Размещено на http://www.allbest.ru/

Основні способи одержання заготовок та їх технологічні можливості

Вступ

Виготовлення заготовок - один з основних етапів машинобудівного виробництва, який безпосередньо впливає на витрати матеріалу, якість виробу, трудомісткість його виготовлення та в кінцевому результаті, на собівартість виробу. Витрати на отримання заготовки (матеріал разом з трудомісткістю виготовлення), наприклад, у верстатобудуванні, складають до 70 % від загальних витрат на виготовлення деталі. Тому, розробляючи технологію виготовлення машин і приладів, забезпечуючи на практиці їх високу якість та надійність, а також низьку собівартість, інженер-технолог повинен добре володіти методами проектування та виробництва заготовок.

1. Залежність технологічності заготовки від її матеріалу

Технологічність заготовки залежить від поєднання форм і розмірів з механічними властивостями матеріалу, що впливають на її оброблюваність, тобто здатність піддаватись механічній обробці. Оброблюваність матеріалу заготовки обумовлює в процесі механічної обробки досягнення потрібної шорсткості поверхні. На шорсткість поверхні після обробки впливає велика кількість факторів, тому важко дати цілком певні рекомендації для досягнення заданої шорсткості поверхні для кожного матеріалу заготовки, проте необхідно врахувати наступне:

· в деталях з конструкційних вуглецевих сталей зі вмістом вуглецю до 0,3 % не потрібно призначити шорсткість поверхні Rа 3,2 мкм. Для одержання більш чистої поверхні необхідно застосовувати сталі з більшим вмістом вуглецю;

· збільшення твердості за інших рівних умов дає можливість зменшити шорсткість поверхні. Середньо вуглецеві, а також леговані сталі найкраще обробляються після загартування з високим відпуском до твердості НRС35. Високо вуглецеві сталі, наприклад, У10, У12, добре обробляються у відпаленому стані;

· деталі з м'якої сталі перед механічною обробкою доцільно піддавати термічній обробці: нормалізації чи відпуску;

· деталі з алюмінієвих сплавів повинні піддаватись загартуванню та старінню. Сплави, що не піддаються загартуванню, необхідно модифікувати.

2. Раціональні види заготовок

Раціональним вибором заготовок передбачається:

· застосування заготовок, близьких за формою і розмірами до готової деталі (виливки, гаряче- і холодно штамповані, штампозварні і штамповиливані заготовки, профільний прокат);

· заміна декількох деталей однією монолітною шляхом її виливання чи штампування;

· скорочення кількості поверхонь, що піддаються механічній обробці.

При проектуванні деталей, що виготовляються з прокату, за можливістю необхідно зберігати без обробки всі неробочі поверхні, наприклад, діаметри головок і буртиків тіл обертання (валів, втулок тощо), невідповідальні поверхні прямокутних деталей (корпусів, плит).

При проектуванні деталей зі штампованих чи виливаних заготовок, бажано залишати без обробки всі неробочі поверхні. Це особливо важливо для виливаних заготовок, у яких внутрішні шари металу менш міцні і зняття з зовнішнього шару знижує міцність деталі.

3. Способи одержання заготовок

До основних способів виробництва заготовок можна віднести лиття, обробку тиском і зварювання, а також способи, які менше застосовуються, але є перспективними: спікання з металевих порошків і лиття з пластмас.

а) Заготовки, які одержують литтям.

Литтям одержують заготовки практично будь-яких розмірів як простої, так і складної конфігурації шляхом заливання розплавленого металу у форми.

Точність розмірів та якість поверхонь залежить від способу лиття.

Основні способи лиття: лиття у піщано-глинясті форми, лиття у оболонкові форми, лиття у кокіль, відцентрове лиття, лиття по моделях що виплавляються, а також лиття під тиском.

Порівняльну характеристику і можливість кожного методу лиття наведено у табл. 1. Лиття у піщані форми - самий найпоширеніший спосіб лиття. В машинобудуванні ним виробляють до 80 % відливок (по масі). В залежності від розмірів відливка і типу виробництва застосовують ручне, або машинне формування. Виготовлені цим способом заготовки характеризуються низькою точністю, високою шорсткістю та великими припусками на механічну обробку. Вартість відливок мінімальна, а вартість механічної обробки найбільша у порівнянні із заготовками, виготовленими іншими способами лиття. В піщаних формах отримують переважно відливки зі сталі, чавуну і рідше з кольорових металів. Цей спосіб найчастіше застосовується в одиночному, а іноді й у серійному виробництвах.

