В машиностроении применяют следующие методы получения заготовок:
1.1. Литье в песчаные формы. Масса заготовок - до 10 тонн. Минимальная толщина стенки - 3-4 мм. В отливке можно получать отверстия и полости.
Недостатки - низкая точность изготовления, большой дефектный слой, высокая шероховатость.
Обычно этот способ применяют при получении заготовок крупногабаритных корпусных деталей.
1.2. Литье в металлические формы (кокиль). Этот способ применяется при изготовлении большого числа одинаковых отливок из чугуна, стали, цветных сплавов.
Один кокиль можно использовать до нескольких тысяч раз. Кокиль изготавливается из стали или чугуна.
Достоинства - высокое качество отливок, малые припуски на механическую обработку, низкая шероховатость заготовки, возможность автоматизации процесса получения заготовок.
1.3. Центробежное литье. Получают заготовки деталей типа тел вращения. Этим способом можно получить заготовки из сочетания различных материалов (чугун - бронза, сталь - чугун и т.д.) Благодаря центробежным силам заготовки имеют более высокую плотность и мелкозернистую структуру, что приводит к улучшению механических свойств. Недостаток - большой разброс размеров внутренних полостей.
1.4. Литье под давлением. Получают отливки из цветных сплавов. Заготовки отливаются в специальный кокиль.
Достоинства - малая шероховатость и относительно высокая точность.
1.5. Литье по выплавляемым моделям. Чаще всего применяют для изготовления заготовок из труднообрабатываемых материалов. Получают точные отливки с низкой шероховатостью.
1.6. Литье в оболочковые формы. Точные отливки в массовом производстве.
2. Ковка и штамповка.
Существует два способа ковки - свободная ковка и штамповка.
Свободную ковку производят или ударом на молотах или давлением на прессах. Свободной ковкой получают заготовки от самых маленьких до нескольких сотен тонн.
Недостатки - низкие производительность и точность.
Свободную ковку применяют в единичном и мелкосерийном производствах. При серийном и массовом производствах применяют штамповку.
Штамповка аналогична ковке, но «течение» металла при этом ограничено формой - штампом. При этом достигается более высокая производительность, чем при свободной ковке (до нескольких сотен раз) и точность получаемых заготовок.
Штамповка бывает горячей и холодной.
Под заготовкой понимается изделие, из которого изменением формы, размеров, свойств поверхности и (или) материала изготавливают деталь. Для получения детали из заготовки ее подвергают механической обработке, в результате которой удалением слоя материала (припуска) с отдельных (или всех) ее поверхностей получают заданные конструктором на чертеже геометрическую форму, размер и свойства поверхностей детали. Припуск необходим для надежного обеспечения геометрических характеристик и чистоты рабочих поверхностей детали. Величина припуска зависит от глубины дефектов поверхности и определяется видом и способом получения заготовки, ее массой и габаритами.
Кроме припусков при механической обработке удаляются напуски, которые составляют часть объема заготовки, добавляемую иногда для упрощения технологического процесса ее получения.
Заготовки простой конфигурации (с напусками) дешевле, так как не требуют при изготовлении сложной и дорогой технологической оснастки.
Выделяют следующие виды заготовок:
получаемые литьем (отливки);
получаемые обработкой давлением (кованые и штампованные заготовки);
заготовки из проката (получаемые отрезкой);
сварные и комбинированные заготовки;
получаемые методами порошковой металлургии.
Заготовка может быть штучной (мерной) или непрерывной, например пруток горячекатаного проката, из которого разрезкой могут быть получены отдельные штучные заготовки.
Заготовки получают также из конструкционной керамики.
Литьем получают заготовки фактически любых размеров простой и очень сложной конфигурации почти из всех металлов и сплавов, а также и из других материалов (пластмассы, керамики и т.д.). Качество отливки зависит от условий кристаллизации металла в форме, определяемых способом литья. В некоторых случаях внутри стенок отливок возможно образование дефектов (усадочные рыхлоты, пористость, трещины, получающиеся в горячем или холодном состоянии), которые часто обнаруживаются только после черновой механической обработки.
Обработкой металлов давлением получают кованые и штампованные заготовки. Ковка применяется в единичном и мелкосерийном производстве, а также при изготовлении крупных, уникальных заготовок и заготовок с особо высокими требованиями к объемным свойствам материала. Штамповка позволяет получить заготовки близкие по конфигурации к готовой детали. Механические свойства заготовок, полученных обработкой давлением, выше, чем литых.
Сварные и комбинированные заготовки изготовляют из отдельных составных элементов, соединяемых между собой с помощью различных способов сварки. Неправильная конструкция заготовки или неверная технология сварки могут привести к дефектам (коробление, пористость, внутренние напряжения), которые трудно исправить механической обработкой.
Заготовки, получаемые методами порошковой металлургии, по форме и размерам могут соответствовать готовым деталям и требуют незначительной, часто только отделочной обработки.
Заготовки из конструкционной керамики применяют для теплонапряженных и (или) работающих в агрессивных средах деталей.
Поступающие на обработку заготовки подвергают техническому контролю по соответствующей инструкции, устанавливающей метод контроля, периодичность, количество проверяемых заготовок в процентах к выпуску и т.д.
У заготовок сложной конфигурации с отверстиями и внутренними полостями (типа корпусных деталей) в заготовительном цехе проверяют размеры и расположение поверхностей. Для этого заготовку устанавливают на станке, используя ее технологические базы, имитируя схему установки, принятую для первой операции обработки. Отклонения размеров и формы поверхностей должны соответствовать требованиям чертежа заготовки. Заготовки должны быть выполнены из материала, указанного на чертеже, обладать соответствующими ему механическими свойствами, не должны иметь внутренних дефектов (для отливок - рыхлоты, раковины, посторонние включения; для поковок - пористость и расслоения, трещины по шлаковым включениям, «шиферный» излом, крупнозернистость, шлаковые включения; для сварных конструкций - непровар, пористость металла шва, шлаковые включения).
Дефекты, влияющие на прочность и внешний вид заготовки, подлежат исправлению. В технических условиях должны быть указаны вид дефекта, его количественная характеристика и способы исправления (вырубка, заварка, пропитка различными химическими составами, правка).
Поверхности отливок должны быть чистыми и не должны иметь пригаров, спаев, ужимин, плен, намывов и механических повреждений. Заготовка должна быть очищена или обрублена, места подвода литниковой системы, заливы, заусенцы и другие дефекты должны быть зачищены, удалена окалина. Особенно тщательно должны быть очищены полости отливок. Необрабатываемые наружные поверхности заготовок при проверке по линейке не должны иметь отклонений от прямолинейности более заданных. Заготовки, у которых отклонение от прямолинейности оси (кривизна) влияет на качество и точность работы машины, подлежат обязательному естественному или искусственному старению согласно технологическому процессу, обеспечивающему снятие внутренних напряжений, и правке.
Отмеченные на чертеже заготовки базы для механической обработки должны служить исходными базами при изготовлении и проверке технологической оснастки (моделей и приспособлений), должны быть чистыми и гладкими, без заусенцев, остатков литников, прибылей, выпоров, литейных и штамповочных уклонов.
Значительную часть заготовок из стали, чугуна и цветных металлов получают литьем в разовые, постоянные и полупостоянные формы.
К разовым относятся стержневые или песчаные формы (земляные формы), оболочковые формы и формы для литья по выплавляемым моделям.
Песчаные формы изготавливают в опоках или почве ручным и машинным способами. При машинном формовании трудоемкость снижается в 10 раз и более. Одним из показателей технологических возможностей литья в земляные формы является минимальная тол- шина стенки отливки, которая в среднем составляет 6 мм: для чугуна серого - 5 мм, ковкого - 4 мм, для стали - 7 мм, для бронзы - 3 мм. Отверстия заготовок в этом случае образуются благодаря соответствующим стержням (вставкам). Для отливок серийного и массового производства стержни имеют диаметр не менее 30 мм, а для единичного и мелкосерийного производства - не менее 50 мм. Хотя литье в земляные формы имеет сравнительно невысокую точность (14-17-й квалитеты) и значительные припуски на обработку, оно широко применяется для деталей сложной формы из-за дешевизны литых заготовок.
При литье в оболочковые формы стержни изготавливают с использованием в качестве связки жидкого стекла, после чего их собирают, образуя требуемую форму, и заполняют последнюю жидким металлом. При таком виде литья припуски уменьшаются на 25… 30 %, а трудоемкость обработки резанием - на 20…25 % в сравнении с обычным литьем в земляные формы. Шероховатость поверхности отливок На 20… 5 мкм. Такая высокая точность отливок в оболочковые формы позволяет исключить обработку резанием многих поверхностей, а черновую обработку заменить шлифованием. Этот способ литья широко применяют для деталей массой до 100 кг. Процесс получения оболочковых форм прост, высокопроизводителен и удобен для автоматизации. Оболочковую форму обычно собирают из двух половин (склеивают термореактивными клеями) на одно- и многопозиционных полуавтоматах производительностью до 400 полуформ в час. Форма имеет прочные тонкие стенки (толщиной 5…8 мм) из песчано-смоляных смесей (92…95% кварцевого песка и 8… 5 % термореактивной смолы типа бакелит).
