Основы ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
ВЫБОР МЕТОДА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ
Имея отработанный рабочий чертеж, технические требования, которым должна отвечать готовая деталь, и зная количество деталей, подлежащих изготовлению в единицу времени по неизменяемому чертежу, приступают к выбору экономичного вида полуфабриката (прокат, стальные слитки, порошковые материалы и др.) и метода получения заготовки детали.
В одних случаях можно изготавливать заготовку, максимально приближающуюся по качественным показателям (размерам, форме, шероховатости поверхности, механическим свойствам, химическому составу, качеству поверхностного слоя материала) к требованиям готовой детали, что сокращает потери, связанные с ее превращением в готовую деталь. Однако стоимость такого полуфабриката возрастает с увеличением степени его приближения к требованиям готовой детали и повышением уровня самих )тих требований.
Другие полуфабрикаты или заготовки, отличающиеся меньшей степенью приближения к требованиям готовой детали, стоят меньше, но требуют больших последующих расходов по их превращению в готовую деталь (например, путем обработки резанием).
Следовательно, из нескольких возможных вариантов превращения полуфабриката в готовую деталь необходимо использовать наиболее экономичный.
Вопрос о выборе полуфабриката и варианте превращения его в готовую деталь должен решаться на основе сравнения себестоимости детали при каждом из возможных вариантов. При одних и тех же требованиях к готовой детали себестоимость механической обработки обычно выше себестоимости получения заготовок. Чем дальше отстоят размеры и другие показатели качества заготовок от требований к готовой детали, тем в большей степени возрастает себестоимость обработки заготовок резанием и потери материала; по мере приближения заготовок к требованиям готовой детали себестоимость их последующей обработки довольно быстрее снижается.
Современный прогресс в развитии и совершенствовании технологических процессов и средств производства порождает непрерывное сокращение (при прочих равных условиях) себестоимости и повышение качества полуфабрикатов и заготовок.
Изложенное направление является одним из ведущих в развитии современной технологии машиностроения. Учитывая это, надо при выборе полуфабриката стремиться к получению полуфабриката, максимально приближающегося по качественным показателям к соответствующим показателям требований, предъявляемых к готовой детали. В связи с этим разрабатывают несколько вариантов процессов получения заготовки и выбирают тот, при котором получается наименьшая себестоимость.
Современное машиностроение выпускает широкую номенклатуру сортового и профильного материала, из которой для ряда деталей подбирают необходимые полуфабрикаты.
Если для изготовления детали нельзя подобрать полуфабрикат, позволяющий превратить его сразу в готовую деталь, приходится выбирать другой вид полуфабриката, позволяющего превратить его сначала, с наименьшими потерями и расходами, в заготовку, приближающуюся по требованиям к готовой детали, а затем в готовую деталь. В таких случаях в качестве полуфабриката используются металл в слитках, сортовой материал в виде прутка, листа, ленты или проволоки для изготовления кованых, штампованных, сварных, редуцированных, высаженных, штампо - сварных, литейно-сварных и других видов заготовок.
Выбор методов получения заготовки. В современном машиностроении для получения заготовок деталей используется большое количество разнообразных технологических процессов и их сочетаний. Основными из этих процессов являются: 1) различные способы литья (в песочные формы, в опоки, кокильное, центробежное, по выплавляемым моделям, в оболочковые формы, под давлением, с использованием вакуума); 2) различные способы пластической деформации металлов (свободная ковка, ковка в подкладных штампах, штамповка на молотах и прессах, периодический и поперечный прокат, высадка, выдавливание); 3) резка; 4) сварка; 5) пайка; 6) комбинированные способы штамповки - сварки, литья-сварки и т. д.; 7) порошковая металлургия и др.
Выбор полуфабриката и разработка технологического процесса его превращения в готовую деталь дают наиболее высокие технико-экономические показатели, если эти вопросы разрабатываются комплексно и одновременно с разработкой конструкции изделия и его деталей.
В результате совместной работы конструктора и технолога разрабатывается оптимальный вариант и создается наиболее технологичная конструкция детали и изделия в целом. Главными факторами, влияющими на выбор метода получения заготовки, является конструкция детали, ее материал, размеры и масса заготовки, количество выпуска деталей в единицу времени, стоимость полуфабриката, расход материала и себестоимость превращения заготовки в готовую деталь и в итоге себестоимость заготовки.
В практике машиностроения нашли применение многочисленные методы получения заготовки, многие из которых с рекомендациями по их выбору приведены в работе [11]. На выбор метода получения заготовки большое влияние оказывают конструкция детали, ее размеры и материал.
Корпусные детали. Корпусные детали отличаются большим разнообразием конструктивных форм, размеров, массы и материалов, используемых для их изготовления. В настоящее время наиболее распространенными технологическими процессами изготовления заготовок корпусных деталей являются литье, в меньшей степени - резка-гибка, сварка, штампо-сварка и литье-сварка.
