, заданных чертежом.

Конструкция должна быть представлена минимальным количеством проекций и давать полное представление о поверхностях изделия. Значительную помощь в решении этих задач может оказать компьютерная графика с программным обеспечением «Компас 3Д» или другим продуктом.

Пример пространственного представления изделия показан на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Трехмерное изображение детали «Вал»: а, б – варианты исполнения Каждая деталь является элементом сборочной единицы. Приступая к формулировке назначения, необходимо изучить чертеж сборочной единицы, в которую входит деталь (см. рис. 2.2). Значительную помощь окажет изучение технического описания.

Рис. 2.2. Фрагмент сборочного чертежа узла: 9 – деталь Требуется:

– сформулировать задачи, для решения которых предназначена деталь;

– описать условия, в которых деталь должна выполнять свои функции.

Выясняя служебное назначение детали и ее роль в работе сборочной единицы, необходимо разобраться в функциях, выполняемых поверхностями.

Детали машин, несмотря на многообразие номенклатуры, образуются сочетанием ограниченного перечня поверхностей. Наиболее распространены цилиндрические, плоские и конические поверхности. Многие детали имеют винтовые и зубчатые поверхности. Редко используют специальные фасонные поверхности (фасонные кулачки, копиры и т. п.).

По ГОСТ 21495–76 все поверхности можно разделить на четыре вида:

исполнительные – поверхности, с помощью которых деталь выполняет свое служебное назначение;

основные – поверхности, с помощью которых определяют положение детали в изделии;

вспомогательные – поверхности, с помощью которых определяют положение присоединяемых деталей относительно рассматриваемой;

свободные – поверхности, не соприкасающиеся с поверхностями других деталей.

Поверхности первых трех видов можно объединить в одну – основную группу.

При проектировании процессов удобно пользоваться технологической разметкой поверхностей. Пример такой разметки для вала показан на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Технологическая разметка поверхностей: 19, 21 – исполнительные поверхности; 3, 5, 14, 15 – основные поверхности; 6, 8, 10, 12, 20 – вспомогательные поверхности; остальные – свободные поверхности При проведении классификации предварительно намечают технологические базы, стараясь соблюдать основные правила базирования (совмещения, постоянства и надежности баз).

2.2. Формулирование технических требований (ТТ) Каждая из выделенных поверхностей характеризуется набором параметров, определяющих ее качество (технические требования).

Анализ и корректировку требований выполняют по группам параметров в следующей последовательности:

– размеры элемента поверхности (линейные, диаметральные, угловые) и их точность;

– относительное расположение поверхностей детали (параллельность, симметричность, соосность и др.);

– форма поверхностей;

– шероховатость поверхностного слоя;

– физико-механические свойства поверхностного слоя.

Выявленные неточные или неправильные формулировки корректируются, а недостающие требования формулируются заново. Все требования должны быть обоснованы и соответствовать стандартам ЕСКД по оформлению.

На рис. 2.4 показан эскиз фрагмента детали «вал» с требованиями к наружной цилиндрической поверхности шейки под установку подшипника качения с послойным представлением информации.

2.3. Анализ технологичности конструкции Под технологичностью понимается совокупность свойств изделия, определяющих экономичность его изготовления, эксплуатации и ремонта для заданных показателей качества и объема выпуска.

Обеспечение технологичности регламентируется ГОСТ 14.201–83.

Стандарт определяет перечень задач, содержание и последовательность работ, систему показателей и методы их расчета. Отработка конструкций на технологичность ведется по чертежам и должна предшествовать разработке технологических процессов.

Технологичность можно оценить качественно и количественно. Качественная оценка предшествует количественной и устанавливается на основе опыта терминами: «хорошо», «плохо», «лучше» и т. п.

Пример 1 (качественная оценка). Деталь – корпус (см. рис. 2.5).

Рис. 2.4. Эскиз детали «вал»

Рис. 2.5. Эскиз детали «корпус»

Конструкция технологична, так как:

– конфигурация и материал детали позволяют изготавливать ее литьем;

– точность и шероховатость большинства поверхностей может быть обеспечена без механической обработки;

– отдельные поверхности требуют дополнительных операций на серийно выпускаемых станках нормальной точности.

Пример 2 (качественная оценка). Деталь – вал (см. рис. 2.6).