Толщина стенок заготовок, отлитых в оболочковые формы, для стали - 5 мм, алюминиевых сплавов - 2 мм, чугуна - до 3 мм. Точность отливок - 13-й квалитет, шероховатость поверхности Ка 10… 2,5 мкм. Область применения - серийное и массовое производство, стоимость оболочкового литья примерно в 2 раза выше земляного.
Литье по выплавляемым моделям применяют для изготовления заготовок небольшой массы (до 3 кг), отличающихся высокой точностью, сделанных из высоколегированных сталей и труднообрабатываемых сплавов Основная цель применения такого литья - максимальное сокращение механической обработки заготовок. Точность - 12-й квалитет, шероховатость поверхности Яа 10… 2,5 мкм. Особенно эффективен этот способ литья при изготовлении заготовок сложной формы, например лопаток турбин, зубчатых колес, лопастей колес вихревых насосов и т.п.
Модель изготавливают из стеарин-парафина в специальной пресс-форме и после затвердевания окунают в жидкую огнеупорную массу, а затем обсыпают промытым кварцевым песком. На поверхности модели образуется слой из жидкой огнеупорной массы и прилипшего песка, который просушивают, потом операцию повторяют до получения нужной толщины стенки огнеупорной формы. Для увеличения производительности труда целесообразно в одной форме отливать группу заготовок по выплавляемым моделям, собранным в так называемую «елку». Трудоемкость и себестоимость литья по выплавляемым моделям зависят от годового выпуска изделий и степени механизации.
Литье в кокиль применяют в основном для изготовления заготовок из цветных сплавов, так как более высокая температура плавления черных металлов вызывает интенсивное изнашивание дорогостоящего кокиля. Последний представляет собой постоянную металлическую разъемную форму, охлаждаемую водой.
Литье в кокиль применяют в серийном и массовом производстве, оно обеспечивает точность в пределах 12 - 14-го квалитетов и шероховатость поверхности отливок На 20… 2,5 мкм. По сравнению с литьем в землю кокильное литье повышает производительность труда в 2 раза, а затраты на формовочные материалы снижаются в 2,5 раза.
В массовом производстве заготовки получают с использованием автоматических многопозиционных установок, на которых осуществляются операции подготовки кокилей и их заливка, выбивка и транспортирование отливок к очистным агрегатам.
Припуск на механическую обработку отливок в кокиль находится в пределах 2…2,5 мм, а литейные уклоны - 2°… 2° 30′.
Литье под давлением в металлические формы применяют для изготовления из цветных сплавов сложных тонкостенных отливок с глубокими полостями и сложными пересечениями стенок. Пресс- формы из жаростойких сплавов допускается нагревать до 1 ООО «С. Поэтому таким способом изготавливают отливки из цинковых, алюминиевых и магниевых сплавов, латуни и бронзы. Отливки имеют мелкозернистую структуру, вследствие чего прочность их в 1,5 раза выше, чем у отливок в землю. Литье под давлением является наиболее высокопроизводительным способом получения литых заготовок.
Заготовки, полученные литьем под давлением, имеют точность по 11 - 12-му квалитетам и шероховатость Ка 5…0,63 мкм. Литье под давлением - высокопроизводительный процесс (200 -400 отливок в час), который выполняется на специальных машинах с применением сложной оснастки. Жидкий металл подается в пресс- форму под давлением 100 МПа. Стойкость пресс-форм составляет для цинкового литья 150000 отливок, для медного - 5000.
Для получения более высокого качества отливок в виде полых тел врашения применяют литье на центробежных машинах. Особенностью этого процесса является образование внутренних полостей без применения стержней.
Центробежным способом получают заготовки из чугуна, стали, бронзы, алюминиевых и других цветных сплавов. Точность отливок по ] 3 - 15-му квалитетам, шероховатость поверхности Па 40… 10 мкм. Преимущества способа по сравнению с литьем в землю - уменьшение расхода жидкого металла до 50 % и уменьшение массы заготовки до 40 %.
Получение заготовок обработкой давлением.
В производстве широко используют единичные заготовки, полученные методом пластического деформирования металла. Основные разновидности этого метода - свободная ковка, штамповка на молотах и прессах, чеканка (калибрование), высадка на горизонтально-ковочных машинах, вальцовка на ковочных вальцах, поперечно-винтовая Прокатка, редуцирование на ротационно-ковочных машинах, холодная высадка на автоматах и штамповка выдавливанием.
Свободной ковкой , осуществляемой на молотах и гидравлических прессах без применения штампов с подогревом заготовки до температуры пластического деформирования, получают поковки массой от нескольких килограмм до сотен тонн в условиях единичного и мелкосерийного производства. Полученные заготовки имеют большие припуски и напуски для обработки резанием, точность их низкая (порядка 17-го квалитета), а дефекптый слой весьма значительный. Этот способ пластического деформирования - грубый, но универсальный и дешевый.
Горячую объемную штамповку с подкладными штампами используют как дополнительную операцию, повышающую точность и производительность свободной ковки при изготовлении мелких и средних заготовок. Применение подкладных штампов рентабельно при минимальных партиях заготовок 50 - 200 шт.
Штамповку можно выполнять на открытых (облойных) и закрытых (безоблойных) штампах на молотах и штамповочных прессах. Масса заготовки до 100 кг. Штампы могут быть одноручьевыми и многоручьевыми. На последних можно получить весьма сложные заготовки с большим перераспределением объемов металла. Пример получения заготовки зубчатого колеса в закрытых и открытых Штампах показан на рис. 6.2.
Горячая штамповка в открытых штампах (рис. 6.2, о) на прессах более производительна, чем на молотах, поскольку на прессе заготовка штампуется за один хол пресса, а на молоте - за несколько ударов.
Штамповкой в закрытых штампах (рис. 6.2, 6) изготавливают обычно заготовки, имеющие форму тел вращения или близкую к ней. При изготовлении сложной заготовки ее предварительно обжимают в специальном штампе, после чего штампуют в закрытом безоблойном штампе. Безоблойная штамповка повышает точность заготовки и снижает расход металла, требует более мощных прессов и точного расчета объема металла, потребного для заготовки.
Чеканку используют для повышения точности и качества заготовок, полученных горячей штамповкой, в этом случае обрабатывают только те поверхности заготовки, к которым предъявляются повышенные требования (поверхности черновых технологических баз).
Различают плоскую и объемную чеканку. В первом случае производят обжатие параллельных плоскостей для получения точных размеров заготовки по высоте, во втором - производят обжатие по всему контуру заготовки Поверхности заготовки перед чеканкой очишают от окалины и заусенцев.
Процесс чеканки выполняют либо в холодном, либо в подогретом состоянии заготовки. Второй вариант используют при чеканке больших или менее ответственных поверхностей. Применяемое оборудование - кривошипно-чеканные и фрикционные прессы или молоты. На первых чеканят поверхности размером до 200 см2.
Высадку на горячековочных машинах (ГКМ) как высокопроизводительный и эффективный способ пластического деформирования металла широко используют в массовом производстве для изготовления заготовок, имеющих форму тел врашения. Исходным материалом служит прокат круглого сечения и трубы диаметром 30…250 мм и длиной до 3…3,5 м, масса заготовок в этом случае колеблется в пределах 0,1… 100 кг, Потери металла составляют всего 1…3% массы заготовки. При одном нагреве исходного материала можно получить несколько заготовок. Штамп на ГКМ (рис. 6.3) состоит из неподвижной 3 и подвижной 2 матриц и пуансона 1. Пруток нагретым концом укладывается в неподвижную матрицу, подвижная матрица зажимает пруток, образуется полость штампа. При движении пуансона формируется головка штамповки. Стойкость штампов составляет 10-20 тыс. заготовок. В некоторых случаях обработку на ГКМ эффективно совмещать с другими видами формообразования заготовки, например со штамповкой в ручьевых штампах или с поперечно-винтовым прокатом.
Штамповка холодным выдавливанием представляет собой пластическое деформирование, при котором металл 3 течет в отверстие матрицы 2 или в зазор между пуансоном 1 и матрицей 2 (рис. 6.4), чем обеспечивается получение тонкостенных заготовок сложной формы. Материалом заготовок служит алюминий, медь, латунь, цинк, мягкая сталь марок 08, 10, 15, 20, 25.
Существует три разновидности холодного выдавливания: прямое, обратное и комбинированное. При прямом выдавливании металл втечет в направлении движения пуансона /, при обратном выдавливании металл под давлением пуансона 1 течет в направлении, обратном движению последнего, заполняя пространство меж-
ду пуансоном и матрицей 2. Форма пространства соответствует форме заготовки.
Процесс штамповки выдавливанием обеспечивает точность 9- 11-го квалитетов, шероховатость поверхности заготовки Ra 80… 20 мкм и коэффициент использования металла - 0,9.-0,98.
