1. Виды заготовок и их характеристики

Оборудование заготовительного производства во многом зависит от правильного выбора метода получения заготовок.

Предмет производства, из которого изменением формы, размеров, шероховатости поверхности и свойств материала изготавливают деталь или неразъемную сборочную единицу называют заготовкой. Перед первой технологической операцией заготовку называют исходной.

Выбор заготовки заключается в установлении метода ее изготовления, расчете или выборе припусков на обработку и определении размеров исходной заготовки.

Форма и размеры детали, технологические свойства материала, температура его плавления, структурные характеристики (направление волокон и размеры зерна) определяют метод изготовления заготовки.

Трудность выбора метода получения заготовки состоит в том, что сталкиваются часто противоположные требования, поэтому решение этого вопроса становится многовариантным. Выбор одного из вариантов не очевиден и часто основан на инженерной интуиции и практическом опыте. Принятие окончательных решений происходит, как правило в условиях ограничений – материальных ресурсов, экономических возможностей, энергетических ресурсов, наличия квалифицированных кадров, транспортных расходов, возможностей кооперации, времени для подготовки производства и т.п.

Заготовки получают в основном двумя методами – литьем или обработкой давлением (пластическим деформированием). Для крупногабаритных деталей – допускается использование сварных заготовок или комбинированных (т.е. полученных сваркой предварительно отштампованных или отлитых отдельных элементов сложной формы).

Заготовки из серого или ковкого чугуна изготовляют в виде отливок.

Заготовки стальные изготовляют из горячекатаного проката различных размеров и профиля либо из холоднотянутой стали. Для получения этих заготовок часто используют также ковку, штамповку или литье.

Заготовки из цветных металлов и сплавов изготовляют из проката, отливают или штампуют.

Заготовки в виде отливок применяют для деталей сложной формы. Сварные заготовки используют при невозможности или экономической нецелесообразности изготовления цельных. Детали кабин управления буровыми установками, кожухов БКНС, БГТУ и т.п. изготовляют из листового материала холодной штамповкой с последующей сваркой.

На заготовки разрезку проката производят газопламенными резаками, на ленточных или дисковых пилах, приводных ножовках и пресс-ножницах, на токарных, револьверных и фрезерных станках. На фрикционных (беззубых) пилах разрезают профильный прокат, не имеющий большой сплошной площади сечения (уголки, двутавры, швеллеры). На круглых заготовках большого диаметра фрикционная пила обычно заклинивается. Применяют также отрезные станки с тонкими отрезными шлифовальными кругами. Профильный прокат – уголки, швеллеры и т.п. – может быть разрезан на пресс-ножницах методом рубки.

Перед поступлением на обработку резанием исходные заготовки подвергают очистке, правке и термической обработке в зависимости от методов их изготовления и предъявляемых требований. Отливки очищают от формовочной земли и стержней, затем удаляют литники, выпоры, отрезают прибыли, зачищают заусенцы и случайные приливы Очистку производят на стационарных и переносных шлифовальнообдирочных станках, зубилами, стальными щетками. Для механизации процесса очистки применяют дробеструйные установки, вращающиеся (галтовочные) барабаны. Заготовка, полученная горячей штамповкой, в месте разъема штампа обычно имеет облой, который обрезают или вырубают в штампах на обрезных кривошипных прессах. После обрезки производят термическую обработку и правку в горячем или холодном состоянии.

С целью получения заданных микроструктуры и механических свойств заготовку при термической обработке подвергают нормализации, улучшению и другим процессам.

Штамповки очищают от окалины и заусенцев дробеструйной обработкой, травлением, галтовкой во вращающихся барабанах. Для получения точных размеров некоторые штампованные заготовки проходят калибровку и чеканку в холодном или горячем состоянии. Перед этой операцией производят отжиг или нормализацию и очистку от окалины.

На чеканку дается припуск от 0,2 до 0,8 мм на сторону в зависимости от площади чеканки. Длинные заготовки из проката правят вручную, на прессах или на специальных многороликовых правильнокалибровочных станках за 1 – 2 хода.

Если свойства материала допускают использование литья и методов пластического деформирования, то выбор должен опираться, в первую очередь, на особенности формы детали. При наличии полости сложной формы, а также выступов и впадин на боковых наружных и внутренних поверхностях часто единственно возможным является метод литья. Причем, обязательно с применением формы разового использования, так как для извлечения отливки форма и стержни должны быть разрушены.

Если же форма детали позволяет применять как штамповку, так и литье, то выбор метода должен исходить из технических требований к детали, особенно к макро- и микроструктуре внутренних и поверхностных слоев детали. Кроме того, необходимо учитывать и объем производства (годовую программу выпуска деталей), и тип производства, т.е. темп выпуска. Здесь нет возможности учесть все индивидуальные особенности конкретных деталей и предприятий, но основное направление выбора метода получения заготовки состоит в следующем: чем более строгие требования предъявляются к однородности механических свойств детали, чем выше требования к ее прочности, твердости и износостойкости, тем желательнее применить метод пластического деформирования, а не литья.