Рис. 2.6. Эскиз детали «вал» (материал Сталь 45) Конструкция технологична, так как:

– изделие изготавливается из доступного сортового проката (пруток);

– материал хорошо обрабатывается резанием;

– конфигурация детали позволяет проводить обработку на серийно выпускаемых станках токарной группы;

– точность и шероховатость большинства поверхностей обеспечивается на станках группы точности Н (нормальной);

– отдельные поверхности требуют дополнительных операций обработки на серийно выпускаемых станках.

При анализе необходимо учитывать возможность сборки машины (узла), в состав которых входит деталь. Для примера на рис. 2.7 показаны две нетехнологичные конструкции:

– гайку нельзя установить на резьбу (рис. 2.7 а);

– седло клапана нельзя установить в корпус вентиля (рис. 2.7 б), так как диаметр (d) отверстия корпуса меньше диаметра седла.

Отработка конструкции на технологичность, как правило, проводится по следующим направлениям.

1. Максимальное использование стандартных и унифицированных элементов.

2. Возможность изготовления из стандартных и унифицированных заготовок.

3. Возможность соблюдения основных принципов базирования при обработке.

4. Упрощение конфигурации деталей, расширение допусков на изготовление, снижение требований к шероховатости поверхностей.

5. Использование конфигурации детали, позволяющей применять наиболее совершенные методы обработки.

6. Доступность поверхностей для обработки и контроля параметров.

7. Возможность применения типовых и групповых технологий.

8. Использование унифицированного режущего и измерительного инструментов.

9. Приспособленность конструкции к наиболее эффективному применению намеченных методов обработки.

Приведем основные признаки технологичных вариантов некоторых типовых конструкций.

– наличие постоянных технологических баз (например – центровочные отверстия по ГОСТ 14034–74);

– наличие стандартных канавок для выхода инструмента, однотипность канавок;

– расположение ступеней в порядке возрастания или убывания диаметра, минимальный перепад диаметра ступеней, симметричность расположения ступеней;

– конические переходы между ступенями вала и фаски следует назначать с учетом параметров стандартных проходных резцов (30, 45, 60 и град);

– наличие фасок в качестве переходных поверхностей и др.

Втулки и цилиндры:

– достаточная жесткость и простая конфигурация;

– обработка внутренних поверхностей с одного установа (для обеспечения соосности);

– предпочтительны сквозные отверстия;

– при обработке отверстий высокой точности необходимо предусматривать канавки для выхода инструмента (ГОСТ 8820–69);

– пазы и шлицы в отверстиях желательны сквозные (при глухих конструкциях предусматривать канавки по ГОСТ 14775–81);

– не предусматривать глубокие шлицевые поверхности и пазы.

Выявление наиболее технологичных вариантов должно быть обязательно согласовано с типом производства. Одно и то же изделие в разных условиях изготовления может иметь различное технологичное исполнение.

Решение задач 1.6, 1.9, 2.2 [14] поможет закрепить материал темы.

Контрольные вопросы 1. Назовите методы назначения размеров и области их применения.

2. Линейный размер на чертеже детали может быть представлен тремя вариантами (А, Б, В).

Выберите вариант обозначения для условий единичного производства.

Объясните Ваш выбор.

3. Назовите комплексные и частные показатели формы для цилиндрических и плоских поверхностей.

4. Как назначается допуск на показатель формы поверхности?

5. Приведите примеры обозначения размера сопряжения поверхностей «вал-втулка» для посадки с зазором (с натягом).

6. Назовите параметры, характеризующие механические свойства поверхностного слоя, для участка поверхности шейки вала.

7. Приведите пример обозначения метрической резьбы средней точности.

8. В каких случаях проводится оценка количественных показателей технологичности конструкции?

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Существенным недостатком системы проектирования технологических процессов является необходимость выполнения проектных работ на каждую новую деталь. В практике это реализуется достаточно редко, что приводит к необоснованности и недостаткам многих технологических решений.

Использование принципа унификации значительно упрощает проблему с точки зрения объема проектных работ и реализации опыта существующих технологий. Каждый новый технологический процесс, в реальных условиях, проектируется на основе существующего типового или группового варианта.

3.1. Типовые технологические процессы Автором идеи типизации является проф. Соколовский А.П. Идея метода заключается в разработке процессов для групп деталей, обладающих общими конструктивно-технологическими признаками.

