Влияние точности и качества поверхностного слоя заготовки
РАЗДЕЛ 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК
Назначение и тенденции развития заготовительного производства.
ЕС ТПП. Основные понятия.
Основное назначение заготовительного производства состоит в обеспечении механических цехов предприятий высококачественными заготовками. В машиностроении используют заготовки, получаемые литьем (~40%), обработкой давлением (~10%), сваркой (~43%), а также из пластмасс (~5%) и порошковых материалов.
Средняя трудоемкость заготовительных работ составляет 40…45% в общей трудоемкости изготовления машин. В настоящее время более 85% предприятий мирового машиностроения работает по принципам единичного, мелкосерийного и серийного производства, то есть оно стало многономенклатурным. При этом от 30 до 60% металла в процессе изготовления заготовок идет в отходы (литниковые системы, прибыли, облой, угар и др.), что вырастает в проблему рационального использования ресурсов. Основные направления в решении этой проблемы связаны с оптимальным выбором материала детали и способа изготовления заготовки, включая его технико-экономическое обоснование. В этой связи совершенствование заготовительного производства заключается в максимальном приближении формы и размеров заготовки к форме и размерам детали.
Основная тенденция развития заготовительного производства заключается в сокращении трудоемкости механической обработки резанием при изготовлении деталей машин за счет повышения точности и качества поверхностного слоя заготовок при наименьшей их себестоимости.
Единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП), установленная госстандартами, призвана решать следующие основные задачи: обеспечение технологичности конструкции изделия, разработка технологических процессов получения заготовок и их механической обработки, проектирование и изготовление средств технологического оснащения, организация и управление ТПП.
Выбор заготовок для ответственных деталей машин является задачей конструктора. Если заготовка не задана директивно, то ее вид определяют технологи - проектировщики технологического процесса изготовления деталей, а способ изготовления разрабатывают специалисты заготовительного производства.
Заготовкойсогласно ГОСТ 3.1109-82 называется предмет труда, из которого изменением формы, размеров, свойств поверхности и (или) материала изготавливают деталь. Исходная заготовка - продукт металлургического передела (жидкий расплав, слиток, прокат), предназначенный для получения заготовки. Различают три основных вида заготовок: машиностроительные профили, штучные и комбинированные заготовки.
Припуском Z0 называют слой металла на поверхности заготовки, предназначенный для удаления при последующей механической обработке с целью получения заданных свойств обработанной поверхности детали. Припуски назначают только на те поверхности детали, точность размеров, шероховатость и требуемая форма которых не могут быть достигнуты принятым способом получения заготовки.
Напусками называют дополнительные объёмы металла заготовки (1-5), упрощающие её конфигурацию, связанные с технологическими особенностями её изготовления или вызванные её некратностью (6) при раскрое исходного прутка.
Существует три способа определения припуска: табличный, расчетно-аналитический и на основе теории размерного анализа. Табличный способ применяют в условиях мелкосерийного типа производства заготовок: припуск назначают по таблицам ГОСТов или ОСТов независимо от маршрута технологического процесса механической обработки детали. Достоинство табличного способа - простота определения припуска, недостаток – несколько завышенная величина припуска.
Выбранному способу получения заготовки должна соответствовать минимальная норма расхода материала на деталь Мн (кг.):
Мн = Мд+Мотх.з.+Мотх.мех.,
где Мд – масса детали по конструкторскому чертежу; Мотх.з. – масса отходов на заготовительном переделе; Мотх.мех – масса отходов (стружка) при механической обработке заготовок.
Мд (кг) определяется произведением объёма детали V на плотность материала :
где размерность объёма - мм3; размерность плотности - г/мм3 (плотность стали в расчетах можно принимать = 0,00785 г/мм3).
Массу детали рекомендуется определять на основе её 3D-модели, полученной с использованием современных САПР. Снижение Мд достигается за счет отработки конструкции изделия на технологичность, применения более качественных материалов и экономичных профилей проката. Величина Мотх.з. зависит от массы прибылей и ЛПС для отливок, величины облоя, выдры и угара металла при ОМД. Величина Мотх.мех зависит от размеров припусков и напусков металла, идущего в стружку, отходов пруткового материала при его раскрое или использовании прутка большего диаметра. Масса, с которой заготовка поступает на первую операцию механической обработки, называется массой заготовки Мз (кг):
Мз= Мд + Мотх.мех.