Холодную высадку используют для изготовления деталей стержневого типа с утолщениями, выемками и полых деталей с гладкими и ступенчатыми отверстиями (колпачковые гайки, колесные шпильки, шаровые пальцы). Часто этим способом получают детали крепежа: болты, гайки, шурупы, заклепки и т.п. Материал для холодной высадки - сортовой прокат, горячекатаная калиброванная проволока, конструкционная малоуглеродистая сталь.
Основные операции холодной высадки схематично показаны на рис. 6.5. Процесс высокопроизводительный, точность в пределах
10- 12-го кваллитетов, шероховатость поверхности Яа 5 .1,25 мкм, рентабелен только при выпуске изделий 10 - 50 тыс. и более.
Вальцовку на ковочных вальцах применяют для предварительного и окончательного обжатия заготовок деталей, изготавливаемых из полосы или прутка (шатуны, вилки, гаечные ключи, рычаги и т.п.).
Ковочные вальцы имеют два валика, на которых закрепляются половины секторного штампа / (рис. 6 6). Валики синхронно вращаются и при замыкании образуют профиль заготовки 2, которая вводится между половинами штампа и подвергается обжатию. Последнее сопровождается вытяжкой, что ведет к перераспределению объемов металла в 6 -8 раз.
Ввиду кратковременности процесса вальцовки (4… 5 с) сразу же можно выполнять последующую штамповку без дополнительного подогрева. Такое сочетание повышает производительность, снижает расход металла на 10… 15 % и обеспечивает более благоприятное расположение волокон материвла.
Поперечно-винтовую прокатку используют в серийном и массовом производстве для изготовления заготовок с поверхностями тел вращения. Схема процесса приведена на рис. 6.7. Форма заготовки образуется следующим образом: нагретый в высокочастотном индукторе до начальной температуры конки пруток 3 подается в рабочую зону, один конец прутка зажимается захватом 4 механической руки и начинает перемещаться вдоль своей оси со скоростью 10… \2 м/мин. Радиальные перемещения валков 2 (сближение их осей и увеличение расстояния между ними), благодаря которым образуется форма заготовки, обеспечиваются при помощи трех гидроцилиндров 7, которые управляются щупом 6, скользящим по сменному копиру 5.
Рассмотренный способ обеспечивает точность в пределах 14 - 15-го квалитетов. шероховатость поверхности заготовки на 40… 10 мкм, экономию металла 20…30% и повышение физико-механических свойств вследствие более выгодного расположения волокон металла. Его эффективно используют для предварительного формирования заготовок под последующую обработку на ГКМ или в ручьевых штампах. Такое сочетание повышает качество заготовок и производительность обработки.
Листовая штамповка - способ изготовления плоских и полых изделий с помощью штампов из листов, полос и лент из малоуглеродистой стали, меди, магниевых и других цветных сплавов. При толщине листа до 15 мм обработка происходит в холодном состоянии. При штамповке сложных по форме деталей с глубокими полостями исходная заготовка должна обладать высокой пластичностью, мелкозернистой структурой, равномерной толшиной.
Линейная штамповка включает в себя последовательное или параллельное выполнение следующих операций: разделительных (отрезки, вырубки, пробивки) и формоизменяющих (гибки, вытяжки, формовки, обжима, отбортовки). Схемы отрезки различными способами показаны на рис. 6.8, приемы листовой штамповки - на рис 6.9.
В автомобилестроении наиболее распространены вырубка;
(рис. 6.9, а), вытяжка (рис. 69, б, в) и комбинированная штампов- I
ка. Вырубкой по замкнутому контуру изготавливают детали типа шайб, рычагов, крышек, прокладок, вытяжкой - пространственные детали облицовки автомобиля, колпаки, диски колес, бензобаки и т.д.
Достоинства холодной листовой штамповки - малая масса детали при обеспечении требуемой прочности и жесткости, возможность изготовления деталей без применения обработки резанием, значительная экономия металла, малая трудоемкость.
Заготовки из стального нормализованного горячекатаного прутка (ГОСТ 2590-73) применяют для изготовления гладких и ступенчатых валов с незначительным перепадом в размерах диаметров ступеней. Заготовки из стального комбинированного прутка (ГОСТ 7417-86) 9-го квалитета точности используют для изготовления деталей, не подвергаемых обработке по наружному диаметру.
Для деталей крепежа и деталей фасонного профиля применяют прокат по ГОСТ 2591-73 и ГОСТ 8560-83. Изготовление заготовок из стального проката резко сокращает расход металла и объем механической обработки.
Получение заготовок методом порошковой металлургии.
Данный метод используют для изготовления точных деталей без последующей механической обработки. Метод заключается в прессовании смесей металлических порошков в пресс-формах под давлением с
прессовании спекание производят при температуре ниже температуры плавления основного компонента. Прессование и спекание могут осуществляться одновременно путем прессования с нагревом (горячее прессование). Последнее используют только для изготовления деталей массой 10 кг и более или тонких дисков и пластин, имеющих склонность к короблению при спекании.
Порошки получают дроблением предварительно переработанной стружки в шаровых мельницах и на бегунках (величина частиц порошка 0,04…0,1 мм). Измельченные порошки разделяются на фракции при просеивании через металлические или шелковые сита. Смешение порошков производится в барабанах или шаровых мельницах, спекание - в газовых или электрических печах при выдержке от 15 мин до 24 ч п зависимости от размеров изделий и спекаемости материала. Для повышения точности деталей их после спекания калибруют.
Заготовки из пластмасс.
Применение пластмасс позволяет получать заготовки сложной формы и малой массы. Для нагруженных детвлей применяют армирование заготовок металлом. Механическая обработка деталей из пластмасс либо полностью исключается, либо сводится к минимуму. Замена черных и цветных металлов пластмассами в условиях массового производства снижает себестоимость для черных металлов в 1,5-3,5 раза, а для цветных - в 5 - 10 раз.
В практике используют следующие методы изготовления заготовок из пластмасс: прессование, литьевое прессование или литье под давлением для мелких деталей (масса 5… 10 кг); автоклавное литье для деталей массой до 30 кг; контактное и вихревое формирование для средних и крупных деталей; волочение и экструзия для профилей без ограничения длины.
В современном производстве одним из основных направлений развития технологии механической обработки является использование черновых заготовок с экономичными конструктивными формами, обеспечивающими возможность применения наиболее оптимальных способов их обработки, т. е. обработки с наибольшей производительностью и наименьшими отходами. Это направление требует непрерывного повышения точности заготовок и приближения их конструктивных форм и размеров к готовым деталям, что позволяет соответственно сократить объем обработки резанием, ограничивая ее в ряде случаев чистовыми, отделочными операциями.
Снижение трудоемкости механической обработки заготовок, достигаемое рациональным выбором способа их изготовления, обеспечивает рост производства на тех же производственных площадях без существенного увеличения оборудования и технологической оснастки. Наряду с этим рациональный выбор способов изготовления заготовок применительно к различным производственным условиям определяет степень механизации и автоматизации производства.
Машиностроение является крупнейшим потребителем металла. Так, в прошедшей пятилетке в машиностроении было использовано 40% от общего выпуска металлопроката и свыше 77% от общего выпуска чугуна, стали и цветных металлов, при этом около 53% массы металла отошло в отходы, в том числе и безвозвратные.
Учитывая существенное значение в технологии производства повышения качественных показателей изготовления заготовок, в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года», утвержденных на XXVI съезде КПСС, указано на необходимость ускоренного развития специализированных мощностей по производству отливок и штамповок путем реконструкции на новой технической основе действующих и строительства новых литейных и кузнечно-штамповочных заводов и цехов, повышения качества и точности отливок и штамповок за счет внедрения в производство металлосберегающих (безотходных и малоотходных) технологических процессов.
Последовательное использование передовых технологических процессов изготовления заготовок обеспечит необходимую материальную базу для опережающего развития машиностроения, создаст предпосылки для коренного улучшения использования материалов при резком сокращении их потерь и отходов и доведении среднего коэффициента использования металлопередела до 0,59…0,6.
Выбор вида заготовки для дальнейшей механической обработки во многих случаях является одним из весьма важных вопросов разработки процесса изготовления детали. Правильный выбор заготовки - установление ее формы, размеров припусков на обработку, точности размеров (допусков) и твердости материала, т. е. параметров, зависящих от способа ее изготовления, - обычно весьма сильно влияет на число операций или переходов, трудоемкость и в итоге на себестоимость процесса изготовления детали. Вид заготовки в большинстве случаев в значительной степени определяет дальнейший процесс обработки.
Таким образом, разработка процесса изготовления детали может идти по двум принципиальным направлениям:
- получение заготовки, приближающейся по форме и размерам к готовой детали, когда на заготовительные цехи приходится как бы значительная доля трудоемкости изготовления детали и относительно меньшая доля приходится на механические цехи,
- получение грубой заготовки с большими припусками, когда на механические цехи приходится основная доля трудоемкости и себестоимости изготовления детали.