Основными признаками являются:

– конфигурация изделия;

– размеры заготовки;

– геометрические и физико-механические показатели качества поверхностей;

– материал заготовки.

Работу по типизации разделяют на два этапа. На первом осуществляют классификацию деталей по конструктивно-технологическим признакам, на втором – разрабатывают типовые технологические процессы на основе этой классификации.

Детали делят на классы, подклассы, группы, подгруппы и типы. Пример подкласса ступенчатых валов показан в табл. 3.1.

Унификация – приведение к единообразию по определенным признакам.

По указанным признакам каждая деталь получает технологический код. По коду деталь относят к определенной группе и действующему для этой группы типовому технологическому процессу. При отсутствии такой группы процесс разрабатывается как единичный.

Правила формирования технологического кода подробно рассмотрены в учебном пособии [8, с. 50–66]. Основой являются классификаторы ТКД и ЕСКД. Классификатор ЕСКД является информационной частью ГОСТ 2.201–80 «Обозначение изделий и конструкторских документов».

Полный конструкторско-технологический код состоит из обозначения детали по ГОСТ (13 знаков) и технологического кода ТКД (14 знаков):

(Код по ГОСТ 2.201–80) (Технологический код) Детали кодируются буквенно-цифровым обозначением. В структуре кода, за каждым признаком закреплены определенный разряд (позиция) и число знаков. Система кодирования включает цифры от 1 до 9 и прописные буквы русского алфавита от А до Я, исключая З.

Классификатор включает 100 классов, из которых 51 класс – это резерв для размещения новых изделий. Для деталей машиностроения выделено 6 классов с 71 по 76.

Для специалистов эксплуатационного профиля представляет интерес решение обратной задачи – определение конструктивно-технологических признаков изделия по технологическому коду. Такая информация может быть полезна при изготовлении детали «на месте» в случае поломки.

Правила разработки и применения типовых процессов установлены стандартом Р 50-54-93–88 «Классификация, разработка и применение технологических процессов» и ГОСТ 3.1109–82. Процедура, в целом, существенно сокращает время и объемы работ по подготовке производства.

Развитием идей типизации технологических процессов является метод групповой обработки, предложенный проф. Митрофановым С. П. Основным отличием является объединение деталей по технологическим признакам.

Детали делят на классы по видам обработки. Внутри классов создают группы, руководствуясь следующими требованиями:

– габаритные размеры, форма и масса деталей группы должны позволять вести их обработку на одном станке;

– точность по всем показателям качества должна обеспечиваться техническими характеристиками станка;

– заготовки должны быть близки по форме и размерам;

– оснастка должна обеспечивать надежное базирование, закрепление и обработку любой детали группы с минимальной переналадкой.

Для группы разрабатывается комплексная деталь. Эта деталь может быть реальной или искусственной. Комплексная деталь содержит все основные элементы (поверхности), характерные для деталей, вошедших в группу. Технологический процесс, разработанный на комплексную деталь, пригоден для любой детали группы, за исключением невостребованных операций и переходов.

Групповой процесс реализуется с применением соответствующей групповой технологической оснастки. Оснастка представляет собой совокупность приспособлений и инструментов, которая обеспечивает изготовление всех деталей группы с применением небольших подналадок.

На рис. 3.1 представлена сформированная группа деталей, обозначенных буквами Б, В, Г,..., М, и комплексная деталь А, состоящая из ряда элементарных поверхностей (1–18). Различные детали группы состоят из таких же геометрических элементов, но в различной их комбинации. Детали могут быть обработаны по групповому технологическому процессу с использованием одних и тех же средств технологического оснащения.

Групповые технологические процессы и операции разрабатываются, для всех типов производства, только на уровне предприятия. Порядок проектирования регламентируется ГОСТ 14.316–75 и ГОСТ 14.301–85.

Выделяют следующие этапы работ.

По чертежам изделий отбирают детали, удовлетворяющие вышеперечисленным требованиям.

Уточняют состав группы, исходя из необходимости максимальной загрузки оборудования.

Разрабатывают эскиз комплексной детали (реальной или искусственной).

Определяют последовательность и содержание переходов для обработки комплексной детали.

Разрабатывают групповое приспособление.

Разрабатывают групповой режущий, вспомогательный и измерительный инструмент.

Разрабатывают эскизы групповой наладки для комплексной детали.