Основные преимущества получения заготовок - относительно небольшие расходы на изготовление опок, приходящиеся на одну отливку; недостатки:
Невысокая точность отливок, являющаяся следствием использования деревянных моделей, увеличения размеров и искажения форм, получаемых при "расталкивании" моделей перед их изъятием из форм;
Недостаточно высокая точность изготовления стержней и сборки форм;
Большие литейные уклоны, большая трудоемкость, длительный цикл формовки, искажения отливки вследствие неравномерного уплотнения формы в различных ее частях.
Эти особенности ограничивают область экономичного использования рассматриваемого способа литья производством единичных или изготавливаемых в небольших количествах крупных деталей, а также заготовок, которые не могут быть получены с помощью других способов. Примерами таких деталей могут служить станины, траверсы и стойки тяжелых станков, станины шестеренных клетей, корпусы редукторов, станины силовых лебедок, статоры, крышки гидротурбин и др.
При изготовлении отливок корпусных и других деталей в машиностроении используются процессы, значительно приближающие заготовки к требованиям, предъявляемым к готовым деталям. Основным из них является литье в оболочковые формы (оболочковые вставки), изготавливаемые из химически твердеющих смесей с жидким стеклом.
Достаточно широко для получения заготовок крупных деталей применяют комбинированный метод, когда заготовку делят на ряд простых частей, каждая из которых получается при помощи литья. Последующей сваркой отдельные части соединяются с образованием литейно-сварной заготовки детали.
Основными преимуществами рассмотренных способов получения заготовок является устранение расходов на изготовление дорогостоящих моделей, значительное сокращение цикла изготовления, экономия металла и обычно меньшая трудоемкость изготовления. Многие ответственные сварные заготовки корпусных деталей сложных конструктивных форм требуют отжига для снижения остаточных напряжений, образующихся при сварке.
Несмотря на отмеченные недостатки, эти способы получения крупных заготовок находят достаточно широкое применение, особенно при изготовлении деталей больших габаритных размеров и массы, литье которых целиком трудновыполнимо, требует много времени и связано с риском получения неисправимого брака.
Менее крупные заготовки детали получают с помощью литья в опоках (двух и более) с использованием ручной, пескометной и машинной формовок. Ручная формовка даже с использованием пневматических трамбовок и других средств механизации отличается малой производительностью и получением отливок относительно невысокой точности. Поэтому она используется в основном при получении заготовок деталей, изготавливаемых единично или в малых количествах.
Машинная формовка по сравнению с ручной имеет преимущества: 1) более высокая точность форм при удалении из них моделей; 2) возможность уменьшения формовочных уклонов; 3) получение форм с большой прочностью и однородностью уплотнения вследствие механизации уплотнения; 4) меньшая трудоемкость формовки с использованием менее квалифицированного труда.
В результате применения машинной формовки отливки получаются более точными по размерам и геометрическим формам, с меньшими колебаниями по массе.
Достаточно широкое применение находит получение заготовок корпусных деталей, столов, плит с помощью кокильного литья, при котором используется сочетание металлической формы с песчаным стержнем. Экономическая эффективность этого вида заготовок в значительной степени зависит от стоимости изготовления постоянных металлических форм.
Заготовки, полученные кокильным литьем, характеризуются точностью и правильностью геометрических форм (меньшими припусками на обработку и меньшими их колебаниями). Результатом являются экономия металла и сокращение трудоемкости механической обработки отливок.
Для изготовления литых заготовок мелких корпусных и ряда других деталей используется литье под давлением до 10 МПа и более.
Это позволяет сократить трудоемкость механической обработки отливок, получаемых литьем под давлением, на 80...85 % по сравнению с обычными литыми заготовками.
Для изготовления заготовок ряда корпусных и других деталей средних размеров используют штамповку, сварку, резку, гибку. Заготовки детали предварительно делят на несколько более простых частей. Отдельные части изготовляются из листового, ленточного, сортового или профильного материала путем резки, гибки, штамповки, затем соединяют сваркой, образуя заготовки деталей.
Основным преимуществом деталей, изготовленных из таких заготовок, является наиболее полное использование свойств материалов, вследствие чего достигается уменьшение массы деталей и отходов, и незначительный цикл изготовления деталей по сравнению с литьем. Недостатком данного способа является необходимость отжига заготовок для снижения остаточных напряжений, возникающих при сварке с целью уменьшения деформации деталей.
Заготовки для валов. Использование в качестве заготовки круглого проката экономично только для изготовления гладких и ступенчатых валов с небольшой разницей в диаметрах шеек, так как в противном случае получаются значительные отходы металла в стружку и затраты на обработку резанием. Заготовки для многоступенчатых и коленчатых валов, изготовляемых единицами, получают при помощи свободной ковки, ковочными молотами и прессами.
Большее приближение заготовок к требованиям, предъявляемым к готовым деталям, достигается путем их штамповки в открытых и закрытых штампах. Штампы делаются одноручьевыми и многоручьевыми.
