Производство заготовок в машиностроении. Виды заготовок в машиностроении

В машиностроении под заготовкой принято понимать полуфабрикат, поступающий на механическую обработку, в результате которой он превращается в годную для сборки деталь. Перед заготовительным производством стоит задача получения заготовок с максимальным приближением к форме и размерам готовой детали, максимально увеличить коэффициент использования металла, т.е. оставить на обработку резанием минимально необходимые припуски и уменьшить количество металла, обращаемого в стружку.

Основными методами получения заготовок являются:

– обработка металлов давлением (пластическое деформирование);

– получение заготовок из проката;

– получение заготовок методом сварки.

§ 7.1 Литейное производство

Литейное производство – это отрасль машиностроения, изготавливающая заготовки или детали (отливки) путём заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию отливки. Рассмотрим некоторые способы литья.

Литьё в земляные формы . Схема литья показана в землю показана на рис. 7.1. На рисунке обозначены 1 – отливка (получаемая заготовка), 2 – каналы для заливки расплавленного металла, 3 – формовочная смесь, 4 – опока (стальной ящик для формовочной смеси), 5 – линия разъёма литейной формы. Сначала изготавливают металлическую или деревянную модель. Эту модель помещают в незатвердевшую формовочную смесь и соединяют две полуформы. Этот процесс называется формовкой. Формовочная смесь состоит в основном из песка и отверждаемой смолы. После затвердевания формовочной смеси полуформы разъединяют, извлекают модель, вновь соединяют две полуформы и в образовавшуюся полость через каналы заливают расплавленный метал. После застывания металла полуформы разъединяют по линии разъёма и извлекают отливку. Формовочная смесь используется один раз, так как при извлечении отливки форма разбивается, рассыпается. Для получения новой отливки необходимо снова производить формовку. Модель используется многократно.

Рис. 7.1 Литьё в земляные формы

Литьё в землю – самый универсальный и распространённый способ литья. Он применяется во всех типах производства (единичном, серийном, массовом) и служит для получения самых различных по массе и конфигурации отливок из любых литейных сплавов.

Литьё по выплавляемым моделям . Этот способ основан на применении моделей из легкоплавких материалов, например, из воска. Схема способа показана на рис. 7.2. На рисунке обозначены 1 – модель, 2 – оболочка, 3 – каналы для заливки расплавленного металла. Сначала изготавливают легкоплавкую модель. Затем эта модель покрывается слоем огнеупорных покрытий. После затвердевания оболочки, производят заливку расплавленного металла, не извлекая модель. При заливке металла модель сразу расплавляется до жидкого состояния и вытесняется из оболочки заливаемым металлом. После застывания металла оболочка разрушается и остаётся отливка требуемой конфигурации.

Данным способом можно получат отливки массой до 150 кг. Преимуществами способа являются отсутствие линии разъёма, более высокая точность и меньшая шероховатость по сравнению с литьём в землю.

Рис. 7.2 Литьё по выплавляемым моделям Рис. 7.3 Литьё в оболочковые формы

Литьё в оболочковые формы . Схема способа показана на рис. 7.3. На рисунке обозначены 1 – модель, 2 – оболочка, 3 – каналы для заливки расплавленного металла, 4 – линия разъёма формы. Сначала изготавливается металлическая или деревянная модель, которая покрывается слоем огнеупорных красок и покрытий на основе фенолформальдегидных смол. Толщина покрытия составляет 5…15 мм. После затвердевания покрытия получается оболочка. Она разрезается по линии разъёма, модель извлекается, а две полуформы вновь соединяются. Поучается оболочка, внутри которой образуется полость требуемой конфигурации. В эту оболочку заливается расплавленный металл. После застывания металла оболочка разрушается и остаётся отливка требуемой конфигурации.

Данным способом можно получат отливки массой до 150 кг. Преимуществами способа являются более высокая точность и меньшая шероховатость по сравнению с литьём в землю. Модель может использоваться многократно.