4.2.Точность и качество поверхности заготовок. Под точностью заготовки понимают её соответствие требованиям чертежа и технических условий на её изготовление. Точность заготовок характеризуется как геометрическими (отклонения размеров, формы и расположения поверхностей), так и физико-механическими свойствами (твердость, прочность, плотность, теплопроводность и др.). Различные способы изготовления заготовок обладают различной точностью. Поверхностный слой заготовки качественно отличается от материала её сердцевины. Качество поверхностного слоя характеризуют две группы параметров: геометрические (волнистость, шероховатость, субмикронеровности) и физико-механические (химический состав, микроструктура, микротвердость; величина, знак и глубина залегания остаточных напряжений и др.). Качество поверхностного слоя определяется свойствами материала и технологией изготовления заготовки.
Влияние точности и качества поверхностного слоя заготовки
на структуру её механической обработки
Поверхности деталей машин делятся на необрабатываемые и обрабатываемые резанием. Поэтому все детали машиностроения можно условно разделить на три группы.
К первой группе относятся детали, точность и качество поверхностного слоя которых могут быть обеспечены тем или иным способом получения заготовки без какой-либо механической обработки. Производство таких деталей наиболее дешево и открывает путь к безотходной или малоотходной технологии.
Ко второй группе относятся детали, у которых все поверхности должны быть обработаны механически, так как отсутствуют способы получения заготовок, обеспечивающие требуемую точность и качество поверхности, или их применение экономически нецелесообразно в условиях существующего типа производства, так как расходы на оснастку для заготовительных процессов (штампы, пресс-формы) могут превысить экономию на механической обработке.
Третью наиболее многочисленную группу составляют детали, у которых часть поверхностей не обрабатывается, а наиболее точные исполнительные поверхности
подлежат обработке резанием. Поэтому в структуре любого машиностроительного завода помимо заготовительных цехов имеются механические цехи, в которых заготовки превращаются в детали путем снятия с их поверхностей припусков на обработку. Проиллюстрируем сказанное на примере литой детали «Корпус подшипника», всем обрабатываемым поверхностям которой присвоены номера.
Точность и шероховатость пронумеро-ванных поверхностей различны. Заготовка в процессе её превращения в деталь проходит ряд этапов, каждый из которых обеспечивает получение определенной точности и качества поверхностей. Поэтому маршрут обработки поверхностей детали можно представить графически в виде таблицы. Поверхности 2-4, 6-9 нуждаются в черновой обработке, базовая поверхность 1 подвергается в черновой и получистовой обработке, исполнительная поверхность 5 требует черновой, получистовой и чистовой обработки для обеспечения точности размера Ø60Н7 и шероховатости поверхности Ra 0,63 мкм. Анализ таблицы показывает, что длительность технологического процесса изготовления детали определяется длительностью маршрута обработки наиболее точной поверхности 5 – отверстия под подшипник.
Маршрут и этапы обработки поверхностей детали «Корпус подшипника»
| Квалитет точности по ГОСТ 25347-82 | Номера поверхностей детали | Наименование этапа обработки | |||||||||
| 1.Заготовительный | |||||||||||
| 2.Черновой | |||||||||||
| 3.Получистовой | |||||||||||
| 4.Чистовой | |||||||||||
| 5.Отделочный | |||||||||||
Если повысить точность изготовления отливки корпуса до 13 квалитета, применив специальный способ литья в оболочковые формы (см. табл.), то необходимость в механической обработке поверхностей 2-4 и 6-9 отпадает. Однако стоимость получения такой отливки существенно возрастет. Если получать отливку литьем по выплавляемым моделям, обеспечивающим получение размеров по 11 квалитету, то на долю механической обработки останется только получистовое фрезерование поверхности 1, чистовое растачивание поверхностей 5,6,9 и обработка отверстия М10 (поверхность 10). При этом точность поверхностей 2-4, 7-8 окажется избыточной. Стоимость такой заготовки окажется еще более высокой.
Таким образом, точность и качество поверхностного слоя заготовки оказывают существенное влияние на структуру технологического процесса механической обработки заготовки и её себестоимость.
4.4. Себестоимость детали (см. рис.) структурно можно представить в виде непрерывной функции Сд = f(Т), где Т – точность заготовки, выраженная допуском соответствующего квалитета:
Сд = См + Сз + Сп + Сч + Со, (руб.)
где См – стоимость материала заготовки; Сз – стоимость изготовления заготовки; Сп, Сч, Со – стоимость соответственно предварительной, чистовой и отделочной механической обработки резанием.