Новые детали часто вписываются в уже существующие на предприятии групповые технологические процессы (операции).

Для закрепления знаний по теме рекомендуется решить задачи 2.3 и 2.4 [14].

Контрольные вопросы 1. Какой технологический процесс называется «унифицированным»?

2.Чем вызвана необходимость разработки унифицированных технологических процессов?

3. Чем отличаются «типовые» технологические процессы от «групповых»?

4. Чем отличается «единичный» технологический процесс от «унифицированных» процессов?

5. Что такое «комплексная» деталь?

6. Может ли быть «комплексная» деталь реальной?

7. Сформулируйте «обратную» задачу типизации технологических процессов.

8. Почему «групповые» процессы разрабатываются только на уровне предприятия?

9. Назовите требования к конструкции групповых станочных приспособлений.

Маршрут процесса определяют совокупность и последовательность выполнения технологических операций. Проектирование технологического маршрута – это решение сложной многовариантной задачи, в результате которого принимают общий план обработки, намечают содержание операций, определяют состав технологического оснащения.

Наличие нескольких вариантов решения на каждом этапе процесса иллюстрируется схемой рис. 4.1. На рисунке представлены варианты маршрута изготовления отверстия в отливке [12].

Заготовка-отливка с отверстием |Черновой этап обработки | Предварительное растачивание Предварительное зенкерование |Получистовой этап_ | Растачивание Зенкерование |Чистовой этап Протягиваниие Развертывание Тонкое растачивание Шлифование Рис. 4.1. Варианты маршрута обработки отверстия в отливке Основой для разработки является аналог – маршрут типового или группового технологического процесса.

Требования к точности поверхностей определяют необходимость проведения механической обработки в несколько этапов.

По каждой группе поверхностей должна быть выявлена необходимость осуществления трех стадий обработки: черновой, чистовой и отделочной.

Установленное чертежом качество групп поверхностей, размеры, масса и форма детали дают возможность определить необходимые методы окончательной обработки. Заключительной стадии предшествуют промежуточные этапы обработки.

Каждый этап решает определенные задачи – формирование размера и расположения поверхности, удаление слоя материала, обеспечение шероховатости поверхности и др. Обязательно должно выполняться следующее условие – каждый последующий метод должен быть точнее предыдущего.

Черновая обработка (IT 12…15) На стадии черновой обработки удаляется основная масса материала с нежелательными физико-механическими свойствами и обеспечивается взаимное расположение поверхностей.

Обработка сопровождается интенсивным нагревом заготовки и инструмента, большими значениями сил резания, которые требуют соответствующих сил закрепления заготовки и приводят к значительным деформациям технологической системы – источникам образования погрешностей обработки.

Удаление значительного количества материала позволяет выявить дефекты заготовок (например, раковины в отливках и др.), которые могут быть своевременно устранены или станут основанием для прекращения дальнейшей обработки вследствие непригодности заготовки.

После черновой обработки могут возникнуть деформации заготовки в результате перераспределения остаточных напряжений, вызванного снятием поверхностного слоя. В процесс изготовления, для уменьшения напряжений, часто вводят операции термообработки (отжиг, старение).

Для выполнения черновых операций выбирают наиболее мощное и менее точное оборудование.

Чистовая обработка (IT 6…10).

На стадии чистовой обработки обеспечивается достижение параметров точности поверхности и ее расположения относительно технологических баз.

В отдельных случаях предварительную и окончательную обработку поверхности выполняют последовательно при одном установе заготовки.

Часто эти этапы разделяют, выполняя чистовую обработку на более точном оборудовании.

Отделочная обработка (IT 5…7) Обеспечивается точность параметров поверхности и шероховатость особо точных поверхностей. На этой стадии получают параметр шероховатости поверхности Ra = 0,32 мкм и менее.

Обработку планируют в заключительной части процесса, из опасения повреждения окончательно обработанных поверхностей при установках и транспортировании.

Следует отметить, что разделение процесса на три стадии не во всех случаях целесообразно. Например:

– при обработке заготовки с повышенной точностью и качеством поверхностей технологический процесс начинается с чистовой обработки;

– поверхности небольших размеров, если заготовка жесткая, могут быть окончательно обработаны в начале технологического процесса;

– при обработке заготовок из пруткового материала на револьверных станках и автоматах не отделяют черновую обработку от чистовой.