Литьё в кокиль . Кокиль – это металлическая литейная форма. Отливки получают путём свободной заливки расплавленного металла в кокиль. Схема способа показана на рис. 7.4. На рисунке обозначены 1 – полость, 2 – детали кокиля, 3 – канал для заливки расплавленного металла, 4 – линия разъёма формы. Перед заливкой внутренние поверхности кокиля обмазывают огнеупорными красками и подогревают до 300…500ºС. После застывания металла части кокиля разъединяют и извлекают отливку.

Рис. 7.4 Литьё в кокиль

Стойкость кокиля составляет 300…500 отливок. Точность размеров отливки и качество поверхности значительно выше, чем при литье в землю. Недостатком способа является трудоёмкость изготовления самого кокиля. Поэтому, он используется в серийном и массовом производстве.

§ 7.2 Получение заготовок методами

обработки металлов давлением

Обработкой давлением называют процессы получения заготовок и деталей машин методами пластического деформирования материалов. Это деформирование осуществляется силовым воздействием соответствующего инструмента на исходную заготовку из пластического материала.

Ковка . Оборудование – ковочные молоты и прессы. Инструмент называется молот. Он может иметь различную форму. Деформирование исходной заготовки осуществляется при ударном воздействии инструмента. Ковка состоит из чередования основных и вспомогательных операций. К вспомогательным операциям относятся периодический нагрев заготовки и смена инструмента. К основным операциям относятся:

1) осадка – это операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади поперечного сечения;

2) протяжка – это операция уменьшения площади поперечного сечения заготовки при увеличении её длины;

3) прошивка – это операция получения полостей или отверстий в заготовке за счёт вытеснения металла;

4) отрубка – это операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру;

5) гибка – это операция придания заготовке изогнутой формы по незамкнутому контуру.

Рис. 7.5 Ковка в подкладных штампах

Для получения ковкой заготовок более сложной формы применяют подкладные штампы (рис. 7.5). На рисунке обозначены: 1 – молот (инструмент), 2 – получаемая заготовка, 3 – подкладной штамп. На рисунке также показана исходная заготовка простой цилиндрической формы. В процессе ковки молот наносит по исходной заготовке удары, осуществляя основные операции ковки. В результате заготовка принимает конфигурацию подкладного штампа. Причем объём и масса исходной и получаемой заготовки одинаковы.

Ковку применяют во всех типах производства, особенно для получения крупногабаритных заготовок. Точность и качество поверхности заготовки после ковки невысоки: 14…17 квалитет, Ra 80.

Объёмная горячая штамповка . Штамповка выполняется на различных прессах. Инструмент для штамповки называется штамп. Штамп предназначен для изготовления одного вида заготовки или детали. Он состоит из двух или трёх частей: одной неподвижной и подвижных. Неподвижная часть называется матрицей, подвижная – пуансоном. В соединённом состоянии части штампа образуют замкнутую полость определённой конфигурации. Схема штамповки показана на рис. 7.6, где обозначены: 1 – части штампа, 2 – полость, которая заполняется штампуемым металлом, 3 – линия разъёма частей штампа.

Рис. 7.6 Объёмная горячая штамповка

В качестве исходных для штамповки принимаются заготовки простой формы: цилиндрической, призматической. В процессе штамповки части штампа сводятся вместе, металл исходной заготовки пластически деформируется и принимает конфигурацию полости. Таким образом, в процессе штамповки могут быть получены заготовки сложной конфигурации, с большим приближением к форме будущей детали. Причём объём исходной и получаемой заготовки одинаков.

Штамп – это сложный и дорогостоящий инструмент. В то же время он применяется для получения одного вида заготовок. Поэтому штамповка применяется в серийном и массовом производстве, где штамп обрабатывает большие партии (сотни или тысячи штук) одинаковых заготовок, и стоимость штампа распределяется на все изготовляемые им заготовки. Преимущества штамповки: большое приближение формы заготовки к форме будущей детали и, соответственно, высокий коэффициент использования металла на операциях резания; высокая производительность; более высокая точность и качество поверхности по сравнению с операциями ковки. Приближение формы заготовки к форме детали сокращает количество операций обработки резанием и, соответственно, уменьшает стоимость механической обработки.