Кроме этого, избрать метод пластического деформирования тем предпочтительнее по сравнению с литьем, чем больше объем производства и чем меньше такт выпуска. Вместе с тем, чем сложнее форма детали и чем выше стоимость материала, из которого она изготовлена, тем предпочтительнее использовать метод литья, как дающий лучшее приближение формы заготовки к форме готовой детали, т.е. повышающий коэффициент использования материала.

В связи с неоднозначностью решения задачи о выборе метода, получения заготовки целесообразно наметить несколько альтернативных вариантов и произвести экономический анализ с помощью ЭВМ, предусмотрев в программе анализа и указанные выше ограничения.

2. Выбор способа получения отливок

Наиболее часто применяемым способом получения заготовок литьем является литье в песчаные формы, поскольку себестоимость одной тонны таких отливок минимальна, а применяемое оборудование и оснастка во многом имеет универсальный характер.

Для изготовления отливок I класса точности (заготовки массового производства) целесообразно применять машинную формовку по металлическим моделям, механизированный выем моделей из полуформ. В этом случае могут быть также получены сложные по форме тонкостенные заготовки с отверстиями диаметром от 20 мм и более. Если стержни изготовляют на специальных машинах и калибрируют перед сборкой Б кондукторе, то полученные заготовки по точности взаимного расположения поверхностей и отклонениям размеров обеспечивают возможность механической обработки в специальных или специализированных приспособлениях, в том числе на автоматах и полуавтоматах.

Отливки II класса точности (заготовки серийного производства), рекомендуется выполнять литьем по деревянным моделям, применяя машинную формовку с механизированным выемом моделей из полуформ, причем модели закрепляются на металлических плитах. Такой способ литья в заготовках позволяет получить литые отверстия диаметром свыше 30 мм.

Отливки III класса точности (заготовки мелкосерийного и единичного производства) изготовляют в основном в песчаных формах с ручной формовкой по деревянным моделям. В отдельных случаях применяется машинная формовка по координатным плитам с незакрепленными моделями. Такой способ литья позволяет выполнять литые отверстия диаметром свыше 50 мм.

Применение других способов литья определяется особенностями размеров, формы и технических требований к детали.

Для больших деталей (массой свыше двух тонн) заготовки отливают в землю, а для формовки применяют деревянные модели.

Если деталь имеет ряд поверхностей, которые по техническим условиям не требуют обязательной обработки резанием и должны быть точно расположены друг относительно друга, и иметь высокое качество поверхности, целесообразно применять литье в различные оболочковые формы. Такими формами могут быть песчано-смоляные, жидко-стекольные и т.п., а также литье в оболочковые формы по выплавляемым или растворяемым моделям (масса таких отливок не должна превышать 150 кг).

Учитывая, что организация такого участка специального литья требует значительных капиталовложений, а технология литья включает ряд сложных и длительных операций, себестоимость одной тонны отливок с применением указанных способов литья возрастает в 8 – 12 раз, и поэтому применение литья в оболочковые формы целесообразно только в крупносерийном и массовом производстве. Заготовки из цветных металлов и сплавов целесообразно отливать в формы многократного применения: керамические и песчано-цементные для небольших партий деталей и в металлические формы (кокильное литье и литье под давлением) для крупносерийного и массового производства.

Если деталь имеет форму полого цилиндра, то часто используют центробежное литье. Заготовки, у которых величина наружного диаметра превышает высоту детали, отливают на машинах центробежного литья с вертикальной осью вращения; при этом возможно получение двухслойных заготовок (чугунбронза, сталь-чугун и т.д.). Максимальная масса заготовок такого способа литья – 50 кг.

Полые заготовки удлиненной формы (длина больше наружного диаметра) отливают на машинах с горизонтальной осью вращения (максимально допустимая масса – 600 кг).

3. Выбор способа получения поковок

Определяющими факторами при выборе способа получения заготовки методами пластического деформирования, являются тип производства, размеры детали, форма поковки и свойства материала поковки.

На первом этапе выбора решающее значение приобретает тип производства рассматриваемой детали, так как технологический процесс обработки давлением основан на применении высокопроизводительного и сравнительно дорогого оборудования, а также дорогого инструмента (штампов). В единичном и мелкосерийном производстве оборудование должно, быть универсальным и сравнительно недорогим, а его производительность не столь существенна, как например, в массовом производстве. Деформирующий инструмент также должен иметь, по возможности, универсальное применение, простую форму и невысокую стоимость.

Этим условиям отвечает свободная ковка на ковочных молотках, а также ковка с применением подкладных колец и подкладных, штампов.

В серийном производстве целесообразно применять штамповочные молоты различных видов, а процесс формообразования производить в штампах, половины которых закрепляются на столе и на бабе молота и могут иметь до пяти ручьев сложной формы.