4.2. Дифференциация и концентрация операций При формировании маршрута руководствуются соотношением между уровнем дифференциации и концентрации операций.

Дифференциация – разделение процесса на ряд простых операций.

П р е и м у щ е с т в о более простых операций – возможность подбора не сложного, дешевого оборудования, стандартного инструмента, приспособлений, возможность использования рабочих средней квалификации.

Н е д о с т а т к и – снижение точности за счет неоднократной смены баз и удлинение производственного цикла.

Предварительную черновую обработку проводят производительными методами на простых станках рабочие более низкой квалификации. Чистовую обработку выполняют на высокоточном оборудовании с использованием более квалифицированных рабочих.

Метод применяют при нестабильной номенклатуре продукции, когда нельзя обеспечить постоянство исходных материалов, заготовок или инструмента.

Концентрация – разделение технологического процесса на небольшое количество сложных операций. При концентрации сокращается количество установов, широко применяют многоинструментальную обработку одной или нескольких поверхностей, а также многоместную обработку.

Одновременно повышается точность взаимного расположения обрабатываемых поверхностей, сокращается длительность цикла производства, упрощается календарное планирование.

Дополнительно возрастают требования к точности станка, его технологическим возможностям. Рабочий высокой квалификации вынужден выполнять как окончательную, так и предварительную обработку.

Примером концентрации операций является использование станков с программным управлением, обрабатывающих центров и т. п.

Процессы, построенные на принципе концентрации операций, часто встречаются в единичном и мелкосерийном производстве. Аналогично разрабатывают технологии в крупном и тяжелом машиностроении с использованием переносных станков.

В среднесерийном производстве применяются оба принципа: концентрация операций предусматривается для обработки на станках с ЧПУ и быстропереналаживаемых агрегатных станках и автоматах, а дифференциация – на переменно-поточных линиях групповой обработки.

В массовом и крупносерийном производстве принцип концентрации реализуют, применяя многошпиндельные автоматы, автоматизированные производственные системы, станки с ЧПУ. Принцип дифференциации реализуется при использовании поточных и автоматических линий с применением высокопроизводительного, простого, специального оборудования.

Схема маршрута разрабатывается на основе следующих рекомендаций общего характера.

Проводят технологическую разметку чертежа. Пример разметки с нумерацией поверхностей показан на рис. 4.2.

В первую очередь планируют обработку поверхностей, используемых для технологических баз на последующих этапах процесса.

Последовательность обработки поверхностей планируют, в основном, в порядке, обратном требованиям точности, стремясь к соблюдению принципов базирования.

При необходимости термической или химико-термической обработки предусматривают введение дополнительных операций (восстановление баз и др. – см. пример). Решаемые задачи и варианты термического воздействия рассмотрены в теме 5.

Рис. 4.2. Вариант технологической разметки поверхностей детали Пример.

Часто в технических условиях указано требование повысить твердость основных поверхностей (чаще до НRСэ = 55...60) посредством их цементации и последующего отпуска. Остальные поверхности должны быть защищены от цементации различными способами: омеднением; повышенным (на глубину цементации) припуском (удаляют после цементации, но до закалки), а также комбинацией отмеченных способов. Поверхности, подлежащие цементации, предохраняют от омеднения, покрывая их диэлектриком, чаще лаком.

Вспомогательные поверхности (резьба, отверстия, фаски, шлицы, канавки и др.) изготавливают, в основном, после чистовой обработки.

Обработку этих элементов часто выделяют в самостоятельные операции.

Операции обработки основных и вспомогательных поверхностей, при возможности, необходимо совмещать. Обработку легкоповреждаемых поверхностей (например, наружной резьбы) часто проводят после отделочной обработки.

В заключение маршрута предусматриваются вспомогательные операции (очистная, нанесение антикоррозионного покрытия) и технический контроль соответствия параметров требованиям, заданным чертежом.

Вариант типового маршрута изготовления детали «вал» (рис. 4.2) представлен в табл. 4.1.

025 тельное и окончательное шлифование) Для закрепления материала рекомендуется решить задачу 2.5 [14].

Контрольные вопросы 1. Сформулируйте определение термина «маршрут».

2. Назовите задачи, решаемые на этапе чистовой обработки поверхности.

3. Каковы положительные стороны дифференцирования операций в процессе обработки?