§ 7.3 Получение заготовок из проката

Металлургическая промышленность выпускает прокат различного профиля из различных марок материалов. На рис. 7.7 показаны некоторые виды проката: а) пруток – это прокат круглого сечения различных диаметров; диаметр d прутков регламентируется, длина поставляемых прутков не регламентируется и может быть различной: 4 метра, 6 метров и более.

б) прокат шестигранного сечения; регламентируется размер шестигранника S , диаметр описанной окружности D – это справочный размер.

в) трубный прокат; регламентируются наружный диаметр D и внутренний диаметр d .

г) прокат квадратного или прямоугольного сечения; регламентируется размер а .

д) листовой прокат; регламентируется толщина листа S , длина а и ширина b листа может быть различной, обычно не менее 1500 мм.

Рис. 7.7 Профили проката

Также существует фасонный прокат более сложного сечения. На машиностроительные предприятия металл поставляется большими партиями. Длина проката может быть различной, обычно от 4 до 9 метров. Для получения конкретной заготовки от проката нужного сечения и размеров отрезается кусок требуемой длины. Например, требуется получить заготовку круглого сечения диаметром 25 мм и длиной 100 мм. Для этого берётся пруток диаметром 25 мм и от него отрезается заготовка в 100 мм длиной, которая затем поступает на механическую обработку. Для резки металла используются различные способы: резка дисковой или ленточной пилой, резка абразивным кругом, газопламенная резка, плазменная резка, рубка на гильотинных ножницах и др.

Заготовки из проката имеют простую форму. Над ними не производится дополнительных заготовительных операций, поэтому они существенно дешевле штамповок. Но такая заготовка обычно не похожа по форме на будущую деталь. Поэтому, деталь полностью изготавливается методами обработки резанием, что приводит к увеличению числа операций резания, снижению коэффициента использования металла и, соответственно, повышению затрат на механическую обработку. Заготовки из проката используются в единичном и мелкосерийном производстве в тех случаях, когда экономически нецелесообразно изготавливать дорогостоящий штамп и тратить время на подготовку производства.

§ 7.4 Сварные заготовки

Сварка – это технологический процесс получения неразъёмных соединений из металлов, сплавов и других однородных и неоднородных материалов в результате образования атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых материалов. В качестве исходных заготовок для сварки могут применяться прокат и литьё. Исходные заготовки соединяют друг с другом и сваривают. Вследствие этого сварная заготовка может иметь очень сложную конфигурацию при относительно простой и нетрудоёмкой технологии изготовления.

Вследствие неравномерных температурных полей при сварке и остывании сварные заготовки имеют внутренние напряжения. Поэтому, для снятия напряжений ответственные заготовки необходимо отжигать. Вследствие своей небольшой трудоёмкости и универсальности сварку применяют во всех типах производства. Например, в единичном – для получения заготовок корпусных деталей; в серийном или массовом – для соединения крупногабаритной и мелкой заготовки, для присоединения к базовой детали различных кронштейнов, проушин.

§ 7.5 Завершающие операции заготовительного производства

В основном к завершающим операциям относятся очистка заготовок от остатков формовочной смеси, пригаров, окалины, а также удаление облоя и литников (излишний металл на заготовке). Для этой цели используются пескоструйная, дробемётная очистка, галтовка и травление.

Пескоструйная очистка – это очистка заготовки струёй песка, подаваемого сжатым воздухом. Песчинки, летящие с большой скоростью, сбивают с заготовки остатки формовочной смеси, грязь, окалину, оставляя практически чистую металлическую поверхность. При дробемётной очистке вместо песка используется стальная или стеклянная дробь (мелкие шарики).

Галтовка используется для мелких и средних заготовок. Заготовки и песок или дробь засыпаются в барабан, который начинает вращаться в разных направлениях. В результате заготовки в барабане очищаются.

Травление – это очистка заготовок кислотой (для стали и чугуна) или щёлочью (для алюминия). Это самый качественный, но дорогостоящий метод очистки.

