Выбор и экономическое обоснование метода получения заготовки
ГЛАВА 4
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ «КОЛЕСО ЗУБЧАТОЕ»
Назначение и конструкция обрабатываемой детали
Рассматриваемая деталь «Колесо зубчатое» применяется в сборочной единице для передачи крутящего момента. Данная деталь применяется в приводах сверлильных, фрезерных, расточных бабках агрегатных станков.
Общий вид детали показан на рисунке 4.1.
1,3 — поверхности для установки колеса плотно к валу, 2 — зубья для передачи крутящего момента, 4 — отверстие для установки колеса в вал, 5 – шпоночный паз, 6 — резьбовое отверстие
Рисунок 4.1 — Конструкция детали «Колесо зубчатое»
Примечание — Источник: собственная разработка на основании данных предприятия
Чтобы установить функциональную роль каждого элемента и поверхности детали, следует иметь ввиду, что с конструкторской точки зрения различают исполнительные, вспомогательные и свободные поверхности, основные и вспомогательные базы.
В данной детали к исполнительным относятся поверхности 1, 2, 3 и 4. Зубья 2 служат для передачи крутящего момента от одной ступени к другой. Поверхности 1 и 3 служат для установки колеса зубчатого плотно к валу. Отверстие 4 служит для установки колеса на вал.
К вспомогательным относятся резьбовые отверстия 6 и шпоночный паз 5 которые выполняют вспомогательные функции. Резьбовые отверстия используются для закрепления крышки, а шпоночный паз предотвращает от прокручивания колеса.
Деталь «Колесо зубчатое» изготавливается из легированной стали 40Х ГОСТ 4543-71, имеющей химический состав и механические свойства, указанные в таблицах 4.1 – 4.2.
Таблица 4.1— Химический состав стали 40Х (ГОСТ 4543-71)
| С | Si | Mn | Cr | Ni | S | P |
| 0,36-0,44 | 0,17-0,37 | 0,5-0,8 | 0,8-1,1 | 0,3 | 0,035 | 0,035 |
Примечание — Источник: [24, с. 356]
Таблица 4.2 — Механические свойства стали 40Х (ГОСТ 4543-71)
| σт | Σв | δ , % | Ψ , % | α H | HB(Не более) |
Примечание — Источник: [24, с. 384]
Выбор и экономическое обоснование метода получения заготовки
В современном машиностроении для получения заготовки для изготовления детали используется большое количество разнообразных технологических процессов и их сочетаний. Основными из них являются:
- различные способы литья: в земляные формы, в кокиль, центробежное литьё, по выплавляемым моделям, в оболочковые формы, под давлением;
- различные способы пластической деформации металлов: свободная ковка, штамповка на ГКМ, штамповка на молотах и прессах и другие;
- комбинированные методы: штамповки и сварки, литья и сварки и другие;
- резка, сварка, пайка и другие.
В крупносерийном и массовом производстве детали типа вал рационально получать методами пластического деформирования: ротационным обжатием штамповкой на ГКМ, ковкой и др.
Следовательно, из нескольких возможных вариантов превращения заготовки в готовую деталь, необходимо использовать наиболее экономичный.
Заготовка для детали «Колесо зубчатое» по базовому технологическому процессу изготавливают из проката. Но можно получить заготовку штамповкой на ГКМ.
Сопоставим два варианта технологического процесса изготовления заготовки для детали «Колесо зубчатое» из прутка и штамповки на ГКМ.
Данные (показатели) по первому и второму вариантам определения стоимости заготовок сводим в таблицу 4.3. Определяем стоимость сравниваемых заготовок.
Стоимость заготовки (Sзаг1), полученной из проката определяется по формуле (4.1).
Sзаг1 = Q × S – (Q – q) × Sотх/1000, (4.1)
где Q и q — масса заготовки и детали, кг;
S и Sотх — стоимость заготовки и стружки, р.
Sзаг1 = 17,0 × 1850 – (17,0 – 11,5) × 180000 / 1000 = 30460 р.
Таблица 4.3 — Данные для расчётов стоимости заготовок при различных способах получения
| Наименование показателей | Первый вариант | Второй вариант |
| Вид заготовки Класс точности Группа сложности Масса заготовки Q, кг Стоимость 1кг. заготовки Сi, р. Стоимость 1т. стружки Sотх, р. | Прокат Ø186×80 17,0 | Штамповка на ГКМ Т4 М2 14,4 |
Примечание — Источник: собственная разработка на основе данных предприятия
Стоимость заготовки (Sзаг2) полученной на ГКМ определяется по формуле (4.2).
