Выбор вида заготовки, метода ее изготовления, проектирование эскиза заготовки

Особенности конструкции заготовки и технология ее изготовления влияют на структуру технологического процесса изготовления детали и ее эксплуатационные характеристики.

Исходными данными для этого этапа построения технологического процесса являются:

· материал детали (указанный на чертеже);

· конструктивные и геометрические параметры детали (указанные на чертеже).

· объем выпуска изделия данного наименования за отчетный период времени (месяц, квартал, год и т.п.).

На основе исходных данных необходимо выбрать способ изготовления заготовки, определить ее рациональный вид и изобразить эскиз.

Материал детализадает конструктор в соответствии со служебным назначением детали. Физико-механические свойства материала детали непосредственно влияют на выбор метода получения заготовки.

Основными видами заготовок, рассматриваемых в рамках домашнего задания, являются отливки, поковки и прокат [3, 12 – 17].

Форма, масса и размеры заготовки ограничивают возможные способы изготовления заготовки в рамках выбранных методов. Также влияет наличие поверхностей, которые не обрабатывают механически, так как точность их размеров и шероховатость должны соответствовать возможностям способа получения заготовки.

Дальнейшее уточнение способа получения заготовки выполняют с учетом объема выпуска и соответствующего типа производства. Объем выпуска изделия (детали) влияет на способ изготовления заготовки. Общее правило: чем больше объем выпуска, тем точнее и сложнее заготовка, т.е. при увеличении объема выпуска экономически оправдана более сложная технологическая оснастка.

Дополнительным критерием выбора являются требования к структуре материала заготовок: плотность, ориентированность волокон, размер зерен. Например, штамповка позволяет получить более плотную структуру, а после проката волокна металла направлены вдоль оси прокатки; литье в кокиль из-за хорошей теплопроводности металлической формы обеспечивает более мелкозернистую структуру, чем литье в песчаные формы.

Если на детали есть поверхности, которые не обрабатываются резанием, способ изготовления заготовки должен обеспечивать заданную для этих поверхностей точность размеров и шероховатость. Если предполагается, что вся заготовка обрабатывается резанием, то можно выполнить не слишком точную и, следовательно, более дешевую заготовку.

Сформулируем рекомендации для определения необходимости обработки поверхностей механическим способом.

· Обрабатывают сопрягаемые поверхности (те поверхности, по которым происходит соприкосновение (контакт) с поверхностями других деталей в изделии или сборочной единице);

· Обрабатывают рабочие поверхности (см. сноску 2 на стр. 2).

Если из чертежа не понятно, какие поверхности являются сопрягаемыми или рабочими, тогда следует ориентироваться на назначенные на них технические требования и их геометрическую форму.

· Значок шероховатости поверхности указывает на то, что она получена без снятия слоя материала, без механической обработки. Значит, ее обрабатывать не следует.

· Поверхности с максимальной шероховатостью (самой высокой для данной детали), которые ограничены плавными линиями (например, переход к другой поверхности с радиусами скругления), могут быть получены литьем или штамповкой.

· Если на поверхности с низкой шероховатостью переход к другой поверхности реализован без радиуса скругления (или небольшим радиусом порядка 1…2 мм), который невозможно получить штамповкой или литьем, эти поверхности необходимо обработать однократно.

· Поверхности, на которые назначены требования к точности формы и расположения, или которые являются измерительными базами (стоит значок базы) обрабатывают.

Основные сведения о видах заготовок и методах их изготовления, а также содержание основных этапов выбора заготовок рассмотрены в [12, 13]. Кратко характеристики методов изготовления заготовок представлены в Приложениях 2 и 3.

ПРИМЕР 3: Необходимо выбрать заготовку для вала (см. Рис. 6) из стали 45 [8], для условий серийного производства.

1) Материал вала – сталь 45 обладает низкой жидкотекучестью, но хорошей пластичностью, следовательно, предпочтительно получать заготовку методами обработки давлением (прокат, ковка, штамповка), а не литьем.

2) Размеры и масса вала небольшие, следовательно, оборудование и оснастку подбирать или изготавливать несложно, в этом отношении ограничений по методам обработки давлением нет.