Практика машиностроения показывает: с увеличением точности изготовления заготовок (допуск Т мал) снижаются затраты на материал См, резко возрастают расходы на изготовление заготовок Сз, затраты на предварительную Сп, а иногда и чистовую обработку Сч отпадают; снижение точности изготовления заготовок (допуск Т большой) сопровождается увеличением затрат на материал См, снижением затрат на изготовление заготовок Сз и резким возрастанием расходов на все этапы предварительной Сп, чистовой Сч и отделочной Со механической обработки заготовок. Поэтому в каждом конкретном случае нужно искать такой компромиссный вариант получения заготовки, который обеспечивал бы минимальную себестоимость изготовления детали.
4.5. Технологичность заготовок. Показатели технологичности.По ГОСТ 14.205-83 под технологичностью заготовки понимают, насколько она соответствует требованиям производства и обеспечивает надежность работы детали в условиях эксплуатации. Технологичность, как правило, закладывается на стадии проектирования, поэтому от конструктора требуется высокий уровень технологической подготовки. Отработанная на технологичность заготовка не должна усложнять последующую механическую обработку. Различают качественные и количественные показатели технологичности. Количественные показатели: трудоёмкость изготовления заготовки, технологическая себестоимость изготовления, коэффициент использования материала (металла).
Трудоемкость изготовления заготовки представляет собой суммарные затраты времени на производство заготовки по всем технологическим операциям. На ранних стадиях проектирования трудоемкость оценивается по трудоемкости типовой заготовки, аналогичной по форме, точности и технологии изготовления, в виде:
,
где 
- трудоемкость соответственно проектируемой и типовой заготовок; 
- масса соответственно проектируемой и типовой заготовок.
Чем меньше соотношение трудоемкостей Тмех/Тзаг, тем технологичнее заготовка.
Технологическая себестоимость изготовления заготовки состоит из следующих элементов:
Сз = М + З + И + О, руб./шт.
где М – стоимость материала заготовки; З – заработная плата производственных рабочих; И – возмещение износа оснастки; О – расходы, связанные с содержанием и эксплуатацией оборудования за время изготовления одной заготовки.
Все элементы себестоимости взаимосвязаны: изменение вида заготовки вызывает изменение затрат на механическую обработку, изменение конструкционного материала может вызвать изменение номенклатуры технологического оборудования.
Обобщенный коэффициент использования материала – это отношение массы детали к норме расхода материала на деталь: КИМ = Мд/Мн 1.
На заготовительной стадии производства пользуются коэффициентом выхода годного КВГ = Мз/Мн 1. На обрабатывающей стадии применяется коэффициент весовой точности КВТ = Мд/Мз 1. Следует помнить, что КИМ = КВГ КВТ = Мд/Мн.
Если КИМ 0,98 - технология считается безотходной, при 0,9 КИМ < 0,98 – малоотходной, при 0,78 КИМ < 0,9 обеспечивается средний уровень ресурсосбережения.
Таблица 1
Средние значения КВГ, КВТ, КИМ для заготовок [13 ]
| Вид заготовки | КВГ | КВТ | КИМ |
| Отливки | 0,7…0,5 | 0,85…0,8 | 0,6…0,4 |
| Обработка давлением | 0,95…0,65 | 0,7…0,55 | 0,67…0,36 |
| Прокат | 0,9…0,75 | 0,7…0,5 | 0,63…0,38 |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите проблемы заготовительного производства и тенденции его развития.
2. Какие заготовки используют в машиностроении?
3. Перечислите основные задачи, решаемые системой ЕСТПП в машиностроении.
4. Дайте определения понятий заготовка, исходная заготовка, припуск, напуск.
5. В каких случаях назначаются припуски на механическую обработку заготовок?
6. Назовите способы определения припусков.
7. Как определяется норма расхода материала на деталь?
8. Дайте определение массы заготовки.
9. Предложите меры по снижению составляющих нормы расхода материала.
10. Дайте оценку влияния точности и качества поверхностного слоя заготовки на структуру её механической обработки.
11. Почему с увеличением точности изготовления заготовок резко возрастают расходы на изготовление заготовок Сз?
12. Почему с увеличением точности изготовления заготовок снижаются затраты на материал См?
13. Что понимают под технологичностью заготовок и какими показателями она определяется?
14. Как обеспечивается технологичность заготовок на стадии проектирования?