Sзаг2 = (S · Q · kт · kс · kв · kм · kп) – (Q – q) · Sотх / 1000, (4.2)
| где | kт | — | коэффициент, зависящий от класса точности (kт =1); |
| kс | — | коэффициент, зависящий от группы сложности (kс = 0,87); | |
| kв | — | коэффициент, зависящий от массы (kв = 0,89); | |
| kм | — | коэффициент, зависящий от марки материала (kм = 1); | |
| kп | — | коэффициент, зависящий от объёма производства (kп =1). |
Sзаг2 = (2400 · 14,4 · 1 · 0,87 · 0,89 · 1 · 1) – (14,4 – 11,5) · 180 = 26240 р.
Заготовки, полученные различными способами показаны на рисунке 4.2.
а) б)
а) — получена из проката, б) — получена штамповкой на ГКМ.
Рисунок 4.2 — Заготовка детали «Колесо зубчатое»
Примечание — Источник: собственная разработка на основе данных предприятия
Масса заготовки из проката по таблице 4.3 составляет 17,0 кг.
Масса заготовки, полученная штамповкой, по таблице 4.3 составляет 14,4 кг.
Коэффициент использования (kи.м.) материала определяется по формуле (4.3).
kи.м = Мдет / Мзаг, (4.3)
где Мдет — масса детали, кг.;
Мзаг — масса заготовки, кг.
kи.м = 11,5 / 14,4 = 0,8.
Экономический эффект (Эзаг) для сопоставленных способов получения заготовок определяется по формуле (4.4).
Эзаг = (Sзаг – Sзаг2) · N, (4.4)
| где | Sзаг1, Sзаг2 | — | стоимость заготовок, получаемых соответствующими способами, р. |
| N | — | годовая программа, шт. |
Эзаг = (30460 – 26240) · 3500 = 14770000 р.
Анализ полученных данных по двум вариантам даёт возможность говорить о более рациональном, с экономической точки зрения, выборе заготовки, полученной штамповкой на ГКМ.
Выбор варианта технологического маршрута
Для оценки базового технологического процесса необходимо подвергнуть его подробному разбору, результаты которого будут предпосылкой для разработки нового варианта технологического процесса. Анализ проводится с точки зрения обеспечения заданного качества изделия и производительности обработки.
Технологический процесс изготовления детали включает в себя ряд операций связанных с изменением размеров и свойств материала заготовки. Базовый технологический процесс состоит из 8 механических операций.
Принятую технологическую общую последовательность обработки логически следует считать целесообразной, так как при этом соблюдаются принципы постепенности формирования свойств и формы обрабатываемой детали. Свойства детали формируются поэтапно — от операции к операции, поскольку для каждого способа обработки (точение, шлифование и т.д.) существуют возможности исправления исходных погрешностей заготовки и получения требуемой точности, шероховатости и качества обрабатываемых поверхностей. Это объясняется, прежде всего, физической сущностью способов обработки а, также действием таких факторов, как упругие деформации системы СПИД, нагрев и пластическая деформация поверхностных слоёв обрабатываемых деталей и других, определяющих точность и другие показатели качества обработки деталей различными методами.
Метод получения заготовки, указанный в данном технологическом процессе выбран нерационально и имеет маленький коэффициент использования металла. Заменим заготовку, полученную из проката на заготовку штамповкой на ГКМ.
Наибольшее количество поверхностей подлежит обработке точением. На токарных операциях производится обработка поверхностей с учётом припусков на чистовую обработку, где это обусловлено чертежом.
На первой токарной операции применяется универсальный станок. Заменим универсальные станки 16К20 на операции 005 на станок с ЧПУ 16К20Ф3, в связи с чем уменьшится время обработки и уменьшится себестоимость изделия. Обработку будем вести с применением импортных резцов, которые на несколько порядков больше по стойкости и по режимам резания.
Таблица 4.4 — Базовый вариант технологического процесса
| № операции | Наименование операции | Модель станка |
| Токарно-винторезная Токарная с ЧПУ Зубофрезерная Горизонтально-протяжная Радиально-сверлильная Внутришлифовальная Плоскошлифовальная Зубошлифовальная | 16К20 16К20Ф3 53А80 7Б510 2К52 3М227ВФ2 3Д711В11 5В833 |
Примечание — Источник: [17, с. 68]
Оборудование, используемое в технологическом процессе, с учётом заменённого, по габаритным размерам обрабатываемой детали, достигаемой точности, шероховатости поверхности, своим габаритам соответствуют требуемым условиям обработки данной детали.
На токарных операциях применяется патрон ПР-250, на зубофрезерной операции деталь закреплена на спецоправке, на радиально-сверлильной операции обработку ведем в кондукторе, зубошлифовальной операции деталь закреплена в центрах по ГОСТ 13214-79, на внутришлифовальной операции 7109-0009 ГОСТ 2675-80.