3) Также нужно учесть форму вала: если перепад (разность) диаметров смежных ступеней вала небольшой (не более 2,5 … 5,0 мм для деталей с размерами до 500 мм), выгоднее будет выбрать заготовку из проката, чем полученную штамповкой. Для более точной оценки следует определить припуски[9] на последующую обработку заготовки с учетом требуемой точности [3], а также напуски на поковку [14, 15], рассчитать и сравнить коэффициенты использования материала для двух заготовок.

4) Для серийного типа производства целесообразно форму заготовки приблизить к форме готовой детали.

Например, при получении поковки горячей объемной штамповкой на прессе затраты на изготовление сложной оснастки и получение более точной поковки будут распределены на партию деталей, т.е. себестоимость одной детали увеличится на себестоимость оснастки, деленной на количество деталей в партии, а это при больших объемах выпуска будет небольшой величиной. При этом трудоемкость и стоимость механической обработки снизятся.

При ковке, наоборот, получают упрощенную форму заготовки с большими напусками и допусками на размеры. Однако, несмотря на дешевую оснастку, себестоимость готовой детали увеличится из-за перерасхода материала (много металла уйдет в стружку) и большого объема последующей механической обработки. В связи с вышесказанным, более предпочтительно получение заготовки штамповкой, чем ковкой. С другой стороны, ковка, по сравнению со штамповкой, обеспечивает более высокие физико-механические свойства детали. Поэтому, если деталь ответственная и работает в тяжелых условиях, то заготовку получают ковкой.

Горячую объемную штамповку чаще используют для изготовления сложных по конфигурации заготовок: рычагов, крышек, валиков с фланцами, валов с большим перепадом диаметров. Рассматриваемый же ведомый вал имеет диаметры наружных цилиндрических поверхностей с небольшим перепадом от 46 до 56 мм. Такие валы можно изготовлять из проката: прутка круглого сечения. При этом расход металла будет небольшой (в стружку уйдет металла немного), а заготовку получить будет сравнительно просто: от стандартного прутка отрезать часть с необходимыми припусками для подрезки торцов.

Вывод: в качестве исходной заготовки для вала целесообразно выбрать прокат круглого сечения [3, 17].

Рис. 8 Ролик

ПРИМЕР 4: Выбрать заготовку для ролика (рис. 8) из стали 40ГЛ; для условий серийного производства.

1. Материал – легированная сталь с улучшенными литейными свойствами 40ГЛ [8]. Следовательно, предпочтительно получать заготовку методами литья.

2. Размер и масса средние, форма несложная. Форма заготовки определяется исходя из того, какие поверхности в дальнейшем будут обрабатываться, а какие – нет.

У рассматриваемой детали обрабатывается наружная поверхность Ø230 мм, коническая поверхность под углом 12° поскольку на них указана отдельная шероховатость и на переходах между этими поверхностями и соседними отсутствуют скругления.

Кольцевая канавка шириной 66 мм не обрабатывается, так как на нее не указана отдельная шероховатость, следовательно, согласно знаку в правом верхнем углу чертежа, она получается без снятия слоя материала.

Поверхность радиусом R = 20 мм также не обрабатывают механически.

Центральное отверстие является конструкторской и измерительной базой с высокими требованиями точности, следовательно, оно обрабатывается. Кроме того, размер отверстия более 30 мм, поэтому чтобы много металла не уходило в стружку, его целесообразно получить в заготовке, оставляя припуск на механическую обработку.

Торцовые поверхности, ограниченные Ø160 мм и Ø120 мм обрабатывают: на них назначены требования шероховатости и требования торцового биения.

Торцы с Ra = 50 мкм могут не обрабатываться механически, если возможности метода получения заготовки позволяют получить их сразу.

Чертеж получаемой заготовки ролика представлен на рис. 9.