Лиття в оболонкові форми полягає в тому, що форма виготовляється з формувальної суміші, яка складається з піску і фенолформальдегідних смол як зв'язуючого. Формувальна суміш містить дрібнозернистий пісок і має високу рухомість. Це дозволяє одержати більш високу точність відбитка і меншу висоту мікронерівностей поверхонь відливка. Лиття в оболонкові форми скорочує витрати металу на 30-50 %, обсяг наступної механічної обробки - на 40-50 %, а витрати формувальної суміші зменшує в 10-20 разів. Процес лиття може бути повністю механізований. Лиття в оболонкові форми в основному застосовується для виготовлення дрібних та середніх відливок, а також тонкостінних відливок з чавуну, вуглецевої та легованої сталей і кольорових металів.

Лиття по моделях, що виплавляються, застосовується для виготовлення складних і точних заготовок практично з будь-яких сплавів. Для кожної відливки (а відливка може бути групова) виготовляється разова модель з елементами ливникової системи з легкоплавкої модельної суміші (на основі парафіну, стеаріну та ін.), а формувальна суміш у вигляді рідкої суспензії накладається в декілька шарів на модель з наступним сушінням кожного шару. Після виплавлення моделі та прокалювання мають міцну тонкостінну оболонкову форму з товщиною стінок 1,5-4 мм. Така форма не має роз'ємів і замкових частин. Це дає високу точність розмірів і взаємного розташування поверхонь. Механічна обробка таких заготовок мінімальна, а іноді зовсім відсутня. Литтям по моделі, що виплавляється, найчастіше виготовляють дрібні, але дуже складні за конфігурацією деталі з кольорових сплавів, високолегованих сталей, жароміцних сплавів, які важко піддаються обробці різанням.

Кокільне лиття - лиття у металеві форми. Його головна особливість - багатократне використання металевої форми - кокіля, зменшення витрат металу що ллється на 10...20 % у порівнянні з литтям у піщані форми, зменшуються витрати на наступну механічну обробку. Заміна лиття з піщаних форм на кокільне при достатньо великій програмі зменшує собівартість відливок приблизно на 30 %, продуктивність підвищується у 4-6 разів.

Таблиця 1 Порівняльна характеристика способів лиття

Таблиця 2 Порівняльна характеристика різних способів штамповки і ковки

Відцентрове лиття полягає в тому, що розплавлений метал заливається у форму (виливницю), яка обертається до закінчення кристалізації металу. В цьому випадку, як і при кокільному литті, отримують високу точність розмірів і низьку шорсткість поверхонь. За рахунок того, що виливниця обертається, досягається висока щільність металу відливки, її міцність. При цьому способі лиття зменшуються витрати металу, оскільки майже відсутні стержні та ливникова система. До недоліків можна віднести низьку якість внутрішньої порожнини, де накопичуються неметалеві включення і можливість появи поздовжніх і поперечних тріщин під впливом великих відцентрових сил. Цим методом в основному виготовляються деталі типу тіл обертання з чавуну, вуглецевих та легованих сталей і менше з кольорових сплавів (див. табл. 1).

Лиття під тиском полягає в заливанні розплавленого металу з великою швидкістю в металеві прес-форми (які встановлюються на спеціальних машинах для лиття) і кристалізації його під тиском. Все це дозволяє одержати складні, близькі за конфігурацією до готової деталі тонкостінні заготовки з низькою шорсткістю поверхонь і високою точністю розмірів (див. табл. 1). В основному лиття під тиском застосовують для виготовлення деталей з кольорових сплавів, при серійному виробництві. У порівнянні з литтям у піщані форми, лиття під тиском знижує собівартість відливки на 16-36 %.

б) Заготовки, які отримують обробкою тиском.

Обробкою металів тиском одержують машинобудівні профілі, ковані та штамповані заготовки. Обробкою тиском виготовляють заготовки з достатньо пластичних металів. Механічні властивості таких заготовок завжди вищі, ніж литих.