Вопросы для самоконтроля

1) В чём состоит сущность процессов литья?

2) Как получают литейную форму при литье в землю?

3) Из каких материалов изготавливают модель при литье по выплавляемым моделям?

4) При каких процессах литья модель используется многократно?

5) Какой способ литья является самым универсальным?

6) При каком способе литья литейная форма используется многократно?

7) Приведите определение термина «кокиль»?

8) В чём состоит сущность способов обработки металлов давлением?

9) Назовите основные операции ковки?

10) Сколько различных конфигураций заготовок или деталей можно получить при помощи одного штампа?

11) На сколько изменяется объём металла в процессах обработки давлением?

12) В каких типах производства целесообразно использовать поковки? Почему?

13) Какие вы знаете профили проката?

14) Какими преимуществами обладают заготовки из проката?

15) Как получить заготовку из проката?

16) Какими преимуществами обладают сварные заготовки?

17) Что используется в качестве исходных заготовок для сварных заготовок?

18) Какие существуют способы очистки заготовок?

19) Сущность пескоструйной очистки?

20) Сущность галтовки?

Заготовительное производство в машиностроении

Заготовительное производство в машиностроении

Заготовительное производство в машиностроении

Заготовительное производство в машиностроении

Заготовительное производство в машиностроении

Заготовительное производство в машиностроении

Заготовительное производство в машиностроении

10. Заготовительное производство в машиностроении

11. Заготовительное производство в машиностроении

12. Заготовительное производство в машиностроении

13. Заготовительное производство в машиностроении

14. Заготовительное производство в машиностроении

15. Заготовительное производство в машиностроении

16. Заготовительное производство в машиностроении

17. Заготовительное производство в машиностроении

18. Заготовительное производство в машиностроении

19. Заготовительное производство в машиностроении

20. Заготовительное производство в машиностроении

21. Заготовительное производство в машиностроении

22. Заготовительное производство в машиностроении

23. Заготовительное производство в машиностроении

24. Заготовительное производство в машиностроении

25. Заготовительное производство в машиностроении

26. Заготовительное производство в машиностроении

27. Заготовительное производство в машиностроении

28. Заготовительное производство в машиностроении

29. Заготовительное производство в машиностроении

30. Заготовительное производство в машиностроении

31. Заготовительное производство в машиностроении

32. Заготовительное производство в машиностроении

33. Заготовительное производство в машиностроении

34. Заготовительное производство в машиностроении

35. Заготовительное производство в машиностроении

36. Заготовительное производство в машиностроении

37. Заготовительное производство в машиностроении

38. Заготовительное производство в машиностроении

39. Заготовительное производство в машиностроении

40. Заготовительное производство в машиностроении

41. Заготовительное производство в машиностроении

42. Заготовительное производство в машиностроении

43. Заготовительное производство в машиностроении

44. Заготовительное производство в машиностроении

45. Заготовительное производство в машиностроении

46. Заготовительное производство в машиностроении

47. Заготовительное производство в машиностроении

48. Заготовительное производство в машиностроении

49. Заготовительное производство в машиностроении

50. Заготовительное производство в машиностроении

51. Заготовительное производство в машиностроении

52. Заготовительное производство в машиностроении

53. Заготовительное производство в машиностроении

54. Заготовительное производство в машиностроении

55. Заготовительное производство в машиностроении

56. Заготовительное производство в машиностроении

57. Выбор вида заготовок.

58. Выбор вида заготовок.

59. Выбор вида заготовок.

60. Выбор вида заготовок.

61. Выбор вида заготовок.

62.

68. Выбор вида заготовок.

Классификация методов получения заготовок

Заготовки в машиностроении бывают четырех видов – бунтовые (проволока или лента, свернутые в бунт), прутковые (прутки, полосы, тяги), штучные (отливки, поковки, штучные из прутков) и порошковые (пресс-порошки, гранулы, таблетки) для получения пластмассовых, металлокерамических и керамических деталей.