Производительность штамповки и точность поковок при использовании штамповочного молота в крупносерийном и массовом производстве уже недостаточна. Поэтому наиболее рациональным является применение кривошипных кузнечно-прессовых машин: кривошипного горячештамповочного пресса (КГШП), горизонтально-ковочной машины (ГКМ), чеканочного (кривошипноколенного) пресса, а также специализированных высокопроизводительных машин (раскатной машины, ковочных вальцов и т.п.).

Для большинства мелких и средних деталей, используемых в машиностроении, высказанные соображения имеют силу, однако в ряде случаев приходится отступать от намеченных рекомендаций

Тенденция современного машиностроения направленная на увеличение мощности отдельных машин (насосов, компрессоров, буровых машин и т.п.) приводит к тому, что для пластического деформирования ряда деталей недостаточно усилия, развиваемого молотами и кривошипными машинами. Поэтому для больших деталей (например, диаметром свыше 1000 мм) приходится использовать ковку или штамповку на гидравлических прессах, несмотря на их сравнительную тихоходность (свободную ковку для индивидуального и мелкосерийного производства, а штамповку – для серийного, крупносерийного и массового, производства).

Если детали по размеру невелики, но имеют сложную форму и по условиям эксплуатации должны иметь очень плотную структуру металла, то заготовки для них нужно изготавливать с помощью закрытой штамповки в разъемных матрицах. Наиболее удобно для такого способа штамповки использовать винтовой фрикционный пресс (в мелкосерийном и серийном производстве) или специализированный полуавтомат кривошипного типа (в массовом производстве). Особую группу по форме деталей составляют длинные поковки с фланцем, а

также поковки со сквозными и глухими отверстиями для деталей типа буровых колонн, штанг глубиннонасосных установок, втулок, полумуфт, колец подшипников и т.п. Для них рекомендуется выбирать способ штамповки на горизонтально-ковочной машине, так как наличие в ней разъемной матрицы и горизонтальное расположение главного ползуна позволяет получать поковки сложной формы с минимальными отходами металла.

Низкая пластичность материала независимо от типа производства и размеров детали требует применения гидравлического пресса, поскольку только он может обеспечить плавную работу и достаточно низкую скорость пластической деформации, при которой не образовываются микротрещины и другие дефекты в поковках.

Способ штамповки определяет также наименьшие диаметры отверстий, которые могут быть получены пластическим деформированием заготовок. При свободной ковке на молотах и гидравлических прессах минимальный диаметр отверстия равен 80 мм, при штамповке на молотах – 50 мм, а при штамповке на кривошипных машинах – 35 мм.

4. Определение промежуточных припусков, допусков и размеров заготовок

Важную роль в процессе разработки технологических операций механической обработки деталей играют промежуточные припуски. Правильное назначение промежуточных припусков на обработку заготовки обеспечивает экономию материальных и трудовых ресурсов, качество выпускаемой продукции, снижает себестоимость изделий и ускоряет дальнейшее развитие машиностроительной промышленности.

Промежуточные припуски в массовом и крупносерийном производстве рекомендуется рассчитывать аналитическим методом. Это позволяет обеспечить экономию материала, электроэнергии и других материальных и трудовых ресурсов производства.

Статистический (табличный) метод определения промежуточных припусков на обработку заготовки используют в единичном производстве. Это обеспечивает более быструю подготовку производства по выпуску планируемой продукции и освобождает инженернотехнических работников от трудоемкой работы.

После расчета промежуточных размеров определяют допуски на эти размеры, соответствующие экономической точности данной операции. Промежуточные размеры и допуски на них определяют для каждой обрабатываемой поверхности детали.

Черновые операции обычно следует выполнять с более низкими техническими требованиями на изготовление (12 – 14 квалитет), получистовые – на один-два квалитета ниже и окончательные операции выполняются по требованиям рабочего чертежа детали.

Шероховатость обрабатываемых поверхностей зависит от степени точности и назначается по справочным таблицам.

Необоснованное повышение качества поверхности и степени точности обработки повышает себестоимость изготовления детали на данной технологической операции.

При назначении промежуточных предельных отклонений необходимо учитывать данные рекомендации при разработке технологического процесса изготовления деталей.

Таблица 1. Рекомендуемая шероховатость поверхности Rа (мкм) в зависимости от точности изготовления деталей

Таблица 2. Рекомендуемые точность и качество поверхности при обработке наружных цилиндрических поверхностей

Примечание. Значения допусков относятся к деталям из сталей. Для деталей из чугуна или; цветных металлов предельные отклонения по точности можно принимать на один квалитет точнее.

Таблица 3. Рекомендуемые точность и качество поверхности при обработке отверстий

Примечание. Данные значения предельных отклонений в рамках относятся к деталям из стали. Для деталей из чугуна и цветных сплавов предельные отклонения по точности можно принимать на один квалитет точнее.

Таблица 4. Рекомендуемые точность и качество поверхности при их обработке

Примечание. Данные значения таблицы относятся к деталям из стали. Для деталей из чугуна или цветных сплавов предельные отклонения по точности можно принимать на один квалитет точнее.