В зависимости от типа производства оказывается рациональным то или иное из указанных направлений или какое-либо промежуточное между ними. Первое направление соответствует, как правило, массовому и крупносерийному производству, так как дорогостоящее современное оборудование заготовительных цехов, обеспечивающее высокопроизводительные процессы получения точных заготовок, экономически оправдано лишь при большом объеме выпуска изделий. Второе направление типично для единичного или мелкосерийного производства, когда применение указанного дорогого оборудования в заготовительных цехах неэкономично. Не следует, однако, изложенное понимать так, что в пределах единичного и серийного производства не могут быть достигнуты целесообразные решения об удовлетворительном качестве заготовок. Наоборот, экономически целесообразное для всякого производства качество заготовок может быть всегда заранее предопределено при правильном подходе к их выбору, а, следовательно, и к установлению способа их изготовления.
Основными видами заготовок в зависимости от назначения деталей являются:
- отливки из черных и цветных металлов;
- заготовки из металлокерамики;
- кованые и штампованные заготовки;
- заготовки, штампованные из листового металла;
- заготовки из проката; сварные заготовки;
Отливки из черных и цветных металлов (рис. 36) выполняют различными способами. Для заготовок простых форм с плоской поверхностью в условиях единичного и мелкосерийного производства применяют литье в открытые земляные формы, для крупных заготовок - литье в закрытые формы. Ручную формовку в опоках по моделям или шаблонам применяют для мелких и средних отливок деталей, имеющих форму тел вращения. В настоящее время получает распространение литье в жидкие быстротвердеющие смеси. Этот способ исключает необходимость сушки форм в печах. В серийном н массовом производстве применяют машинную формовку по деревянным или металлическим моделям. Отливки сложной конфигурации изготовляют в формах, которые собирают из стержней по шаблонам и кондукторам.
Отливки сложных форм из труднообрабатываемых резанием сплавов изготовляют по выплавляемым моделям , при этом обеспечивается точность размеров по 12…11-му квалитетам и шероховатости поверхности R а =6,3…1,6 мкм. По выплавляемым моделям изготовляют отливки как из черных, так и из цветных сплавов, причем в производстве отливок из сплавов, заливка которых должна производиться в холодные формы, применяют сочетание литья по выплавляемым моделям и способа гипсовой формовки.
Точные отливки с небольшими припусками на механическую обработку получают при литье в оболочковые формы . Этот способ, широко распространенный в настоящее время, основан на свойстве термореактивной смолопесчаной смеси принимать форму подогретой металлической модели и образовывать плотную и быстротвердеющую оболочку. Этот способ литья расширяет возможности автоматизации. Отливки имеют точность размеров по 14…12-му квалитетам и шероховатость R а =0,4 мкм.
К прогрессивным способам изготовления литых заготовок относится способ литья в металлические формы (кокили), который исключает процесс формовки, обеспечивает благоприятные условия охлаждения, а также простоту удаления отливок из формы. Перспективно применение податливых металлических форм, изготовляемых из пакетов чистовой, стали, а также тонкостенных водоохлаждаемых форм, в которых рабочая полость изготовляется в виде сменной штамповки. Применение вакуумного отсасывания при кокильном литье расширяет область его использования для изготовления тонкостенных корпусных деталей из алюминиевых и магниевых сплавов, а заливка в открытую форму с последующим выжиманием при смыкании полуформ (метод книжной» формовки) позволяет получать крупногабаритные тонкостенные отливки.
Для изготовления отливок с мелкозернистой структурой металла и повышенными механическими свойствами применяют способ центробежного литья , который получил наибольшее распространение при изготовлении отливок деталей, имеющих форму тел вращения (втулок, груб и т. д.), с точностью по 12-му квалитету.
Для изготовления заготовок деталей сложной конфигурации успешно применяют способ литья под давлением . Прочность отливок, изготовленных этим способом, на 30% выше прочности отливок, изготовленных литьем в земляные формы. Этот способ широко применяют в серийном и массовом производстве при изготовлении небольших деталей сложной формы. Современные автоматы для литья под давлением отливок массой до 300 г обеспечивают производительность до 6000…8000 отливок в час. Шероховатость поверхности заготовок R а =2,5…0,32 мкм.
Заготовки из металлокерамики изготовляют из порошков, различных металлов или из смеси их с порошками, например, графита, кремнезема, асбеста и др. Этот вид заготовок применяют для производства деталей, которые не могут быть изготовлены другими методами - из тугоплавких элементов (вольфрама, молибдена, магнитных материалов и пр.), из металлов, не образующих сплавов, из материалов, состоящих из смеси металла с неметаллами (медь - графит), и из пористых материалов.
Способ получения металлокерамических материалов основан на прессовании тонких металлических порошков в требуемой смеси в пресс-формах под давлением 100…600 МПа и последующем спекании при температуре немного ниже температуры плавления основного компонента. Этот способ носит название порошковой металлургии, и с его помощью изготовляют подшипники скольжения (с антифрикционными свойствами ), тормозные диски (с фрикционными свойствами ), самосмазывающиеся втулки, в которых поры на 20…30% объема под давлением заполняются смазкой (пористые), а также детали для электро- и радиотехнической промышленности (магниты). Достоинством порошковой металлургии также является возможность изготовления деталей, не требующих последующей механической обработки.
Кованые и штампованные заготовки (рис. 37) изготовляют различными способами, технологические характеристики которых приведены в табл. 5.
Так, для получения заготовок деталей в единичном и мелкосерийном производстве применяют ковочные молоты и гидравлические ковочные прессы. Заготовки характеризуются сравнительно грубым приближением к форме готовой детали и требуют больших затрат на последующую механическую обработку.
Для большего приближения формы заготовки к форме готовой детали в мелкосерийном производстве применяют подкладные штампы . Заготовку, предварительно выполненную свободной ковкой с помощью универсального кузнечного инструмента, помещают в подкладной штамп, где она принимает форму, более близкую к форме готовой детали.
В серийном и массовом производстве заготовки изготовляют на штамповочных молотах и прессах в открытых и закрытых штампах. В первом случае образуется облой, т. е. отход лишнего металла в результате истечения; облой компенсирует неточность в массе исходной заготовки. Во втором случае облой отсутствует, следовательно, расход металла на заготовку меньше. Технологическими процессами, интенсифицирующими технологию штамповки, являются: штамповка заготовок из центробежных отливок и отливок в кокиль, штамповка методом выдавливания в обычных закрытых и разъемных штампах, безоблойная штамповка, штамповка из периодического проката, объемная штамповка из заготовок, полученных непрерывной разливкой стали.
Штамповка заготовок, отлитых методами центробежного и кокильного литья
, предназначается для изготовления заготовок типа пустотелых цилиндров, минуя процессы разливки стали в слитки и последующую их прокатку и расковку. При этом процессе заготовки для последующей штамповки или раскатки отливаются на центробежной машине, а затем в горячем виде (при t=1250…1300°С) извлекаются из кокиля или центробежной машины.
Метод выдавливания особенно эффективен при совмещении его с индукционным нагревом для изготовления таких крупных заготовок, как валы, валки, роторы и т. п.
Значительно большую экономию металла можно получить при внедрении прогрессивных технологических процессов штамповки на кривошипных горячештамповочных прессах, штамповки (горячего выдавливания) в цельных и разъемных матрицах, малоотходной штамповки (безоблойной и с противодавлением). Горячее выдавливание является эффективным процессом получения штамповок разнообразной конфигурации, чаще всего в виде стержней с фланцами различной формы, деталей с отростками и т. п., причем выдавливание как операция горячей штамповки часто применяется в качестве заготовительной операции для распределения металла в соответствии с формой детали, благодаря чему сокращаются отходы в облой. Еще более эффективна разновидность технологической схемы выдавливания - штамповка выдавливанием в разъемных матрицах . Наличие второй линии разъема позволяет получать поковки с отростками и поднутрениями, близкими к конфигурации детали. Сущность процесса малоотходной штамповки заключается в получении точных заготовок (преимущественно тел вращения) без облоя в закрытых штампах. Избыток металла (неизбежный при существующих способах резки заготовок) отводится в специальные полости штампа. Одной из разновидностей процесса является штамповка шестерен в штампах с клиновой облойной канавкой.
Существенным фактором экономии проката является применение для ковки и объемной штамповки заготовок, полученных непрерывной разливкой стали, не требующих высокой степени укова; причем эти заготовки без предварительной прокатки можно штамповать.
Из других прогрессивных технологических процессов, внедрение которых обеспечивает более эффективное использование металла, относится вальцовка заготовок на ковочных вальцах , в том числе многоклетьевых и автоматизированных, на которых заготовка требуемого переменного сечения может быть получена за один проход; радиальное обжатие (редуцирование), осуществляемое как в горячем, так и в холодном состоянии; раскатка, применение периодического проката для предварительного формообразования заготовок под штамповку.
Одним из способов производства заготовок из отливок является метод виброштамповки . Преимуществом метода является создание лучших условий деформирования в связи с уменьшением внешнего трения и скорости деформации. Штамповка может осуществляться в одно- и многоручьевых штампах; мелкие заготовки штампуют в многоштучных штампах.