Из бунтовых заготовок большой длины можно получить очень большое число деталей, меньшее число – из прутковых заготовок и только одну деталь – из штучной заготовки. Небольшие по размерам и массе детали целесообразно изготавливать из бунтовых и прутковых заготовок. Для получения высокого коэффициента использования материала необходимо применять штучные заготовки, по форме и размерам близкие к готовой детали. Из порошков и гранул получают штучные заготовки или готовые детали, дальнейшая обработка которых почти не требуется.

Основные способы изготовления заготовок приведены на рисунке 1.

Правильно выбрать способ получения заготовки – означает определить рациональный технологический процесс её получения с учётом материала детали, требований к точности её изготовления, технических условий, эксплуатационных характеристик и серийности выпуска. Машиностроение располагает большим количеством способов получения деталей. Максимальное приближение геометрических форм и размеров заготовки к размерам и форме готовой детали – главная задача заготовительного производства. Заданные конструктором форма, размеры и марка материала детали во многом определяют технологию изготовления. Таким образом, выбор вида заготовки происходит в процессе конструирования, так как при расчёте деталей на прочность, износостойкость или при учете других показателей эксплуатационных характеристик конструктор исходит из физико-механических свойств материала детали.

На себестоимость изготовления детали влияют конструктивные, производственные и технологические факторы. То, насколько полно в заготовке учтено влияние факторов первой и второй групп, позволяет судить о технологичности заготовки

Применяют и другие методы литья: непрерывное, электрошлаковое, выжиганием, штамповкой из расплава и др.

Возможности: заготовки массой до 250 т простой формы; на молотах в подкладных кольцах и штампах до 10 кг, при этом толщина стенок заготовки достигает 3-2,5 мм, точность

К операциям листовой формовки относят правку (рихтовку), фасонную (рельефную) штамповку, отбортовку, формовку, обжим, раздачу.

Методами штамповки изготавливат металлические сплавы (сталь различных марок, сплавы цветных металлов, а также биметаллические) и неметаллические материалы (текстолит, прессшпан, резина, войлок). Металлические материалы по виду заготовок можно разделить на рулонный (шириной свыше 300 мм), ленты, листы, полосы, проволоку и круглый прокат (в бухтах), прутки и прокат различного сечения. Неметаллические материалы, как правило, поставляются в виде листов или полос.

В условиях массового и крупносерийного производства экономически целесообразно получение заготовок, наиболее близко приближающихся по форме и размерам к готовым деталям. В этом случае себестоимость заготовок увеличивается, но объем механической обработки значительно сокращается.

В условиях единичного и мелкосерийного производства заготовки далеки по размерам и форме от готовой детали, т. е. имеют значительные припуски для механической обработки. Из многих возможных способов получения заготовки необходимо выбрать экономически целесообразный.

Окончательный выбор метода устанавливают на основе расчетов:

• А) себестоимости метода получения исходных заготовок;
• Б) себестоимости самого процесса механообработки.

В автоматизированном машиностроении важен выбор способа получения заготовки, который является началом разработки технологического процесса получения изделия. При этом необходимо выбрать наиболее рациональный способ ее получения исходя из условий реального производства и наличия оборудования, выявить комплекс технических требований, предъявляемых к заготовке, назначить припуски под механическую обработку. Выделим способы производства для каждой группы деталей.

Заготовки для корпусных деталей

Заготовки корпусных деталей получают литьем, горячей объемной штамповкой, холодной листовой штамповкой (в приборостроении). В современных конструкциях находят также применение листосварные заготовки корпусов машин. В автоматизированном машиностроении до 95%, согласно сведениям, приведенным в , основным материалом корпусных деталей является чугун.

Для корпусных деталей основные способы: литье в

глинисто-песчаные формы, в кокиль, под давлением, по выплавляемым моделям. В единичном производстве, а также для крупногабаритных деталей, применяют ручную формовку. В серийном и массовом производстве для мелких и средних отливок используют машинную формовку. Таким способом выпускают детали двигателей внутреннего сгорания, компрессоров, насосов и т.п.