Рис. 9 Заготовка ролика

3. Из основных методов литья выберем подходящий для рассматриваемой заготовки:

- несмотря на то, что заготовка осесимметричная, центробежное литье не подходит, так как имеется большой перепад диаметров от Æ270 до Æ152 мм;

- литье под давлением, литье в кокиль, при которых используют металлические формы, не подходит, так как затраты на изготовление формы большие, а при литье стальной заготовки стойкость формы будет низкая;

- литье в оболочковые формы и литье по выплавляемым моделям используют для получения отливок сложной формы, а рассматриваемая заготовка несложная;

- универсальным методом получения отливок является литье в песчано-глинистые формы, которое подходит и в данном случае.

На основе выбранного способа получения заготовки и конфигурации детали (чертежа) разрабатывают рациональный вид заготовки и оформляют эскиз с указанием размеров, допусков размеров и шероховатости поверхностей заготовки.

Размеры заготовки с учетом припусков на последующую механическую обработку следует приближенно рассчитать с использованием Таблицы минимальных припусков (для заготовок с размерами до 500 мм) и уточнить после выполнения пункта 4 домашнего задания, учитывая маршруты обработки основных поверхностей.

Таблица минимальных припусков (для заготовок с размерами до 500 мм)

Вид обработки	Величина припуска (на сторону*), мм	Ориентировочно получаемый квалитет
Обдирка**	1,5…4,0	IT 12 – 14
Черновая	0,5…1,5	IT 10 – 12
Получистовая	0,25…0,5	IT 8 – 10
Чистовая	0,1…0,25	IT 7 – 9
Отделочная	0,03…0,05	IT 6 – 7
* «Припуск на сторону» означает, что при расчете линейных размеров прибавляют однократную величину припуска, а при расчете диаметров поверхностей вращения величина припуска удваивается (т.е. на диаметр дают удвоенный припуск). ** Обдиркой называют первоначальную грубую механическую обработку заготовки со снятием большого объема металла

Для свободного извлечения заготовок из литейной формы или штампа необходимо предусмотреть соответствующие технологические уклоны и радиусы скругления [14, 15]. Также предпочтительными являются симметричная формы заготовки, простой внешний контур, плавные переходы между поверхностями и сечениями разной толщины, минимальное число внутренних полостей, диаметры отверстий, выполняемые в заготовках (в серийном типе производства не менее 20…30 мм. Более подробные рекомендации по проектированию заготовок зависят от способа их получения [16].

4. Разработка маршрутов обработки отдельных поверхностей (для 2 – 3 поверхностей)

Прежде, чем разрабатывать маршрутный технологический процесс изготовления детали в целом, следует наметить возможные последовательности обработки основных поверхностей (отмеченных в анализе технических требований как наиболее точные либо имеющие наименьшую шероховатость) и обоснованно выбрать целесообразные варианты последовательностей их обработки.

При разработке маршрута следует учитывать, что каждый технологический метод обеспечивает определенный диапазон значений показателей качества (см. справочную литературу [2 – 4, 7], кроме того, получаемые значения зависят от исходного качества заготовки (полученного на предыдущем этапе). В среднем обобщенно считают, что точность размеров за один технологический переход изменяется на 2 – 3 квалитета на этапе черновой обработки, на 1 – 2 квалитета после чистовой обработки; величина высотных показателей шероховатости Ra, Rz уменьшается приблизительно в два раза[10].

Разрабатывая маршрут обработки для каждой поверхности выполняют следующее:

1) по таблицам 4 – 5 в главе 1 и таблице 2 в главе 2 тома 1 «Справочника технолога-машиностротеля» [3], таблицам 3.12 – 3.18 в справочнике «Качество машин» [2] или таблице 2.3 тома 1 учебника «Технология машиностроения» [7] выбирают подходящие методы обработки, определяют возможные варианты последовательностей выполнения технологических переходов[11] (кратко информация о возможностях методов обработки представлена в Приложении 4). При этом для каждого перехода указывают возможные диапазоны точности размеров (квалитеты) и шероховатости;

2) из полученных последовательностей выбирают наиболее целесообразный маршрут, из диапазонов квалитетов и значений параметров шероховатости выбирают определенные значения, которые будут впоследствии указаны на эскизах маршрутного технологического процесса.