4. Изготовление резьбы на шейке вала планируется:

– после черновой обработки;

– после чистовой обработки;

– после отделочной обработки.

Назовите предпочтительный вариант.

5. Как изменяется квалитет точности поверхности при переходе от черновой к получистовой обработке?

Т е м а 5. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ

ОБРАБОТКА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

Для производства изделий машиностроения в качестве материала часто используют сталь – сплав железа и углерода. Стали, применяемые для изготовления деталей машин, называют конструкционными. Схема общепринятой классификации представлена в работе [6].

Комплекс механических свойств материала и его распределение по объему изделия устанавливает конструктор, исходя из условий будущей эксплуатации (диапазон температур и нагрузок, характер нагрузки, агрессивность среды и др.). Задача технолога заключается в обеспечении технических требований как для указанного материала (прямая задача), так и для его аналога, в случае необходимости (обратная задача).

Управление параметрами прочности и надежности материала, при изготовлении, обеспечивается совместным воздействием легирования, термической (ТО) и химико-термической (ХТО) обработки.

Основное внимание, в рамках задач дисциплины, отведем методам термической и химико-термической обработки.

Цель указанных видов обработки – получение заданных свойств сплава изменением его структуры, что достигается нагревом до определенной температуры с последующим охлаждением.

Основные факторы воздействия – температура, время и скорость охлаждения.

В результате фиксируются остающиеся изменения структуры, обусловленные, в первую очередь, фазовыми превращениями.

5.1. Место термической и химико-термической Деталь при изготовлении последовательно находится в следующих состояниях:

(заготовка после частичной обработки) (2) В работе рассмотрены только распространенные маршрутные схемы.

Для состояния 1, 2, 3 характерны общие черты.

Каждое состояние формируется за счет температурного и силового воздействия на материал, что сопровождается появлением нежелательных свойств, как поверхности, так и сердцевины изделия (внутренние напряжения, склонность к хрупкому разрушению, высокая твердость, недостаточные вязкость и пластичность, напряжения растяжения в поверхностных слоях и др.).

Негативные проявления сказываются на качестве изделия и экономичности его изготовления.

Комплекс механических свойств, по маршруту, последовательно улучшают объемной и (или) местной обработкой (ТО, ХТО, пластическая деформация и др.) в соответствии с техническими В процессе изготовления детали необходимо обеспечить решение трех задач:

– формирование формы и размеров поверхностей;

– устранение нежелательных свойств материала, приобретенных на предыдущих этапах обработки;

– улучшение параметров прочности и надежности изделия в целом или его отдельных участков (поверхностей).

Рассмотрим возможные варианты управления применением методов термической и химико-термической обработки.

Состояние 1 (заготовка).

Материал заготовки находится в неустойчивом (метастабильном) состоянии по следующим причинам:

– искажение кристаллической решетки при холодной пластической деформации (нагартованные стали, полученные прокаткой, прессованием и волочением в холодном состоянии: проволока, лист, лента, цельнотянутые трубы и другие профили с тонким сечением);

– неоднородный состав зерна, образующегося при фазовых превращениях в процессе горячей обработки.

Неустойчивое состояние, при комнатной температуре, сохраняется достаточно долго. Стремление структур материала к равновесию, при дальнейшей механической обработке, может вызвать дополнительные погрешности (искажения формы, снижение производительности оборудования и др.).

Нагрев (дополнительный приток внешней, тепловой энергии) сопровождается увеличением внутренней энергии атомов, что приводит к увеличению скорости перехода материала в устойчивое состояние. Режим нагрева обеспечивает разную степень интенсивности процессов. В результате – Управление – направленное изменение параметров состояния предмета труда.

снижаются внутренние напряжения, уменьшаются искажения кристаллической решетки. Регулирование скорости охлаждения позволяет изменять размеры зерна и влиять на механические характеристики материала.

В рассматриваемом состоянии применяют два метода термической обработки – отжиг и нормализация.

ОТЖИГ – нагрев стали, выдержка и последующее медленное охлаждение (обычно вместе с печью).

Для работы с группой конструкционных сталей применяют два вида отжига.

Низкотемпературный отжиг с температурой нагрева до А1 – (50…100 °С).

Нагрев не сопровождается фазовыми превращениями и используется для снятия внутренних напряжений (отжиг первого рода).