Для деталей из серого чугуна и сталей установлено три класса точности - 1,11,11. Согласно для каждого из них определены предельные отклонения размеров и массы заготовки. Например, для отливок длиной до 500 мм всех классов точности допустимые отклонения составляют от 1,0 до 2,5 мм.

Фасонные отливки из чугуна, стали, цветных сплавов получают литьем в кокиль. Этим способом можно получать заготовки размерами до 1,5 м и массой от десятков граммов до нескольких тонн. Отливки, получаемые литьем в кокиль, имеют точность, соответствующую 11... 12 квалитету, а шероховатость Д, может достигать 10...5 мкм. Достижение этих качественных характеристик позволяет уменьшать припуски на механическую обработку, более плотная мелкозернистость кокильного литья позволяет увеличивать механические свойства материала на

15...30 %. Кокильные формы выдерживают от нескольких сотен до нескольких тысяч отливок, в среднем 500. Сама технология литья в металлические формы позволяет автоматизировать производство заготовок. Заготовки, получаемые литьем в кокиль, особенно автоматизированным способом, должны иметь как можно более простую форму, без значительных утолщений, конструктивных элементов, затрудняющих извлечение изделий из формы. Для получения нормального заполнения формы, для заготовок длиной до 700 мм, стенки должны иметь толщину не менее 8... 10 мм для чугунных и не менее 3...6 мм для цветных сплавов.

Точные фасонные отливки сложной конфигурации получают литьем под давлением в металлические формы. Этот способ позволяет получать очень точные отливки с тонкими стенками, которые к тому же обладают хорошими механическими свойствами. Как правило, таким способом получают заготовки, уже не требующие механической обработки. Точность получаемых отливок соответствует 11... 14-му квалитету, а при хорошем качестве пресс-формы достигает 9... 10-го квалитета. Достигаемый параметр шероховатости Д,=5... 1,25 мкм. Для литья под давлением используют специальные дорогостоящие машины, позволяющие автоматизировать весь процесс получения заготовки. Износостойкость пресс-форм составляет до 40...50 тыс. отливок. В связи с этим литье под давлением используют в крупносерийном и массовом производстве, что позволяет окупать затраты на оборудование и оснастку.

Литьем в оболочковые формы одноразового использования получают заготовки ответственных фасонных деталей из различных материалов в серийном и массовом производстве. Получаемые этим методом детали имеют длину до 500...700 мм, массу - не более 50 кг. Точность размеров получаемых заготовок соответствует 12... 14-му квалитету, что позволяет получать припуски под механическую обработку до 0,25...0,5 мм, шероховатость ^=10...2,5 мкм.

В мелкосерийном и массовом производстве в последнее время получили распространение корпусы, изготовленные при помощи сварки : листосварные заготовки, используемые в станкостроении и приборостроении, корпусы запорной арматуры, тройники и т.п. Использование этого способа получения заготовок требует применения специальных сварочных автоматов, станков для подготовки заготовок под сварку, машин,производящих зачистку деталей после сварки. Как правило, сварными заготовками заменяют заготовки, получаемые литьем в глинисто-песчаные формы. Они имеют по сравнению с литыми в 1,5.. .2 раза меньшую массу, у них могут полностью отсутствовать припуски под механическую обработку, а некоторые их детали можно заранее обработать перед сваркой.

Заготовки, полученные различными способами, необходимо подвергать термической обработке. Вид обработки и режимы назначает инженер-технолог, с учетом технических требований к изделию и его конструкции. Низкотемпературный отжиг, обеспечивающий снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и стабилизацию размеров, используют в основном для отливок из серого чугуна. Для улучшения структуры и обрабатываемости легких сплавов, для снижения внутренних напряжений и повышения физико-механических свойств легких сплавов, также необходима термическая обработка. Для снятия внутренних напряжений в отливках используют выдержку (от нескольких недель до нескольких лет) заготовок на улице, при естественных колебаниях температуры. Внутренние напряжения также снимают в специальных вибро- или встряхивающих машинах. Перед передачей заготовок в механическую обработку их подвергают дробеструйной или пескоструйной очистке, проводят устранение дефектов, грунтуют, красят.