Машинобудівельні профілі виготовляють прокаткою, пресуванням та волочінням. Ці методи дозволяють одержати заготовки, близькі до готової деталі за поперечним перерізом (круглим, квадратним, прямокутним, шестигранним та ін.). Профілі випускають гарячекатані та калібровані. Гарячекатані профілі можна прокалібрувати волочінням. При виготовленні деталі з каліброваних профілів можлива обробка без застосування лезового інструменту. З профілів можна одержати штучні заготовки за допомогою різних способів різання (на пилках, пресножицях, абразивних, відрізних верстатах, кисневим розрізанням та ін.).

Кування застосовується для виготовлення заготовок масою від 0,2 до 350 кг і більше, в одиночному та дрібносерійному виробництві. Кування виконують на кувальних молотах та гідропресах. Як початковий матеріал застосовують виливки, прокат найпростіших профілів, порізаний на штучні заготовки. Ковані заготовки мають великі припуски, низьку точність розмірів, велику шорсткість R_z =320...80 мкм. Тому в умовах дрібносерійного виробництва для більш складних заготовок застосовують прості підкладні штампи, які дають можливість зменшити припуски, ліквідувати напуски, знизити шорсткість поверхонь. Застосування підкладних штампів виправдовується при кількості заготовок одного найменування 30-50 шт., що зменшує собівартість на 15-20 % у порівнянні з універсальним інструментом.

Об'ємним штампуванням отримують заготовки більш складної конфігурації, різної форми і масою від грамів до 1 т. Об'ємне штампування виконується в гарячому і холодному станах, у відкритих та закритих штампах, а також в штампах для видавлювання. Поковки, виготовлені об'ємним штампуванням, мають високу якість поверхонь, R_z = 80-20 мкм, щільну мікроструктуру, точність розмірів досягає до 12 квалітету. Цим способом виготовляють заготовки з вуглецевих, легованих сталей, алюмінієвих, мідних і титанових сплавів у серійному виробництві. Порівняно з куванням припуски зменшуються в 2...3 рази.

Перспективне застосування штампування рідинного металу видавлюванням в рознімних матрицях, що підвищує ще більше механічні властивості, точність розмірів, знижує шорсткість, зменшує ухили і ліквідуються задирки, і форма поковки максимально наближається до форми деталі. Порівняльну характеристику різних способів штампування та кування наведено в табл. 2.

Об'ємне штампування виконують на молотах, пресах і кувальних машинах.

Високопродуктивними є процеси одержання заготовок холодним штампуванням.

Холодним штампуванням називають штампування яке виконується при температурі нижче температури рекристалізації.

Його поділяють на листове та об'ємне.

Листовим штампуванням називають процес виготовлення деталей на штампах з листа, смуги або рулонного матеріалу товщиною до 10 мм. Переваги листового штампування такі: висока продуктивність (до 40 тис. шт. за зміну); висока точність штамповок, що виключає подальшу механічну обробку; можливість автоматизації процесу. Економічно виправдовується застосування цього процесу при серійному і масовому виробництві.

Холодне об'ємне штампування дозволяє зовсім виключити обробку різанням і забезпечує у порівнянні з останньою зменшення трудомісткості на 30...80 %, значне підвищення коефіцієнта витрат матеріалу, наприклад, при холодній висадці коефіцієнт витрат підвищується до 0,95, а продуктивність - до 800 шт. за хвилину (в залежності від обладнання та конфігурації деталі).

в) Заготовки, які виготовляють зварюванням.

Зварювані заготовки виготовляють різними способами зварювання: від електродугового до електрожужильного. В ряді випадків зварювання спрощує виготовлення заготовки, особливо складної конфігурації та великих розмірів. Зварювані заготовки складаються з окремих частин, котрі можуть бути з різних матеріалів і виконані різними технологічними методами (литтям, штампуванням, розрізанням з профілю та інші). Такі заготовки називаються комбінованими. Обсяг заготовок, отриманих зварюванням, в загальному обсязі всіх заготовок в машинобудуванні досягає 50 %. Всі зварювані конструкції поділяються: на балки і колони, які складаються з листових елементів, зварюються автоматичним зварюванням під флюсом і практично обробці різанням не підлягають; оболонкові конструкції, до яких висуваються вимоги герметичності при надмірному тиску, та різні резервуари, сосуди, труби, які також зварюються автоматично під флюсом; транспортні конструкції (корпуси суден, вагонів, автомобілів), які складаються з листових та каркасних елементів і з'єднуються автоматичним дуговим або контактним зварюванням; деталі машин і приладів різної форми та розмірів - (станини, вали, колеса, корпуси приладів, шатуни та інші). Елементи цих деталей виготовляють з різних матеріалів і різними способами, різної товщини, тому при зварюванні застосовують різні способи зварювання, але при цьому повинні бути забезпечені певні технологічні умови для якості зварювання:

1) кількість зварюваних з'єднань повинна бути мінімальною;

2) зварювані шви, за можливістю, повинні бути прямолінійними і безперервними за довжиною;

3) конструкція та взаємне розташування елементів, що підлягають зварюванню, повинні забезпечувати зручний доступ зварювального інструменту, а також застосування стандартних електродів;

4) за наявності декількох можливих варіантів зварювання необхідно вибирати більш прості та продуктивні;

5) в конструкції не повинно бути різних (ступінчастих) переходів по товщині металу.

6) габарити заготовок повинні забезпечувати можливість термообробки в термопечах.

За рахунок спрощення конструкції зварювання заготовок та раціонального підбору технології зварювання забезпечують економію металу до 30...60 %, скорочення трудомісткості і в цілому собівартості виготовлення заготовки.

4. Основні принципи вибору способу отримання заготовок

Одну і ту ж деталь можна отримати із заготовок, виготовлених різними способами. Якому ж способу віддати перевагу?

Одним з основних принципів вибору заготовки є орієнтація на такий спосіб виготовлення, який забезпечує максимальне наближення форми заготовки до форми готової деталі. В цьому випадку різко знижуються витрати матеріалу, обсяг механічної обробки та виробничий цикл виготовлення деталі. В той же час у заготівельному виробництві зростають витрати на технологічне обладнання та оснащення, їх ремонт та обслуговування. Тому розробка технологічних процесів виготовлення заготовок повинна проводитись на основі технологічного та економічного принципів. Відповідно до технологічного принципу вибраний технологічний процес повинен забезпечити усі вимоги креслення і технічних умов до нього, а відповідно до економічного принципу, виготовлення заготовки повинно проводитись з мінімальними витратами на виробництво. Із декількох можливих варіантів технологічного процесу вибирають за інших рівних умов більш економічний, а при однаковій економічності - більш продуктивний.

А для того, щоб можливо було порівняти 2-3 варіанти та вибрати оптимальний і остаточний, проводять техніко-економічний аналіз. Однак на стадії технологічної підготовки нового виробу, коли технології ще немає, а термін підготовки дуже короткий, попередній вибір способу виготовлення заготовки виконують на основі технологічних факторів, що впливають на вибір способу і порівняння технологічних можливостей кожного способу, що наведено в табл. 3 та 4.

5. Фактори, що визначають спосіб виготовлення заготовки

а) Форма і розміри заготовки

Прості за конфігурацією деталі можна виготовляти з прокату різного перерізу (багатогранного, трубного та ін.). Більш складні за конфігурацією заготовки виготовляють різними методами лиття. Заготовки великих розмірів, непростої конфігурації виготовляють литтям в піщані форми або куванням.

Заготовки, що виготовляють об'ємним штампуванням повинні бути більш простої конфігурації по формі і менше мати отворів та порожнин, котрі збільшують кількість напусків.

Форма (група складності) та розміри (маса) відливок і поковок впливають в кінцевому підрахунку на собівартість заготовки.

б) Необхідні точність та якість поверхневого шару заготовок

Чим вищі вимоги до точності та якості заготовок, тим вища вартість їх виготовлення. Це пов'язано з високою вартістю виготовлення складного та високоточного оснащення (металеві моделі, штампи, пресформи), застосування обладнання з високими параметрами точності та збільшенням витрат на його отримання.

Технологічний процес виготовлення заготовки визначає не тільки мікрогеометрію поверхні, яка впливає на можливості обробки, а й фізико-механічні якості поверхневого шару, що впливає на експлуатаційні властивості деталі.

В оптових цінах на заготовки це подорожчання більш точних заготовок виявляється в надбавках до базової ціни: для відливок - 3-6 %, для штамповок - 5-15 %

в) Технологічні властивості матеріалу заготовки

Часто властивості матеріалу накладають обмеження на вибір способу виготовлення заготовки. Так, сірий чавун має хороші ливарні властивості, але не підлягає куванню, сталі з високим вмістом вуглецю добре відливаються, але дуже погано зварюються.