Для получения заготовок из пруткового материала высадкой используют горизонтально-ковочные машины. Этот способ производителен и экономичен. Фасонные, а также пустотелые заготовки цилиндрической формы штампуют на гидравлических прессах. Пустотелые заготовки изготовляют прошивкой отверстия с последующей протяжкой через кольцо или высадкой, а болты, заклепки и подобные детали – на фрикционных винтовых прессах в специальных сборных штампах с разъемными матрицами. При штамповке на фрикционных прессах достигаются высокая точность изготовленных заготовок, уменьшение расхода материала и высокая производительность. Так, при изготовлении заклепок производительность прессов составляет до 1000 шт. в час.
Для изготовления заклепок и других подобных деталей в массовом производстве применяют также холодновысадочные пресс-автоматы. Производительность этих прессов составляет 400 шт. в минуту и более. Опали, полученные холодной высадкой из калиброванного проката, сличаются большой точностью (8-й квалитет). Для получения заготово к периодического профиля или для вытяжки металла в продольном и поперечном сечениях используют ковочные вальцы . Профиль переменного сечения получают, пропуская заготовку через ручей вальцов, сложный профиль - пропуская заготовку через несколько профилированных ручьев.
Точность размеров и шероховатость поверхностей штампованных заготовок повышают холодной калибровкой и плоскостным или объемным проглаживанием (чеканкой). Плоскостную чеканку применяют для небольших участков заготовок, а объемную - для заготовок небольшого размера. Заготовки можно чеканить и в горячем состоянии, однако точность горячей чеканки ниже, чем холодной. Горячую чеканку применяют преимущественно для крупных штампованных готовок.
Штамповкой заготовок из листового металла можно получать изделия простой и сложной конфигурации: шайбы, втулки, сепараторы подшипников качения, баки, кабины автомобилей и т. д. Для этих изделий характерна почти одинаковая толщина стенок, мало отличающаяся от толщины исходного материала (рис. 38).
Холодной листовой штамповкой могут быть получены заготовки на низкоуглеродистой стали, пластичной легированной стали, меди, латуни (с содержанием меди более 60% ), алюминия и некоторых его сплавов, а также из других пластичных листовых материалов толщиной от десятых долей миллиметра до 6…8 мм. Заготовки, получаемые из листа холодной штамповкой, отличаются высокой точностью размеров, во многих случаях не нуждаются в последующей механической обработке и поступают непосредственно на сборку.
Горячей листовой штамповкой могут быть получены заготовки из материала толщиной свыше 8…10 мм, а при низкой пластичности - из материала меньших толщин для изготовления деталей корпусов кораблей, цистерн, котлов, химических машин, аппаратов и др.
Совершенствование технологических процессов листоштамповочного производства в целях более эффективного использования листового проката осуществляется в трех направлениях: замена листа широким рулоном, применение листа без припусков и положительных допусков на габариты и всемерная замена штампованных деталей деталями, изготовленными из гнутых профилей.
Дальнейшее развитие процессов холодной листовой штамповки основывается на применении целевого, комбинированного и универсального оборудования с использованием специальной оснастки, а именно: универсальных блоков для пакетных штампов, электромагнитных блоков для пластинчатых штампов, универсальных штампов для геометрически подобных деталей и для штамповки по элементам, пинцетных штампов для вырубки крупногабаритных деталей и для групповой штамповки, штампов с использованием резины, жидкости и другой эластичной среды и упрощенных штампов (ленточных, литых, пластмассовых, с использованием бетона, дерева и т. д.).
При изготовлении крупногабаритных листовых деталей в настоящее время широко применяют беспрессовую штамповку, называемую гидравлической вытяжкой и основанную на использовании статического гидравлического давления, электрогидравлического эффекта и энергии подводного взрыва взрывчатых веществ. Гидравлическая вытяжка может быть использована для формообразования деталей из алюминиевых сплавов толщиной до 5 мм и стали толщиной до 3 мм. Высокое давление порядка 20…25 МПа передается либо непосредственно жидкостью, либо посредством резиновой диафрагмы или мешка. Гидравлическая вытяжка отличается более равномерным распределением напряжений в металле, чем при вытяжке пуансонами, и создает более благоприятные условия для формообразования с меньшими утонениями в процессе вытяжки.
К процессам холодной обработки давлением относятся холодная высадка и объемная штамповка выдавливанием . Высадку применяют для образования местных утолщений требуемой формы путем перераспределения и перемещения объема металла. Выдавливание применяют для изготовления полых деталей, деталей меньшей площадью поперечного сечения из толстой заготовки за счет истечения металла в зазор между матрицей и инструментом. В зависимости от направления перемещения металла по отношению к инструменту различают три шин выдавливания: прямое - металл течет в направлении рабочего движения инструмента, обратное - обратно рабочему движению и комбинированное - сочетание прямого и обратного видов. Прямое выдавливание применяют для изготовления сплошных деталей, а иноке пустотелых деталей типа гильз и труб. Обратное выдавливание применяют исключительно для получения пустотелых деталей. Комбинированное-для изготовления деталей сложной формы: с фигурным дном, с дном, имеющим отростки, с дном, расположенным внутри полой детали, и т. п.
Для формообразования, калибровки, отделки поверхности деталей машин и их упрочнения при обработке давлением в холодном состоянии применяют процессы бесштамповочной обработки, основанные на пластической деформации металлов. К ним относятся накатка шестерен, шлиц и резьб, накатка и раскатка поверхностей шариками п роликами. Эти способы позволяют осуществить размерно-чистовую обработку , улучшить микрогеометрию поверхностей, в ряде случаев упразднив отделочную обработку.
Находит применение также метод обкатки роликами (гидроспининг), успешно заменяющий не только обработку резанием и давильные работы, но и вытяжку. Этот способ заключается в постепенном обжатии роликами листовой, штампованной или литой заготовки, полученной на принудительно вращающейся оправке. Большие давления на ролики, достигающие 25 МПа, создаваемые гидравлическим приводом, позволяют весьма производительно обжимать полые детали цилиндрической, конической н параболической форм, получать летали сложной конфигурации с большим перепадом сечений с точностью в пределах 11-го квалитета и шероховатостью поверхности R а = 0,8…0,4 мкм.
Все операции листовой штамповки можно разделить на разделительные (отрезка, вырубка, пробивка, зачистка), в ходе которых одну часть заготовки отделяют от другой, и формоизменяющие (гибка, вытяжка, обжим, отбортовка, рельефная формовка, формовка), в которых одна часть заготовки перемещается относительно другой без разрушения заготовки (в пределах пластических деформаций).
Исходный толстый лист разделяют на мерные заготовки преимущественно газовой резкой.
Тонкие листы разделяют на заготовки обычно отрезкой на гильотинных и дисковых ножницах.
Горячую листовую штамповку производят преимущественно на гидравлических листоштамповочных и фрикционных винтовых прессах, реже - на кривошипных листоштамповочных прессах. Из специального оборудования для обработки листов в горячем состоянии следует отметить трех- и четырехвалковые гибочные вальцы, предназначенные для гибки листа в обечайку реверсивным прокатыванием листа между постепенно сближающимися валками.
Нагрев перед штамповкой ведут обычно в пламенных камерных печах периодического действия или в методических печах непрерывного действия. Прогрессивен индукционный электронагрев, при котором продолжительность процесса сокращается в 5…6 раз, а толщина слоя окалины уменьшается в 2…3 раза по сравнению со слоем окалины, полученным в пламенных печах. Резко повышается точность штамповки, создаются возможности автоматизации процесса, значительно улучшаются условия труда в прессовых (кузнечно-штамповочных) цехах.
Заготовки из круглого проката для валов в большинстве случаев более целесообразны, чем кованые или штампованные заготовки. Однако если масса заготовки из проката превышает массу штамповки более чем на 15%, лучше применять штампованные заготовки.
Изготовление заготовок из труб также является одним из рациональных способов. Несмотря на то, что тонна горячего проката стоит в среднем в 1,5 раза меньше, чем тонна труб, тем не менее экономия металла при производстве деталей из труб по сравнению с изготовлением из круглого проката может покрыть разницу в стоимости. Исключение может быть сделано только для деталей, которые подвергают дальнейшей неоднократной обработке (сверлению, фрезерованию и др.), и, если коэффициент использования материала ниже 0,5.
Максимального подобия конструктивных форм и размеров заготовок готовым деталям можно достигнуть применением специальных профилей металла. Применение периодического проката , т. е. проката с максимальным подобием заготовки и детали, обеспечивает повышение коэффициента использования металла при штамповке в среднем на 10…15% благодаря сокращению потерь на облой, содействуя одновременно повышению производительности труда как в заготовительных, так и в механообрабатывающих цехах. На рис. 39 приведены схемы периодической прокатки различных заготовок: распределительного вала (α); шаров, изготовленных методом поперечной раскатки (б). В приведенном примере масса заготовок из обычных профилей: распределительного вала - 7,95 кг и шаров 300 мм - 0,164 кг, а при использовании периодического проката - соответственно 6,32 и 0,125 кг, что составляет экономию металла 13 и 24%.
Из готового профильного проката заготовки изготовляют преимущественно в массовом производстве. Во многих случаях этот способ не требует применения механической обработки или ограничивает ее отделочными операциями.