Заготовкой в машиностроении называют предмет труда, из которого изменением формы, размеров, свойств поверхностей и (или) материала изготовляют деталь. Заготовительное производство является неотъемлемой начальной фазой любого машиностроительного производства.

Заготовки принято различать по виду, отражающему характерные особенности базового технологического метода их изготовления. Выделяют следующие виды заготовок:

• 1) получаемые литьем (отливки);
• 2) получаемые обработкой давлением (кованые и штампованные заготовки);
• 3) заготовки из проката;
• 4) сварные и комбинированные заготовки;
• 5) получаемые методами порошковой металлургии.

Заготовка может быть штучной (мерной) или непрерывной, например пруток горячекатаного проката, из которого путем его разрезки в процессе изготовления могут быть получены отдельные штучные заготовки.

Развитие машиностроения привело к появлению еще одного вида заготовок, получаемых из конструкционной керамики.

Заготовка каждого вида может быть получена одним или несколькими методами (способами), родственными базовому. Например, отливка может быть получена литьем в песчаные, оболочковые формы, в кокиль и т.д.

Литьем получают заготовки практически любых размеров как простой, так и очень сложной конфигурации практически из всех металлов и сплавов. Качество отливки зависит от условий кристаллизации металла в форме, определяемых способом литья. В некоторых случаях внутри стенок отливок возможно образование дефектов (усадочные рыхлоты, пористость, горячие и холодные трещины), которые обнаруживаются только после черновой механической обработки.

Обработкой металлов давлением получают кованые и штампованные заготовки, а также машиностроительные профили. Ковку применяют в единичном, мелкосерийном производствах, а также при изготовлении очень 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. Машиностроительные профили изготовляют прокаткой, прессованием, волочением.

Заготовки из проката применяют в единичном и серийном производствах. Прокат выбранного профиля путем разрезки превращают в штучные (мерные) заготовки, из которых последующей механической обработкой изготовляют детали. Совершенство заготовки определяется близостью выбранного профиля проката поперечному сечению детали (с учетом припусков на обработку).

Сварные и комбинированные заготовки изготовляют из отдельных составных элементов, соединяемых с помощью различных способов сварки. В комбинированной заготовке, кроме того, каждый составной элемент представляет собой самостоятельную заготовку соответствующего вида (отливка, штамповка и т.д.), изготовленную выбранным способом по самостоятельному технологическому процессу. Сварные и комбинированные заготовки значительно упрощают создание конструкций сложной конфигурации. Неправильная конструкция заготовки или неверная технология сварки могут привести к дефектам (короблению, пористости, внутреннему напряжению), которые трудно исправить механической обработкой.

Заготовки, получаемые методами порошковой металлургии, по форме и размерам могут соответствовать готовым деталям и требовать лишь незначительной, чаше отделочной обработки.

Заготовки из конструкционной керамики применяют при создании теплонапряженных и (или) работающих в агрессивных средах деталей.

Заготовку перед первой технологической операцией процесса изготовления детали называют исходной заготовкой.

Сведения о заготовках основных видов приведены в приложении 3 .

Выбор заготовки заключается в последовательном определении ее вида и способа изготовления, на основании которых оформляют заказ и разрабатывают технологический процесс ее изготовления.

Выбор заготовки - задача конструктора машины. Принятое им решение является обязательным к исполнению для технолога. Технолог выполняет выбор заготовок, если в конструкторской документации не указаны их вид и способ изготовления. Исходные данные для выбора: чертеж детали с техническими требованиями на изготовление с указанием ее массы и марки материала; годовой объем выпуска, на основании которого делают заключение о предполагаемом типе производства; данные о технологических возможностях и ресурсах производства.

Для типовых деталей машиностроения выбор существенно упрощается: используют только апробированные (типовые) технологические решения. Например, диски газотурбинных установок однозначно получают обработкой давлением.