В основном в технологическом процессе применяется стандартный режущий инструмент, что ускоряет технологическую подготовку производства, а также твёрдосплавные режущие материалы и абразивные круги. Обработка детали ведётся с применением смазочно-охлаждающей жидкости, что позволяет вести обработку с более высокими скоростями резания и сохранением оптимальных периодов стойкости инструмента.
В конце технологического процесса деталь проходит окончательный контроль детали, что позволяет проконтролировать соблюдение всех требований, предъявляемых к детали.
Применяется стандартные и специальные измерительные инструменты и контрольные приспособления и приборы.
Более подробно описано в операционных картах технологического процесса обработки детали с указанием оборудования, установочного приспособления, измерительного и режущего инструментов.
С учётом выше изложенного изменённый технологический процесс представим в виде таблицы 4.5.
Таблица 4.5 — Изменённый вариант технологического процесса
| № | Наименование операции | Модель станка | Описание операции |
| Токарная с ЧПУ | 16К20Ф3 | Предварительная обработка с припуском под шлифовки | |
| Токарная с ЧПУ | 16К20Ф3 | ||
| Зубофрезерная | 53А80 | Нарезание зубьев зубчатого колеса с припуском под шлифование | |
| Горизонтально-протяжная | 7Б510 | Протягивание шпоночного паза | |
| Радиально-сверлильная | 2К52 | Чистовая обработка резьбовых отверстий М12 |
| Продолжение таблицы 4.5 | ||||
| Внутришлифовальная | 3М227ВФ2 | Чистовая обработка Ç60Н7 и торца с биением относительно центрального отверстия | ||
| Плоскошлифовальная | 3Д711В11 | Чистовая обработка торца с биением относительно центрального отверстия | ||
| Зубошлифовальная | 5В833 | Чистовая обработка зубьев | ||
Примечание — Источник: собственная разработка на основе данных предприятия
4.4 Расчёт режимов резания
Расчёт режимов резания можно определять табличным методом.
Приведём пример расчёта 030 операции — зубофрезерная. Фрезерование зубчатого колеса z = 68, m = 2,5, длина зубчатого венца lд = 70 мм, степень точности 7 червячной фрезой диаметром 80 мм, z = 12, m = 4.
Находим длину рабочего хода стола (Lр.х) по формуле (4.5).
Lр.х = Lрез + Lвр, (4.5)
где Lрез — длина резания, мм;
Lвр — длина врезания, подвода и перебега инструмента, мм.
Lр.х = 70 + 56 = 126 мм.
Назначаем подачу на оборот детали (So) равную 1,8 мм/об.
Глубина резания (t) равна8,5 мм., т.е. высоте зуба (h).
Период стойкости инструмента (Т) равен 120 мин.
Скорость резания (υ) по справочнику равна 36 м/мин.
Расчёт частоты вращения шпинделя станка (n) производится по формуле (4.6).
n = 1000 · υ / π · d, (4.6)
где υ — скорость резания, м/мин.;
π — математическая константа (π =3,14);
d — диаметр обрабатываемой поверхности, мм.
Уточняем полученное значение частоты вращения по паспорту станка nд = 100 мин -1.
Скорость резания по принятой частоте вращения, выражаем из формулы (4.6) следующим образом
υд = π · d · n / 1000, (4.7)
υд = 3,14 · 176 · 100 / 1000 = 55,2 м/мин.
Определяем мощность (N) по справочнику N = 1,1 кВт.
Определяем основное машинное время обработки (to) по формуле (4.8).
to = Lр.х × (z – 1) / Sм , (4.8)
| где | Sm | — | минутная подача, выбранная по нормативам и паспортным данным станка, мм/мин.; |
| Lр.х | — | длина резания на один зуб детали, мм. |
to = 73,4 мин.
Таблица 4.6 — Сводная таблица резания по операциям
| Номер и наименование операции | Ç, мм | L, мм | i | t, мм | S, мм/об, мм/мин, мм/дв.х | V, м/мин | n, мин-1 | Т0 , мин |
| Токарная с ЧПУ | 49,4 | 4,0 3,3 1,6 | 0,8 0,4 0,8 | 0,17 0,8 0,04 | ||||
| Токарная с ЧПУ | 176,15 176,15 176,15 | 4,0 3,0 1,6 | 0,8 0,8 0,8 | 276,3 276,3 276,3 | 0,17 0,18 0,08 | |||
| Зубофрезерная | 8,5 | 88,2 | 73,4 | |||||
| Горизонтально-протяжная | 5,78 | 0,2 | 4,5 | - | 2,3 | |||
| Радиально-сверлильная | 5,0 1,3 1,75 | 0,2 0,2 1,75 | 0,7 0,08 0,5 | |||||
| Внутришлифовальная | 176,15 | 0,3 0,3 | 1,4 0,3 | 12,5/35 12,5/35 | 800/280 800/140 | 2,1 1,1 | ||
| Плоскошлифовальная | 0,3 | 1,4 | ||||||
| Зубошлифовальная | 0,1 | 0,75 | 12,1 |
Примечание — Источник: собственная разработка на основании данных предприятия
Техническое нормирование
При крупносерийном производстве норма штучного времени (Тшт) определяется по формуле (4.9).