Сварные заготовки позволяют получать изделия такой конфигурации, которая обычно получается в результате литья или обработки резанием. В современном машиностроении часто применяют штампосварные заготовки (рис. 40). Замена деталей, полученных из отливок и изготовленных обработкой резанием, штампосварными значительно снижает себестоимость.
Наряду со штампосварными применяют также и сварно-литые заготовки , например, при изготовлении заготовок для корпусных деталей, отличающихся большим разнообразием конструктивных форм, размеров, массы и материалов. Заготовку делят на ряд простейших частей, получаемых литьем, а затем соединяют их сваркой. Так изготовляют траверсы прессов, статоры турбин, станины станков и др. Этот вид заготовок резко снижает трудоемкость изготовления и металлоемкость изделия.
Применяют также заготовки из штампованных и литых частей, соединенных сваркой.
Заготовки из неметаллических материалов . К неметаллическим материалам, широко применяемым в машиностроении, относятся: пластические массы, древесина, резина, бумага, асбест, текстиль, кожа и др. Неметаллические материалы, обеспечивая необходимую прочность при небольшой массе изготовляемых из них деталей, придают деталям необходимые свойства: химическую устойчивость (к воздействию растворителей), водо-, газо- и паронепроницаемость, высокие изоляционные свойства и др.
Пластическими массами называют материалы, которые на определенной стадии их производства приобретают пластичность, т. е. способность под воздействием давления принимать соответствующую форму и в дальнейшем сохранять ее. В зависимости от химических свойств исходных смолообразных веществ пластические массы, получаемые на их основе, делят на две основные группы:
- термореактивные пластические массы на основе термореактивных смол, отличающиеся тем, что при действии повышенных температур они претерпевают ряд химических изменений и превращаются в неплавкие и практически нерастворимые продукты;
- термопластичные массы (термопласты), получаемые на основе термопластичных смол и отличающиеся тем, что при нагревании они размягчаются, сохраняя плавкость, растворимость и способность к повторному формованию.
Разнообразие физико-химических и механических свойств и простота переработки в изделия обусловливают широкое применение различных видов пластических масс в машиностроении и других отраслях народного хозяйства. Сравнительно небольшая плотность (1000…2000 кг/м3), значительная механическая прочность и высокие фрикционные свойства позволяют в ряде случаев применять пластические массы в качестве заменителей, например, цветных металлов и их сплавов - бронзы, свинца, олова, баббита и т. п., а при наличии некоторых специальных свойств (например, коррозионная стойкость) пластмассы можно использовать и в качестве заменителей черных металлов. Высокие электроизоляционные свойства способствуют применению пластических масс в электро- и радиопромышленности в качестве заменителей таких материалов, как фарфор, эбонит, шеллак, слюда, натуральный каучук и многие другие. Хорошая химическая стойкость при воздействии растворителей и некоторых окислителей, водостойкость, газо- и паронепроницаемость позволяют применять пластические массы как технически важные материалы в автотракторной, судостроительной и других отраслях промышленности.
Детали из пластических масс получают прессованием, литьем под давлением и литьем в формы. Наиболее распространенным способом получения деталей из пластических масс является способ горячего прессования при необходимом давлении и температуре. В качестве основного оборудования для прессования пластмасс обычно применяют гидравлические прессы. Однако в некоторых случаях можно применять и другие типы прессов, например фрикционные, винтовые. Прессование производят в металлических пресс-формах, устанавливаемых на прессах. Пресс-формы являются основным видом оснастки в производстве изделий из пластических масс. Во время прессования пресс-формы находятся в очень неблагоприятных эксплуатационных условиях. Они воспринимают многократные силовые нагрузки (давление пресса достигает 20…30 МПа, а иногда 60…80 МПа), систематическое воздействие высоких температур (до 190°С) и агрессивное коррозионное воздействие выделяющихся в процессе прессования продуктов химических превращений.
Важным промышленным способом производства деталей из пластмасс является способ литья под давлением . Он во многом сходен со способом литья под давлением металлов. Сущность его заключается в следующем: в загрузочные приспособления специальных машин помещают пластическую массу, затем подают их в обогревающее устройство, где пластмасса расплавляется и под действием поршня (плунжера), передающего давление, впрыскивается в пресс-форму. Машины для литья под давлением пластмасс высокопроизводительны: до 12…16 тыс. шт. за смену. Этим способом можно изготовлять различные детали со сложными резьбами и профилями, тонкостенные детали и т. п. Литье в формы применяют в тех случаях, когда детали изготовляют из связующего без наполнителя. Этот способ применяют также для получения различных литых деталей из термореактивных пластмасс, например, литого карболита, неолейкорита, литого резита, а также из термопластичных материалов - органического стекла, полистирола и др.
Детали из слоистых пластиков широко распространены в машиностроении. Например, текстолитовые зубчатые колеса отличаются от металлических бесшумностью работы и устойчивостью против влияния различных агрессивных сред. В ряде случаев текстолитовые зубчатые колеса почти совсем вытеснили зубчатые колеса из цветных металлов. Их применяют для передачи вращения от электродвигателей в быстроходных металлообрабатывающих станках, устанавливают на распределительных валах двигателей внутреннего сгорания. В химической промышленности текстолитовые зубчатые колеса применяют в различных аппаратах и приборах, где они гораздо лучше, чем зубчатые колеса из бронзы и латуни, сопротивляются различным агрессивным воздействиям. Помимо зубчатых колес из текстолита изготовляют ролики, кольца и т. п.
Древесина различных пород, являющаяся сравнительно дешевым материалом, применяется во многих отраслях современного машиностроения. Например, в сельскохозяйственном машиностроении и автотракторостроении используется древесина сосны, ели, кавказской пихты, лиственницы, дуба, бука, ясеня, березы, клена, граба, ильмы, вяза. Из древесины твердых лиственных пород и лиственницы изготовляют ответственные детали сельскохозяйственных машин, подвергающиеся большим нагрузкам.
Древесные материалы применяют в машиностроении как конструкционные материалы, главным образом в виде шпона, клееной фанеры, пельнопрессованной древесины и древесных пластиков.
Для повышения устойчивости древесины против гниения ее специально обрабатывают: сушат на воздухе и в специальных сушильных камерах, а также пропитывают медным купоросом, хлористым цинком или креозотом и окрашивают.
Из древесных материалов методами холодного и горячего гнутья можно получать изделия сложной криволинейной формы. Метод холодного гнутья заключается в том, что на шаблоне выгибают и запрессовывают заготовку в виде набора тонких деревянных пластинок, покрытых клеем, без подогрева. При горячем гнутье заготовку предварительно проваривают или пропаривают, вследствие чего она приобретает пластичность, затем выгибают на шаблоне и в таком положении зажимают и помещают в сушильную камеру.
Наряду с обычной древесиной (так называемым массивом) в машиностроении применяют фанеру и слоистые древесные материалы. Фанера представляет собой листовой материал, изготовленный путем склеивания между собой нескольких тонких деревянных листов (шпона). Для изготовления нагруженных деталей применяют многослойную, или плиточную, фанеру толщиной 25…30 мм.
Тонкие листы (шпон), пропитанные специальными смолами и подвергнутые горячему прессованию, образуют так называемые древесно-слоистые пластики , широко применяемые в текстильном и электротехническом машиностроении, а также в качестве заменителя подшипников из цветных металлов в гидравлических машинах, механизмах, работающих в абразивной среде.
Механическую обработку изделий из древесины производят на металлорежущих и деревообрабатывающих станках.
Литература
1. Обоснование выбора заготовки
Оптимальный метод получения заготовки подбирают в зависимости от ряда факторов: материала детали, технических требований по ее изготовлению, объема и серийности выпуска, формы поверхностей и размеров деталей. Метод получения заготовки, обеспечивающий технологичность и минимальную себестоимость считается оптимальным.
В машиностроении для получения заготовок наиболее широко применяют следующие методы:
обработку металлов давлением;
комбинации этих методов.
Каждый из вышеперечисленных методов содержит большое число способов получения заготовок.
В качестве метода получения заготовки принимаем обработку металла давлением. Выбор обоснован тем, что материалом детали является конструкционная сталь 40Х. Дополнительным фактором, определяющим выбор заготовки, является сложность конфигурации детали и тип производства (условно принимаем что деталь изготавливается в условиях серийного производства. Принимаем штамповку на горизонтально-ковочных машинах.
Данный тип штамповок позволяет получать заготовки минимальной массой 0,1 кг, 17-18 квалитета точности с шероховатостью 160-320 мкм в условиях мелкосерийного производства.
заготовка машиностроение маршрут деталь
2. Разработка маршрута обработки детали
Маршрут обработки детали:
Операция 005. Заготовительная. Штамповка на КГШП.
Заготовительный цех.
Операция 010. Фрезерная.
Сверлильно-фрезерно-расточной станок 2254ВМФ4.
.Фрезеровать плоскость, выдерживая размер 7.
2.Сверлить 2 отверстия D 12,5.
.Зенкеровать отверстие D 26,1.
.Зенкеровать отверстие D32.
.Зенкеровать отверстие D35,6.
.Развернуть отверстие D36.