Полный отжиг с температурой нагрева до А3 + (30…50 °С).

При нагреве происходит полная фазовая перекристаллизация и, как следствие, исправление структуры (отжиг второго рода).

В отдельных случаях при обработке легированных сталей применяется диффузионный (литье) и изотермический отжиг [6].

Применение отжига на стадии заготовки возможно для большинства марок конструкционных сталей.

НОРМАЛИЗАЦИЯ отличается от полного отжига режимом охлаждения (на спокойном воздухе), что позволяет получить более мелкое зерно и повышенную твердость материала.

Состояние 2 (заготовка после частичной обработки).

На этой стадии актуальна задача формирования комплекса свойств, характеризующих прочность и надежность изделия в соответствии с техническими требованиями.

Возможности увеличения прочности и твердости конструкционных сталей за счет термической и химико-термической обработки оценивают величиной 200…300 % от значения параметров материала в «сыром» состоянии. Варианты решения ограничены требованием незначительного изменения жесткости изделия (колебание модулей упругости не более 5 %).

Задача может рассматриваться для изделия в целом (объемная обработка) или его поверхностного слоя (при необходимости, для отдельных участков поверхности).

Решение, в большинстве случаев, обеспечивается маршрутом, представленным на рис. 5.1.

Мелким шрифтом выделен текст из работы [6].

А1 – критическая точка на линии превращения PSK диаграммы «Fe – Fe3C».

А3 – критическая точка на линии GS диаграммы «Fe – Fe3C»..

ЧЕРНОВАЯ ОБРАБОТКА

Термическая обработка

ЧИСТОВАЯ ОБРАБОТКА

ОТДЕЛОЧНАЯ ОБРАБОТКА

Наиболее часто применяют следующие методы термической обработки.

Закалка – подразумевает нагрев стали до температуры А3 + (30…50 °С) с последующим быстрым охлаждением (со скоростью больше критической). В результате получают структуру мартенсита закалки, обладающую высокой твердостью, хрупкостью и пониженной вязкостью. После закалки, для получения необходимого комплекса механических свойств, всегда проводят операцию отпуска.

Отпуск – предполагает нагрев закаленной стали до температуры ниже А1 с выдержкой и последующим охлаждением, как правило, на воздухе.

Отпуск решает следующие задачи:

– снятие внутренних напряжений, возникших при закалке;

– получение структуры с необходимым комплексом свойств.

Для конструкционных сталей, в большинстве случаев, проводят высокий отпуск с нагревом до температуры 550...650 °С. Закалка с высоким отпуском (термическое улучшение) позволяет получить хорошие показатели прочности и надежности для среднеуглеродистых сталей, но с ограничением по размерам сечения (мелкие детали с диаметром не более 10…15 мм). Причина заключается в недостаточной прокаливаемости.

Ограничение может быть снято в случае применения легированных сталей. Рекомендации по размерам сечения деталей, подвергаемых улучшению, для групп легированных сталей, представлены в работе [6].

Необходимо иметь в виду, что низкоуглеродистые нелегированные стали (например, Сталь 10) закалить практически невозможно, так как углерода (С) недостаточно.

Для получения твердого поверхностного слоя с вязкой сердцевиной (сочетание износоустойчивости с высокой динамической прочностью) применяют методы поверхностной закалки – нагрев поверхностного слоя с последующим быстрым охлаждением. Поверхностной закалке с последующим низким отпуском подвергают среднеуглеродистые стали, что позволяет сформировать твердый поверхностный слой (структура – отпущенный мартенсит) с достаточно вязкой и прочной сердцевиной.

Схема обработки применима для ответственных деталей в условиях средних режимов нагрузки.

Вторым направлением решения задачи упрочнения поверхностного слоя является применение методов химико-термической обработки (ХТО).

Сущность методов заключается в том, что изделие помещается в среду, насыщенную элементом, который диффундирует в металл. В результате образуется слой с концентрацией элемента, уменьшающейся в направлении от поверхности к сердцевине.

Метод может быть реализован, если элемент образует с металлом систему твердых растворов, т. е. основан на способности металлов растворять различные элементы.

Диффузионное насыщение возможно как неметаллами, так и металлами.

ХТО уступает закалке по производительности, но имеет ряд преимуществ:

– результаты не зависят от внешней формы изделия;

– обеспечиваются большие различия свойств поверхности и сердцевины.