Тшт = То +Тв + Тобсл + Тотд, (4.9)
| где | То | — | основное (технологическое) время, мин.; |
| Тв | — | вспомогательное время, мин.; | |
| Т обсл | — | время на обслуживание рабочего места, мин.; | |
| Т отд | — | время на отдых и личные надобности, мин. |
Для примера определим нормы времени для операции 015 «зубофрезерная».
Основное (технологическое) время (То) затрачивается непосредственно на осуществление технологического процесса, то есть на изменение формы, размеров и качества обрабатываемой поверхности детали То = ∑ Тоi = 73,4 мин.
Вспомогательное время (Тв) расходуется рабочим на действия, обеспечивающие выполнение основной работы. Вместе с основным (технологическим) временем оно составляет оперативное время, определяется по формуле (4.10).
Тв = Туст + Тупр + Тизм, (4.10)
где Туст — время на установку и снятие детали, мин;
Тупр — время на приемы управления станком, мин;
Тизм — время на измерение детали, мин.
Тв = 0,5 + 0,6 + 0,8 = 1,9 мин.
Это время зависит от ряда факторов: измеряемого размера (его величины) и применяемого инструмента, способа достижения размера (мерным инструментом, настройкой системы СПИД на размер или пробными промерами) и, наконец, от точности измерения. В нашем случае время на измерение будет перекрываться основным временем и в расчет штучного времени не входит.
Оперативное время (Топ) составляет 75,3 мин., т.е. основное (технологическое) и вспомогательное время.
Время на обслуживание рабочего места (Тобсл) состоит из двух частей:
- времени на техническое обслуживание рабочегоместа (Ттех), которое затрачивается на смену затупившегося режущего инструмента или правку шлифовального круга, на регулировку и подналадку станка во время работы и на уборку стружки на рабочем месте во время работы. В крупносерийном производстве оно не отделяется от другой части (времени организационного обслуживания) и задается в процентах от оперативного времени.
- времени на организационное обслуживание рабочего места (Торг), которое требуется для раскладки инструмента в начале смены и уборки его в конце смены, осмотра и опробования оборудования, получения инструктажа в течение рабочего дня, смазки и чистки станка в течение смены и уборки рабочего места в конце смены. Это время зависит от типа оборудования и условий работы и задается в процентах от оперативного времени как в массовом, так и в серийном производствах.
Тобсл = 4%, следовательно Тобсл = 3,0 мин.
Время перерывов на отдых и личные надобности (Тотд) зависит от веса обрабатываемой детали, процента машинного времени, величины оперативного времени, характера подачи (ручная или механическая) и определяется в процентах от оперативного времени.
Тотдх = 8%, следовательно Тотдх = 6,0 мин.
Таким образом, норма штучного времени равна:
Тшт = 75,3 + 3,0 + 6,0 = 84,3 мин.
Таблица 4.7 — Расчёт штучного времени по операциям технологического процесса
| Наименование операции | То | Тв | Топ | Тобсл | Тотд | Тшт | |
| Токарная с ЧПУ | 1,01 | 1,3 | 2,31 | 0,1 | 0,2 | 2,61 | |
| Токарная с ЧПУ | 0,43 | 1,1 | 1,53 | 0,06 | 0,12 | 1,71 | |
| Зубофрезерная | 73,4 | 1,9 | 75,3 | 3,0 | 6,0 | 84,3 | |
| Горизонтально-протяжная | 2,3 | 1,2 | 3,5 | 0,14 | 0,28 | 3,92 | |
| Радиально-сверлильная | 1,28 | 0,8 | 2,08 | 0,08 | 0,16 | 2,32 | |
| Внутришлифовальная | 3,2 | 1,2 | 4,4 | 0,18 | 0,36 | 4,94 | |
| Плоскошлифовальная | 1,4 | 0,8 | 2,2 | 0,09 | 0,18 | 2,47 | |
| Зубошлифовальная | 12,1 | 1,6 | 13,7 | 0,55 | 1,1 | 15,35 | |
Примечание — Источник: собственная разработка на основании данных предприятия