Выбор варианта маршрута зависит от таких факторов, как:

· необходимость или возможность обработки заготовки на оборудовании одной группы (например, только на токарных или фрезерных станках, без применения шлифовальных станков);

· жесткость заготовки, твердость ее материала (например, после термической обработки) и возможность воздействия на заготовку силами резания, силами закрепления и пр.;

· возможность обработки рассматриваемой поверхности совместно с другими поверхностями данной заготовки или обработки нескольких заготовок одновременно («пакетом»);

· производительность[12] технологического метода;

· стабильность показателей качества заготовки (точности, шероховатости и пр.), получаемых после применения конкретного метода обработки (например, точность размера отверстия зависит от жесткости инструмента, т.е. после развертывания (обработки жестким осевым инструментом) точность выше, чем после растачивания (обработки инструментом, закрепленным консольно и имеющим вероятность отжатия при обработке), стабильность обеспечения точности при внутреннем шлифовании ниже, чем при растачивании, поэтому основные размеры и формы поверхностей получают, как правило, до шлифования, оставляя совсем небольшой припуск, а шлифование применяют, чтобы обеспечить требуемую шероховатость.

ПРИМЕР 5. Наружную цилиндрическую поверхность вала Æ25 нужно выполнить с точностью размера по k7 и шероховатостью Ra = 1,25 мкм.

Заготовка получена из некалиброванного горячекатаного проката круглого профиля с точностью размеров приблизительно по IT 14 - 16 и шероховатостью Rz = 40…160 мкм [3, 17].

Требуемую точность готовой поверхности можно получить тонким точением либо окончательным (чистовым – см. сноску 11) или предварительным шлифованием [2, 3]. Выбор вида шлифовального перехода зависит от точности заготовки на предшествующем переходе обработки.

Перед тонким точением следует выполнить чистовое точение, перед чистовым – получистовое, до получистового – черновое.

До окончательного шлифования выполняют предварительное, а до него выполняют лезвийную обработку – черновое, получистовое и/или чистовое точение.

Рассмотрев диапазоны квалитетов точности размеров и величин параметров шероховатости, получаем три возможных варианта маршрута обработки поверхности:

Вариант I

заготовка IT 14 - 17 Rz = 40...160

черновое точение IT 12 - 14 Ra = 12,5...40 мкм

получистовое точение IT 10 - 12 Ra = 3,2...12,5 мкм

чистовое точение IT 8 - 9 Ra = 1,6...5 мкм

тонкое точение IT 6 -7 Ra = 0,32...1,0 мкм

Вариант II

заготовка IT 14 - 17 Rz = 40 - 160

черновое точение IT 12 - 14 Ra = 12,5...40 мкм

получистовое точение IT 10 - 12 Ra = 3,2...12,5 мкм

чистовое точение IT 8 - 9 Ra = 1,6...5 мкм

шлифование IT 7 - 9 Ra = 1,0...2,0 мкм

Вариант III

заготовка IT 14 - 17 Rz = 40 – 160

черновое точение IT 12 - 14 Ra = 12,5...40 мкм

получистовое точение IT 10 - 12 Ra = 3,2...12,5 мкм

предварительное шлифование IT 7 - 9 Ra = 1,0...2,0 мкм

окончательное шлифование IT 6 - 7 Ra = 0,5...1,25 мкм

Сравнивая полученные варианты маршрута, следует учесть;

- для выполнения тонкого точения необходим токарный станок повышенной точности, который может стоить значительно дороже шлифовального станка

- шлифование – менее производительный метод и время обработки поверхности шлифованием будет больше, чем точением, следовательно, вариант III более трудоемкий;

После сравнения выбираем второй вариант и конкретизируем значения показателей качества на каждом переходе (для шероховатости целесообразно выбирать предпочтительные значения по ГОСТ 2789-73 [18]):

Вариант II

заготовка IT 14 Rz = 80 мкм

черновое точение IT 12 Rz = 40 мкм

получистовое точение IT 10 Rz = 20 мкм(» Ra = 5 мкм)

чистовое точение IT 8 Ra = 2,5 мкм

окончательное шлифование IT 7 Ra = 1,25 мкм

Примеры разработки маршрутов обработки отдельных поверхностей также можно посмотреть в разделе 4.8.1, тома 1 учебника «Технология машиностроения» [7], а также в методических указаниях [19].