В отраслевом машиностроении наиболее распространена цементация – насыщение углеродом поверхностного слоя изделия (поверхности, участка поверхности). Окончательное формирование свойств обеспечивает закалка, при которой на поверхности образуется высокоуглеродистый мартенсит. Последующий низкий отпуск снимает внутренние (закалочные) напряжения. В результате поверхность имеет твердость HRCэ 58…62, а сердцевина HRCэ 25…35 для легированных сталей и менее HRCэ18 для низкоуглеродистых сталей.

Цементации подвергают низкоуглеродистые и низкоуглеродистые легированные стали (с содержанием углерода 0,1…0,25 %). Глубина слоя цементации достигает 1,5…2,0 мм.

Применение сталей, легированных нитридообразующими элементами (Al, Cr, Mo), позволяет провести азотирование – насыщение поверхностного слоя азотом за счет диффузии, что обеспечивает повышение твердости, износоустойчивости, усталостной прочности и сопротивления коррозии.

До азотирования заготовку подвергают закалке и высокому отпуску, проводят чистовую обработку. После азотирования выполняют отделочные операции (тонкое шлифование, притирку, доводку и т. п.). Азотированию подвергают лишь отдельные поверхности, все остальные участки защищают гальваническим лужением. Процесс имеет существенный недостаток – низкую производительность, что ограничивает возможности использования.

Для получения более высокого сопротивления износу, большей твердости, лучшего сопротивления коррозии, повышенной усталостной прочности применяют нитроцементацию.

Нитроцементация стали – процесс одновременного насыщения поверхностного слоя углеродом и азотом при использовании газообразной среды.

После нитроцементации сразу проводят закалку с низким отпуском, обеспечивая высокую твердость.

Состояние 3 (готовая деталь).

Состояние поверхностей соответствует окончанию отделочной (чистовой) обработки. Воздействие (механическое, термическое, химическое и др.) ухудшит качество изделия и возможно только для решения задач консервации поверхностей. Исключение может составлять азотирование, которое часто проводят на готовых деталях, прошедших окончательную термическую обработку и шлифование, т. к. проявления коробления и образования оксидов незначительны.

5.2. Особенности применения термической К материалам, подвергаемым термической обработке, предъявляют повышенные требования с точки зрения химического состава (узкие пределы содержания углерода, легирующих элементов и примесей).

Эффективно применение сталей более высокого качества.

При высокой температуре происходит химическое взаимодействие поверхности металла с окружающей средой и как следствие:

– обезуглероживание стали (выгорание углерода в поверхностных – окисление стали (с образованием на поверхности оксидов железа – Fе2О3 => Fе3О4 => FeO).

С повышением температуры процессы ускоряются.

Применение нейтрализующих технологий снижает негативное воздействие, но не исключает его полностью. Это обстоятельство приводит к необходимости использовать термическое воздействие, как правило, до отделочной обработки и предусматривать проведение работ по восстановлению базовых поверхностей.

В единичном и мелкосерийном производстве в качестве заготовок часто используют горячекатаный прокат различных форм сечения. Горячая обработка предполагает наличие у проката свойств материала, подвергнутого отжигу (пластичность, минимальная твердость, равновесность состояния). Такое допущение вполне приемлемо для деталей, испытывающих незначительные нагрузки в благоприятном диапазоне температур и других условий эксплуатации.

Цементации, обычно, подвергают не все, а лишь отдельные поверхности заготовок, поэтому не цементируемые поверхности должны быть изолированы. Существуют различные способы изолирования: меднение, применение специальных обмазок; назначение припусков, удаляемых с поверхностей после цементации, но до закалки.

В последнем случае, на первых этапах, обрабатывают поверхности заготовки, подлежащие цементации. Остальные поверхности либо не обрабатывают, либо обрабатывают, оставляя припуск, в 1,5–2 раза превышающий глубину слоя цементации. После цементации защитный слой (припуск) удаляют с поверхностей и заготовку направляют на закалку.

5.3. Распространенные схемы применения термической Малоуглеродистые стали (с содержанием С < 0,3 %) Стали этой группы не подвергаются термическому упрочнению вследствие незначительного содержания углерода (С). В качестве термического воздействия применяют нормализацию перед механической обработкой с целью получения более мелкозернистой структуры (см. схему рис. 5.2).