Относительно высокая стоимость изготовления и содержания штампов, особенно многоручьевых, делает экономичным использование штамповки на штамповочных молотах при крупносерийном и массовом производстве валов и других подобных деталей.
Для изготовления в значительных количествах ряда валов небольших габаритных размеров применяют экономичный способ получения заготовок на горизонтально-ковочных машинах. В качестве исходного полуфабриката для получения заготовок обычно используются круглые прутки, полученные прокаткой.
Значительного внимания и распространения заслуживает использование поперечно-винтовой прокатки для получения заготовок многоступенчатых валиков, полуосей автомобилей и других деталей.
Литые заготовки применяются для получения валов прокатных станов, шпинделей и пинолей ряда тяжелых станков и т. д. В зависимости от служебного назначения вала, его конструктивных особенностей и количеств, подлежащих изготовлению в единицу времени и по неизменяемому чертежу, выбирают соответствующий метод получения литых заготовок.
Для получения более качественных литых заготовок пустотелых валов используется центробежный способ литья, при котором заготовка получает требуемую форму путем использования центробежной силы расплавленного металла, создаваемой вращением изложницы вокруг ее оси. При этом внутренняя поверхность самой отливки всегда получается цилиндрической или в виде параболоида вращения (при вертикальной оси вращения изложницы).
Заготовки зубчатых колес. При изготовлении зубчатых колес небольшого диаметра (до 60...80 мм) с небольшой разницей диаметров зубчатого венца и ступицы считается экономичным использование в качестве заготовок калиброванных прутков материала.
Изготовление зубчатых колес диаметром больше 80 мм из прутка становится не экономичным из-за увеличения отходов металла и себестоимости изготовления. Для получения штучных заготовок с диаметром свыше 80 мм в зависимости от размеров, материала, конструктивных форм и потребного количества могут использоваться свободная ковка, штамповка в подкладных, открытых и закрытых штампах, на ковочных молотах и прессах, штамповочных. молотах и кривошипных прессах, на горизонтально-ковочных машинах.
С увеличением количества зубчатых колес, подлежащих изготовлению, становится экономичным использование штамповки в открытых штампах, осуществляемой на штамповочных молотах и прессах или на более производительных кривошипных прессах.
Штампованные заготовки, получаемые на штамповочных молотах, отличаются меньшими припусками на обработку и колебанием их величин по сравнению с получаемыми свободной ковкой и в подкладных штампах.
С увеличением размеров зубчатых колес, изготовляемых единицами или в небольших количествах, можно использовать свободную ковку.
Заготовки деталей типа рычагов, шатунов, вилок, профильных стержней и т. п. При получении литых чугунных заготовок для перечисленных деталей в зависимости от их количества и размеров используется песчаная формовка, в опоках, ручная и машинная.
Заготовки ряда деталей, особенно сложных конструктивных форм и небольших габаритных размеров, экономично получать при помощи литья по выплавляемым моделям. Заготовки мелких рычагов, собачек, ба - лочек, лопаток роторов газовых турбин и ряда других деталей отливаются этим способом даже при изготовлении небольших количеств заготовок.
Стальные заготовки рассматриваемых типов деталей получают свободной ковкой при изготовлении единичных заготовок или нескольких их штук. С увеличением количества заготовок, подлежащих изготовлению по неизменяемому чертежу, становится экономичным использовать подкладные штампы для формообразования заготовки в целом, или отдельных, более сложных ее частей (например, концов рычага).
При больших количествах заготовок, особенно в массовом производстве, экономично использовать штамповку в открытых и тем более в закрытых штампах.
Дія получения заготовок, максимально приближающихся к требованиям готовых деталей, используются калибровка и чеканка штампованных заготовок. Практически при многократной чеканке достигается точность размеров по высоте заготовки до ± 25 мкм.
Заготовки мелких и крепежных деталей. Мелкие и крепежные детали составляют большую номенклатуру самых разнообразных деталей. Примерами могут служить различного рода кулачки, угольники, тройники, штуцеры, резьбовые втулки, болты, гайки, винты, шпильки, шурупы, шпонки. Мелкие детали изготовляются из различных металлов, сплавов, пластмасс и других материалов.
Группирование мелких деталей по служебному назначению, размерам, подобию конструктивных форм и техническим требованиям к этим деталям создает предпосылки для их группового изготовления. В таких случаях становится экономичным использование в качестве заготовок профильного материала. При отсутствии специального профильного проката материалы специального профиля экономично получать при помощи сравнительно простых приспособлений. Такие приспособления закрепляются на протяжных или волочильных станах. Нагретый пруток материала стандартного профиля путем протягивания между роликами приспособления превращается в пруток специального профиля.
Одним из наиболее экономичных технологических процессов получения заготовок крепежных и других видов мелких деталей, выпускаемых в больших количествах, является их холодная высадка на специальных холодно-выставочных автоматах.