.Зенковать фаску 0,5 х 450.
Операция 015. Токарная. Токарно-винторезный 16К20. .Подрезать торец, выдерживая размер 152.
2.Точить поверхность D37, выдерживая размер 116.
.Точить 2 фаски 2 х 450.
.Нарезать резьбу М30х2.
Операция 020. Фрезерная Вертикально-фрезерный 6Р11. .Фрезеровать поверхность, выдерживая размеры 20 и 94.
Операция 025. Вертикально-сверлильная. Вертикально-сверлильный 2Н125. Установ 1. .Сверлить 2 отверстия D9.
2.Сверлиль отверстие D8,5.
.Нарезать резьбу К1/8/.
Установ 2. .Сверлить отверстие D21.
.Сверлить отверстие D29.
Операция 030 Слесарная. Притупить острые кромки. Операция 035. Технический контроль. 3. Выбор технологического оборудования и инструмента
Для изготовления детали "Наконечник" подбираем следующие станки 1.Сверлильно-фрезерно-расточной станок с ЧПУ и инструментальным магазином 2254ВМФ4;
2.Токарно-винторезный станок 16К20;
.Вертикально-фрезерный станок 6Р11;
.Вертикально-сверлильный станок 2Н125.
В качестве станочных приспособлений используем: для токарной-операции - 4-х кулачковый патрон, для остальных операций - специальные приспособления. При изготовлении данной детали используется следующий режущий инструмент: Сверло спиральное с коническим хвостовиком обычной точности, диаметром D = 8,5 мм. с нормальным хвостовиком, класса точности Б. Обозначение: 2301-0020 ГОСТ 10903-77. Сверло спиральное с коническим хвостовиком обычной точности, диаметром D = 9 мм. с нормальным хвостовиком, класса точности Б. Обозначение: 2301-0023 ГОСТ 10903-77. Сверло спиральное с коническим хвостовиком обычной точности, диаметром D = 12,5 мм. с нормальным хвостовиком, класса точности Б. Обозначение: 2301-0040 ГОСТ 10903-77. Сверло спиральное с коническим хвостовиком обычной точности, диаметром D = 21 мм. с нормальным хвостовиком, класса точности Б. Обозначение: 2301-0073 ГОСТ 10903-77. Сверло спиральное с коническим хвостовиком обычной точности, диаметром D = 29 мм. с нормальным хвостовиком, класса точности Б. Обозначение: 2301-0100 ГОСТ 10903-77. Зенкер цельный с коническим хвостовиком из быстрорежущей стали, диаметром D = 26 мм. длиной 286 мм для обработки сквозного отверстия. Обозначение: 2323-2596 ГОСТ 12489-71. Зенкер цельный с коническим хвостовиком из быстрорежущей стали, диаметром D = 32 мм. длиной 334 мм. для обработки глухого отверстия. Обозначение: 2323-0555 ГОСТ 12489-71. Зенкер цельный с коническим хвостовиком из быстрорежущей стали, диаметром D = 35,6 мм. длиной 334 мм. для обработки глухого отверстия. Обозначение: 2323-0558 ГОСТ 12489-71. Развертка машинная цельная с коническим хвостовиком D36 мм. длиной 325 мм. Обозначение: 2363-3502 ГОСТ 1672-82. Зенковка коническая типа 10, диаметром D = 80 мм. с углом при вершине 90. Обозначение: Зенковка 2353-0126 ГОСТ 14953-80. Резец правый проходной упорный отогнутый с углом в плане 90o типа 1, сечения 20 х 12. Обозначение: Резец 2101-0565 ГОСТ 18870-73.
Резец токарный резьбовой с пластинкой из быстрорежущей стали для метрической резьбы с шагом 3 типа 1, сечения 20 х 12. Обозначение: 2660-2503 2 ГОСТ 18876-73. Метчик машинный 2621-1509 ГОСТ 3266-81. Для контроля размеров данной детали, применяем следующий мерительный инструмент: Штангенциркуль ШЦ-I-125-0,1 ГОСТ 166-89; Штангенциркуль ШЦ-II-400-0,05 ГОСТ 166-89. Для контроля размера отверстия D36 используем калибр - пробку. Набор образцов шероховатости 0,2 - 0,8 ШЦВ ГОСТ 9378 - 93. 4. Определение промежуточных припусков, допусков и размеров
4.1 Табличным методом на все поверхности
Необходимые припуски и допуски на обрабатываемые поверхности выбираем по ГОСТ 1855-55.
Припуски на механическую обработку детали "Наконечник" Размер, мм. Шерохова-тость, мкм. Припуск, мм. Допуск на размер, ммРазмер с учетом припуска, мм. Ra 5Черновая 8 Получистовая 1,5 Чистовая 0,5Rа 6,3Черновая 3,0 Чистовая 3,037Rа 6,33152Rа 6,34,2
4.2 Аналитическим методом на один переход или на одну операцию
Расчет припусков аналитическим методом производим для поверхности Шероховатость Ra5. Технологический маршрут обработки отверстия состоит из зенкерования, чернового и чистового развертывания Технологический маршрут обработки отверстия состоит из зенкерования и чернового, чистового развертывания. Расчет припусков производим по следующей формуле:
где R - высота неровностей профиля на предшествующем переходе; Глубина дефектного слоя на предшествующем переходе; Суммарные отклонения расположения поверхности (отклонения от параллельности, перпендикулярности, соосности, симметричности, пересечения осей, позиционное) на предшествующем переходе; Погрешность установки на выполняемом переходе. Высоту микронеровностей R и глубину дефектного слоя для каждого перехода находим в таблице методического пособия. Суммарное значение, характеризующее качество поверхности штампованных заготовок составляет 800 мкм. R= 100 мкм; = 100 мкм; R= 20 мкм; = 20 мкм; Суммарное значение пространственных отклонений оси обрабатываемого отверстия относительно оси центра определится по формуле:
где - смещение обрабатываемой поверхности относительно поверхности используемой в качестве технологической базы при зенкеровании отверстий, мкм
где - допуск на размер 20 мм. = 1200 мкм. Допуск на размер 156,2 мм. = 1600 мм.
Величину коробления отверстия следует учитывать как в диаметральном, так и в осевом сечении.
где - величина удельного коробления для поковок. = 0,7, и L - диаметр и длина обрабатываемого отверстия. = 20 мм, L = 156,2 мм.
Величина остаточного пространственного отклонения после зенкерования:
Р2 = 0,05 Р = 0,05 1006 = 50 мкм.
Величина остаточного пространственного отклонения после чернового развертывания:
Р3 = 0,04 Р = 0,005 1006 = 4 мкм.
Величина остаточного пространственного отклонения после чистового развертывания:
Р4 = 0,002 Р = 0,002 1006 = 2 мкм.
При определении погрешности установки δУ на выполняемом переходе при определении промежуточного припуска требуется определить погрешность закрепления (погрешность базирования для тел вращения равна нулю). Погрешность закрепления заготовки при закреплении ее в призматическом зажиме: 150 мкм. Остаточная погрешность при черновом развертывании:
0,05 ∙ 150 = 7 мкм.
Остаточная погрешность при чистовом развертывании:
0,04 ∙ 150 = 6 мкм.
Производим расчет минимальных значений межоперационных припусков: зенкерование.
Черновое развертывание:
Чистовое развертывание:
Наибольший предельный размер по переходам определяем последовательным вычитанием от чертежного размера минимального припуска каждого технологического перехода. Наибольший диаметр детали: dР4 = 36,25 мм. Для чистового развертывания: dР3 = 36,25 - 0,094 =36,156 мм. Для чернового развертывания: dР2 = 35,156 - 0,501 = 35,655 мм. Для зенкерования: Значения допусков каждого технологического перехода и заготовки принимаем по таблицам в соответствии с квалитетом, используемого метода обработки. Квалитет после чистового развертывания: ; Квалитет после чернового развертывания: H12; Квалитет после зенкерования: H14; Квалитет заготовки: . Наименьшие предельные размеры определяем вычетанием допусков от наибольших предельных размеров: MIN4= 36,25 - 0,023 = 36,02 мм.MIN3 = 36,156 - 0,25 = 35,906 мм.MIN2 = 35,655 - 0,62 = 35,035 мм.MIN1 = 32,025 - 1,2 = 30,825 мм.
Максимальные предельные значения припусков ZПР. МАХ равны разности наименьших предельных размеров. А минимальные значения ZПР. МIN соответственно разности наибольших предельных размеров предшествующего и выполняемого переходов. ПР. МIN3 = 35,655 - 32,025 = 3,63 мм.ПР. МIN2 = 36,156 - 35,655 = 0,501 мм.ПР. МIN1 = 36,25 - 36,156 = 0,094 мм.ПР. МAX3 = 35,035 - 30,825 = 4,21 мм.ПР. МAX2 = 35,906 - 35,035 = 0,871 мм.ПР. МAX1 = 36,02 - 35,906 = 0,114 мм.
Общие припуски ZО. МАХ и ZО. МIN определяем, суммируя промежуточные припуски. О. МAX = 4,21 + 0,871 + 0,114 = 5, 195 мм.О. МIN = 3,63 + 0,501 + 0,094 = 4,221 мм.