Технологічні властивості матеріалу безпосередньо впливають на собівартість заготовки. Так, перехід від виготовлення відливка з чавуну до сталі підвищує собівартість заготовки (без вартості матеріалу) на 20-30 %. Застосування легованих і високо вуглецевих сталей при виготовленні заготовок штампуванням підвищує собівартість заготовок на 5-7 %. Після холодної обробки тиском виникає наклеп, тому холоднокатаний метал міцніший литого у 1,5-3 рази.

Зварювання призводить до створення неоднорідних структур в самому шві і навколо нього. Неоднорідність залежить від матеріалів, способу і режиму зварювання, що застосовуються.

Таким чином, кожен спосіб отримання заготовок вимагає від матеріалу певного комплексу технологічних властивостей.

г) Програма випуску продукції

Програма випуску продукції (кількість виробів, що виготовляються за одиницю часу, найчастіше за рік) є одним із найважливіших факторів, які визначають спосіб виробництва заготовок.

Вплив програми випуску можна простежити за собівартістю однієї заготовки:

С_маг = а + в/П,

де а - поточні витрати (вартість матеріалу, заробітна плата основних робітників, витрати на експлуатацію обладнання та оснащення);

в - одноразові витрати (на обладнання, інструмент, їх амортизацію та ремонт);

П - розмір партії виробів, що виготовляється.

З формули видно, що збільшення партії виробів веде до зменшення собівартості заготовки. Програма випуску дозволяє визначати економічну доцільність застосування того чи іншого методу виготовлення заготовки.

д) Виробничі можливості підприємства

При розробці нових технологічних процесів виготовлення заготовок для діючих підприємств ці технології потрібно зв'язувати з можливостями підприємства: типом і кількістю обладнання, виробничих площ, можливостями обслуговуючих служб тощо. Придбання нового обладнання, оснащення та матеріалів потрібно обґрунтовувати техніко-економічними розрахунками, а також розглядати можливості кооперації.

е) Тривалість технологічної підготовки виробництва

Складність періоду технологічної підготовки полягає в тому, що вона повинна проводитись в певні терміни, які диктуються різними економічними показниками та контрактами, особливо в умовах ринкової економіки. Збільшення періоду підготовки виробництва може призвести до морального старіння виробу, зниження фондовіддачі капіталовкладень тощо. Тому починати підготовку необхідно на стадії проектування виробу. Тривалість та обсяг технологічної підготовки виробництва визначається складністю виробу, характером застосовуваних технологічних процесів та обладнання, типом виробництва. В умовах масового і серійного виробництва технологічна підготовка ведеться особливо детально, в умовах одиночного виробництва обмежується розробкою мінімальних даних, необхідних для виробництва (маршрутними техпроцесами, мінімальною кількістю оснащення). Широко застосовуються типові та групові технологічні процеси, уніфіковане оснащення.

6. Методика вибору способу виготовлення заготовок

На першому етапі аналізуються детальні та складальні креслення, виявляються взаємозв'язки елементів конструкції при складанні, експлуатації та ремонті, проводиться ретельне технологічне опрацювання креслення деталей на можливість виготовлення їх в умовах конкретного виробництва з найменшими витратами коштів і часу. Усі виявлені недоліки і пропозиції враховуються розробником конструкції. Потім, враховуючи програму випуску, зміст і орієнтовну трудомісткість технологічного процесу, виявляють тип виробництва. Відповідно до конструкції деталі та технічних вимог до неї, за табл. 1 та 2 аналізують можливість застосування того чи іншого способу виготовлення. Потім аналізують ступінь впливу розглянутих факторів. На цьому попередньому етапі вибору оптимального способу виготовлення заготовки застосовують так звану матрицю впливу факторів (див. табл. 3). Оцінка кожного фактора в таблиці виконується “плюс-мінус” або за допомогою оцінок від 0 до 1. Найкращим вважається спосіб, що набрав найбільшу суму коефіцієнтів. Для остаточного вибору способу одержання заготовки беруть 2-3 варіанти, що набрали найбільшу кількість коефіцієнтів, і виконують техніко-економічне порівняння.

заготовка лиття зварювання технологічність

Таблиця 3 Зразок оформлення матриці впливу факторів

Використана література

1. Маталин А.А. Технология машиностроения. - Л.: Машиностроение, 1985. - 495 с.

2. Руденко П.О., Харламов Ю.О., Шустик О.Г. Вибір, проектування і виробництво заготовок деталей машин. - К. 1993.

Размещено на Allbest.ru