СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Рациональное проектирование и технологичность сварных конструкций

Задача создания оригинальных машин или механизмов, пред­назначенных для выполнения каких-либо новых функций или из­вестных функций, но новым способом, в практике проектирова­ния встречается довольно редко. В большинстве случаев создавае­мая конструкция представляет собой итог работы проектировщи­ков нескольких поколений. Тем не менее всякое вновь проектируе­мое изделие имеет элемент оригинальности. Разнообразие назна­чений, форм и размеров сварных конструкций, а также прогресс техники и технологии не позволяют конструктору просто повто­рять готовые решения. Поэтому проектирование — творческая за­дача, не исключающая разумной конструктивной преемственности. Оптимальными являются такие конструктивные формы, которые отвечают служебному назначению изделия, обеспечивают надеж­ную работу в пределах заданного ресурса, позволяют изготовить изделие при минимальных затратах материалов, труда и времени. Эти признаки определяют понятие технологичности конструкции. Кроме того, необходимо, чтобы конструкция отвечала требовани­ям технической эстетики. Эти требования должны соблюдаться на всех стадиях проектирования конструкции и в процессе ее изготов­ления.

На этапе эскизного проектирования выявляют принципиаль­ную возможность обеспечения заданных служебных свойств изде­лия при различных вариантах конструктивного оформления и оце­нивают их технологическую целесообразность.

Генеральное конструктивное оформление обычно предопреде­ляется предшествующим опытом создания изделий данного типа. Напротив, выбор формы и размеров отдельных элементов конст­рукции определяется параметрами и особенностями данной проек­тируемой машины. При проектировании этих элементов одновре­менно с выбором материала и метода получения заготовок конст­руктор назначает расположение сварных соединений, их тип и способ сварки. Таким образом, основные вопросы технологичности сварных конструкций решаются уже на первом этапе проектиро­вания путем умелого использования богатых возможностей компо­новки из отдельных заготовок и применения наиболее прогрессив­ных приемов изготовления с помощью сварки.

Технолог не в состоянии эффективно использовать передовую технологию там, где конструкция разработана без учета техноло­гичности. Поэтому на всех стадиях проектирования сварной конст­рукции при отработке технологичности конструктивных решений

25

обязательно участие технологов-сварщиков, которое обеспечивает­ся как через технологические отделы конструкторских бюро, так и путем согласования с отделом главного сварщика.

На стадии технического проекта конструкции всех основных узлов и наиболее трудоемких деталей обычно разрабатывают в нескольких вариантах, которые затем сравнивают по их техноло­гичности и надежности в эксплуатации. В случае необходимости при этом производят расчеты трудоемкости изготовления, метал­лоемкости и других показателей. Не всегда удается изыскать ва­риант, существенно превосходящий все другие. Тогда выбор про­изводят на основании того показателя, который в данном случае является решающим.

На этапе рабочего проектирования производят детальную тех­нологическую проработку принятого варианта конструкции. В пер­вую очередь прорабатывают чертежи и технические условия на крупные заготовки, в особенности поставляемые извне, затем чер­тежи всех основных узлов и деталей и технические условия на их изготовление, сборку, монтаж и испытания. Рабочие чертежи направляют в отдел главного сварщика. Здесь при разработке рабо­чей технологии спроектированной конструкции выявляют недо­статки, связанные в основном с выбором материалов (по их свари­ваемости), видов заготовок, размеров швов и характера подготов­ки кромок, припусков на механическую обработку, допусков фор­мы и размеров, методов контрольных операций. Необходимые изменения по согласованию с конструктором вносят в чертежи и технологическую документацию до запуска изделия в производст­во. В ряде случаев при создании принципиально новых типов сварных конструкций, а также при освоении новых материалов или сварочных процессов к решению наиболее сложных вопросов привлекают научно-исследовательские организации.

На стадии проектирования работа по улучшению технологич­ности обычно проводится в основном по трем направлениям.

1. Экономия металла. Поиск наилучших конструктивных форм, возможно более точный учет характера и значений действующих нагрузок, применение уточненных методов расчета позволяют конструктору экономить металл, устраняя излишний запас проч­ности, уменьшая массу металла, слабо участвующего в работе. Целесообразно вместо пространственных решетчатых конструкций использовать оболочковые; требования высокой жесткости удовлет­ворять, применяя гнутые или гофрированные тонколистовые, а также сотовые элементы; при работе на продольную устойчивость использовать трубчатые элементы. f~Bbi6op металла открывает большие возможности снижения массы изделия. Наибольшая эко­номия металла может быть получена при использовании прочных и высокопрочных сталей и сплавов с высокой удельной прочностью (алюминиевых, титановых). Снижению массы изделия способству­ет также применение более прочных холоднокатаных элементов вместо горячекатаных. Повышение прочности, а следовательно, и снижение массы изделия достигается термообработкой. Однако повышение прочности металла нередко сопровождается ухудшени­ем его свариваемости или снижением сопротивления разрушению. Поэтому экономия металла за счет повышения его прочности це­лесообразна только при учете этих факторов. Большие перспекти­вы имеет применение композиционных материалов, например двухслойных сталей.