Полученные данные сводим в результирующую таблицу.
Технологические переходы обработки поверхности Элементы припуска Расчетный припуск , мкм. Допуск δ, мкмПредельный размер, мм. Предельные значения припусков, мкмRZhPЗаготовка8001006150120030,82532,025Зенкерование1001005072 ∙ 166562035,03535,65536304210Развертывание черновое2020462 ∙ 25025035,90636,156501871Развертывание чистовое2 ∙ 470,2336,0236,2594114Итого42255195
Окончательно получаем размеры:
Заготовки: dЗАГ. =; После зенкерования: d2 = 35,035+0,62 мм. После чернового развертывания: d3 = 35,906+0,25 мм. После чистового развертывания: d4 = мм.
Диаметры режущих инструментов отображены в пункте 3. 5. Назначение режимов резания
5.1 Назначение режимов резания аналитическим методом на одну операцию
Фрезерная операция. Фрезеровать плоскость, выдерживая размер 7 мм. а) Глубина резания. При фрезеровании торцевой фрезой глубина резания определяется в направлении параллельном оси фрезы и равна припуску на обработку. t =2,1 мм. б) Ширина фрезерования определяется в направлении, перпендикулярном к оси фрезы. В = 68 мм. в) Подача. При фрезеровании различают подачу на зуб, подачу на один оборот и подачу минутную.
где n - частота вращения фрезы, об/мин;- число зубьев фрезы. При мощности станка N = 6,3 кВт S = 0,14.0,28 мм/зуб. Принимаем S = 0,18 мм/зуб.
мм/об.
в) Скорость резания.
Где Т - период стойкости. В данном случае Т = 180 мин. - общий поправочный коэффициент
Коэффициент учитывающий обрабатываемый материал.
nV (8) НВ = 170; nV = 1,25 (1; с.262; табл.2) 1,25 =1,15
Коэффициент, учитывающий материал инструмента; = 1 (1; с.263; табл.5) Коэффициент, учитывающий состояние поверхности заготовки; = 0,8 (1; с.263; табл.6)
V = 445; Q = 0,2; х = 0,15; y = 0,35; u = 0,2; P = 0; m = 0,32 (1; с.288; табл.39) м/мин.
г) Частота вращения шпинделя. (9) n об/мин.
Корректируем по паспорту станка: n = 400 об/мин.
мм/мин.
д) Фактическая скорость резания
м/мин.
е) Окружная сила.
где n = 0,3 (1; с.264; табл.) 0,3 = 0,97 СP =54,5; Х = 0,9; Y = 0,74; U = 1; Q = 1; W = 0. 5.2 Табличным методом на остальные операции
Назначение режимов резания табличным методом произоводится согласно справочнику режимов резания металлов. Полученные данные вносим в результирующую таблицу.
Режимы резания на все поверхности. Наименование операции и переходаГабаритный размерГлубина резания, мм. Подача, мм/об. (мм/мин) Скорость резания, м/минЧастота вращения шпинделя, об/мин. D (B) LОперация 010 Фрезерная1. Фрезеровать поверхность, выдерживая размер 7 92502,11,44125,64002. Сверлить 2 отверстия 12,512,576,250,0815,74003. Зенкеровать отверстие 26,1. 26,11523,050,0820,492504. Зенкеровать отверстие 32. 321122,950,0825,122505. Зенкеровать отверстие 35,635,6921,80,0817,891606. Развернуть отверстие D3636920,020,0518,081607. Зенковать фаску 0,5 х 45o370,50, 250,129,05250Операция 015 Токарная1. Подрезать торец, выдерживая размер 15240-2,10,390,437202. Точить поверхность D37, выдерживая размер 11637361,50,255,84803. Нарезать резьбу М30х230402215,07160Операция 020 ФрезернаяФрезеровать поверхность, выдерживая размеры 20 и 94222021,44125,6400Операция 025 Вертикально-сверлильная1. Сверлить 2 отверстия 995,54,50,0811,34002. Сверлить отверстие 8,58,534,250,0810,74003. Сверлить отверстие 2121410,50,0410,551604. Сверлить отверстие 2929414,50,0414,6160
6. Компоновка станочного приспособления на одну из операций механической обработки
Проектируем станочное приспособление для вертикально-сверлильного и вертикально-фрезерных станков. Приспособление представляет собой плиту (поз 1.) на которую с помощью штифтов (поз.8) и винтов (поз.7) монтируются 2 призмы (поз.10). Со стороны одной из призм расположен упор (поз.3) с расположенным в нем пальцем, служащим для базирования заготовки. Прижим детали обеспечивается за счет планки (поз 3), которая одним краем свободно вращается вокруг винта (поз.5), а в другой ее край, имеющий форму прорези, входит винт с последующим прижимом гайкой (поз.12). Для фиксации приспособления на столе станка в теле плиты выполнены проушены и вмонтированы 2 шпонки (поз.13), служащие для центрования приспособления. Транспортировка осуществляется в ручную.
7. Расчет приспособления на точность механической обработки
При расчете точности приспособления необходимо определить допускаемую величину погрешности ε
пр, для чего определяем все составляющие погрешности. (в качестве координирующего размера принимаем D29+0.28)
В общем случае погрешнось определяется по формуле:
где - допуск на координирующий размер. В данном случае Т = 0,28 мм; Коэффициент, учитывающий долю погрешности обработки в суммарной погрешности, вызываемой факторами, не зависящими от приспособления: = 0,3…0,5; принимаем = 0,3; Остальные значения формулы представляют собой совокупность погрешностей, определяемых ниже. Погрешность базирования e
б возникает при несовпадении измерительной и технологической баз. При обработке отверстия погрешность базирования равна нулю. Погрешность закрепления заготовки εз возникает в результате действия сил зажима. Погрешность закрепления при использовании ручных винтовых зажимов равна 25 мкм. Погрешность установки приспособления на станке зависит от зазоров между присоединительными элементами приспособления и станка, а также от неточности изготовления присоединительных элементов. Она равна зазору между Т-образным пазом стола и установочным элементом. В используемом приспособлении размер ширины паза равна 18H7 мм. Размер установочной шпонки 18h6. Предельные отклонения размеров и. Максимальный зазор и соответственно максимальная погрешность установки приспособления на станке = 0,029 мм. Погрешность износа - погрешность, вызванная износом установочных элементов приспособлений, характеризующее отклонение заготовки от требуемого положения вследствие износа установочных элементов в направлении выполняемых размеров. Приближенно износ установочных элементов может определяться по следующей формуле:
где U
0 - средний износ установочных элементов для чугунной заготовки при усилии зажима W =
10 кН и базовом числе установок N
= 100000; k
1, k
2, k
3, k
4 - коэффициенты, учитывающие соответственно влияние на износ материала заготовки, оборудования, условий обработки и числа установок заготовки, отличающиеся от принятых при определении U
0. При установке на опорные гладкие пластины U
0 = 40 мкм. k
1
= 0,95 (сталь незакаленная); k
2 = 1,25 (специальное); k
3 = 0,95 (лезвийная обработка стали с охлаждением); k
4 = 1,3 (до 40000 установок)
Геометрическая погрешность станка ε
ст после чистовой обработке равна 10 мкм. Погрешность настройки станка на размер ε
н. ст зависит от типа обработки и выдерживаемого размера. В данном случае ε
н. ст =10 мкм. Определяем погрешность приспособления:
Суммарная погрешность обработки заготовки по координирующему размеру с использованием приспособления не должна превышать величину допуска Т
на него, указанному в чертеже. Приведенное условие имеет вид:
где - статические погрешности, связанные с приспособлением, а также погрешности, в явном виде влияющие на точность изготовления приспособления. Погрешности,
зависящие от технологического процесса и в явном виде на точность изготовления приспособления не влияющие. Значения погрешностей первой группы найдены выше. Суммарная погрешность обработки, не зависящая от приспособления определяется как часть допуска на координирующий размер:
мкм. - Условие выполняется. Литература
1. Справочник технолога машиностроения; - М.: "Машиностроение" под редакцией А.Г. Косиловой, Р.К. Мещеряков; 2 тома; 2003 г. Н.А. Нефедов, К.А. Осипов; Сборник задач и примеров по резанию металлов и режущему инструменту; - М.: "Машиностроение"; 1990 г. Б.А. Кузьмин, Ю.Е. Абраменко, М.А. Кудрявцев, В.Н. Евсеев, В.Н. Кузьминцев; Технология металлов и конструкционные материалы; - М.: "Машиностроение"; 2003 г. А.Ф. Горбацевич, В.А. Шкред; Курсовое проектирование по технологии машиностроения; - М.: "Машиностроение"; 1995 г. В.Д. Мягков; Допуски и посадки. Справочник; - М.: "Машиностроение"; 2002 г. В.И. Яковлева; Общемашиностроительные нормативы режимов резания; 2-е издание; - М.: "Машиностроение"; 2000 г. В.М. Виноградов; Технология машиностроения: введение в специальность; - М.: "Академия"; 2006 г.;