2. Снижение трудоемкости изготовления. В этом плане важ­ным является выбор размеров и метода получения заготовок, а также приемов их сварки. При проработке конструктивной схемы и ориентировочном подсчете размеров сечений еще не имеет суще­ственного значения, будет ли конструкция монолитной или сварной. Вопросы, непосредственно связанные со сваркой, возникают при членении изделия на отдельные заготовки. Намечая расположение сварных соединений, проектировщик не только задает форму и размеры отдельных заготовок, айв значительной степени пред­определяет решение ряда конструктивных и технологических во­просов, таких, как методы получения заготовок, типы соединений, приемы сварки и т. д. Поэтому выбор варианта расчленения весь­ма важен с точки зрения его влияния на технологичность конст­рукции.

При проектировании уникальных изделий большого размера и массы членение нередко является единственно возможным реше­нием задачи, так как изготовить их целиком не позволяет недоста­точная мощность существующего оборудования. При членении сложных деталей желательно сочетать простоту форм отдельных заготовок с рациональным расположением сварных соединений. Так, например, цельнолитую сложную стальную отливку большого размера приходится формовать в полу цеха с большими затратами ручного труда. Переход к сварному варианту из небольших про­стых литых заготовок позволяет применить машинную формовку и значительно сократить трудоемкость.

Нередко условия нагружения различных частей сварной конст­рукции различаются весьма заметно. В этом случае целесообраз­но выбирать материалы и методы получения заготовок с учетом различия требований к механическим свойствам отдельных частей.

При выборе метода сварки конструктор должен учесть свари­ваемость металла заготовок, назначить тип соединения и обеспе­чить удобство выполнения сборочно-сварочных операций. Достав­ка крупных сварных изделий к месту эксплуатации целиком не­редко оказывается невозможной или нецелесообразной. В этом случае часть сварочных операций выполняют при монтаже. Под­ход к выбору метода сварки и конструктивному оформлению сое­динений для заводской и монтажной сварки может быть различ­ным. Поэтому размеры элементов и места расположения монтаж­ных швов назначают одновременно с выбором метода сварки. Вы­бор метода сварки обычно включает назначение типа сварного соединения, приемов его выполнения и применяемого присадочно­го металла, а также термообработки, если это необходимо. Эти данные предопределяют механические свойства сварного соедине­ния и значения допускаемого напряжения, что необходимо для выполнения расчетов на прочность.

На стадии рабочего проектирования конструктивное оформле­ние сварных соединений прорабатывается более детально. На чер­тежах указываются характер обработки кромок, допуски на раз­мер с учетом припусков на последующую механическую обработку узла или изделия.

Вопросы точности и стабильности размеров конструкции, ко­нечно, не исчерпываются выбором метода сварки. Существенным является учет сварочных деформаций и напряжений, назначение технологических мероприятий по их предотвращению и устране­нию. Этот круг вопросов решают на стадии рабочего проектирова­ния как с целью обоснования значений допусков и припусков, так и с точки зрения целесообразности проведения термообработки. Многие весьма ответственные изделия вполне надежно работают после сварки без какой-либо термической обработки. С другой стороны, применение термообработки нередко заметно улучшает механические свойства и структуру сварных соединений, способст­вуя повышению их работоспособности. Неоправданное назначение операции термообработки может существенно увеличить трудоем­кость изготовления изделия, в особенности в условиях серийного

производства. Проводить послесварочную термо­обработку или отказать­ся от нее — решают, при­нимая во внимание хими­ческий состав металла, метод сварки и присадоч­ный металл, конструктив­ное оформление соедине­ний и узлов, требования к механическим свойст­вам, условия эксплуата­ции и т. д.

3. Экономия временя. Наибольшая экономия времени достигается в ус­ловиях непрерывного по­точного автоматизирован­ного производства при крупносерийном и массовом выпуске продук­ции, когда все операции согласованы во времени и выполняются ме­ханизмами. Следовательно, при проектировании сварных изделий конструктор должен обеспечить эффективность их изготовления с помощью высокопроизводительных механизмов и автоматиче­ских устройств. Однако доля сварных конструкций, изготовляемых в условиях серийного и массового производства, относительно не­велика. В мелкосерийном производстве эффективно использовать поточные методы изготовления позволяют типизация и нормализа­ция. Важно осуществить рациональный выбор системы конструк­ции и размерных ее параметров. Изыскание прогрессивных конст­руктивных форм и технологий позволяет проектировщику ограни­чить количество типоразмеров и тем самым увеличить серийность 28
выпускаемых изделий. Рассмотрим решение этих вопросов на при­мере стропильных ферм, серийному производству которых препят­ствует большое число типоразмеров и множество коротких раз­лично ориентированных швов, а также необходимость кантовки под сварку уже собранной фермы. В настоящее время разработа­на типовая конструкция стропильной фермы из минимального чис­ла деталей (рис. 13,1,а). Типоразмеры различаются по размерам сечений элементов при сохранении неизменными длины фермы /== 12 м и высоты /і=1,5 м. Компоновки из таких ферм позволяют сооружать перекрытия пролетом более 12 м (рис. 13,1,6). Это по­зволяет увеличить выпуск таких типовых ферм до 400 ООО шт. в год, что обеспечивает возможность перехода к их крупносерийно­му производству. Кроме того, ограниченное число деталей, их легкая сборка, возможность использования точечной контактной сварки, не требующей кантоьки фермы, — все это позволяет орга­низовать производство ферм в условиях автоматической поточной линии.

В случае, когда увеличить серийность выпуска изделия не уда­ется и изготовление конструкции предполагается в условиях мел­косерийного производства, конструктору следует так подбирать типоразмеры узлов и элементов, чтобы о-ни соответствовали фор­мам и размерам нормализованной технологической оснастки.