Выбор осуществляется только при наличии альтернативных решений. Формальные критерии выбора вида заготовки отсутствуют. Выбор начинают с анализа данных о технологических возможностях (ресурсах) производства. При этом учитывают возможности заготовительных цехов (наличие соответствующего оборудования). Плановые сроки подготовки производства также влияют на выбор (проектные работы, изготовление штампов, моделей, пресс-форм). Виды заготовок, невозможные для реализации (например, отсутствие собственного литейного производства и невозможность приобретения отливок по кооперации), исключают из рассмотрения. Обычно выбор осуществляют в результате анализа конструкторской документации по отдельным (частным) признакам. В таблице 3.5 приведены основные признаки, наиболее часто используемые при выборе вида заготовки.

Таблица 3.5

Основные признаки, используемые при выборе вида заготовки

Окончание

Примечание. О - отливка; ОД - полученная обработкой давлением; П - прокат; СК - сварная или комбинированная; П М - полученная методами порошковой металлургии; () - исключая; * - любая (равноприоритетность видов).

По каждому признаку из всего множества выбора определяют подмножество приемлемых видов заготовки и при возможности устанавливают их приоритеты. При этом используют эвристические правила (табл. 3.6). Равноприоритетность видов заготовок по какому-либо признаку позволяет исключать этот признак из рассмотрения. Выбранный вид обладает максимальным приоритетом из рассматриваемых и находится на пересечении указанных подмножеств. Если они не пересекаются, идут на необходимый компромисс. Ввиду малой мощности множества выбора принятое решение зачастую однозначно и не требует оптимизации. При выборе вида заготовки (особенно при наличии альтернатив) решение можно принимать на основании сопоставления значений экономически эффективных объемов выпуска (табл. 3.7).

Таблица 3.6

Основные правила выбора вида заготовки

Таблица 3.7

Экономически эффективные объемы выпуска заготовок из порошковых материалов на основе железа, шт./год

3.4. Выбор и обоснование метода изготовления заготовки 107

Окончание

Пример 3.7. Деталь планка (рис. 3.4) является элементом сборочного приспособления. В процессе эксплуатации испытывает незначительные статические нагрузки. Материал: сталь 45. Тип производства: серийное.

Результаты анализа по основным признакам, используемым при выборе вида заготовок, представлены в табл.3.8.

Рис. 3.4.

Таблица 3.8

Результаты анализа

Вывод. Вид заготовки - прокат.

Пример 3.8. Деталь рычаг (рис. 3.5) является элементом трансмиссии строительного механизма. В процессе эксплуатации испытывает знакопеременные изгибающие нагрузки. Материал: сталь 45Л. Тип производства: крупносерийное.

Рис. 3.5.

Результаты анализа представлены в табл.3.9.

Таблица 3.9

Результаты анализа

Вывод. Вид заготовки - отливка.

Пример 3.9. Деталь кулачок (рис. 3.6) является элементом коман- доаппарата специзделия. Материал: сталь 20Х. Тип производства: серийное.

Рис. 3.6.

Результаты анализа представлены в табл. 3.10.

Таблица 3.10

Результаты анализа

Вывод. Вид заготовки - обработка давлением.

Система признаков, используемых при выборе вида заготовки (см. табл. 3.5), является открытой и при необходимости может пополняться.

После выбора вида выбирают способ изготовления заготовки. По мере усложнения конфигурации заготовки, уменьшения напусков и припусков, повышения точности размеров и параметров расположения поверхностей усложняется и удорожается технологическая оснастка заготовительного цеха и возрастает себестоимость заготовки, но при этом снижается трудоемкость и себестоимость последующей механической обработки заготовки, повышается коэффициент использования материала. Заготовки простой конфигурации дешевле, так как при их изготовлении не требуется сложная и дорогая технологическая оснастка, однако при изготовлении таких заготовок необходима последующая трудоемкая обработка и повышенный расход материала.

При выборе способа изготовления заготовка еще не спроектирована, поэтому используют данные о конструктивно-технологических параметрах детали, при необходимости загрубляя их.

Выбирая способ литья, учитывают марку материала, массу, габариты детали (заготовки), минимальную толщину стенки отливки, площадь или максимальную протяженность стенки, минимальный диаметр и максимальную глубину как сквозных, так и глухих отверстий, заданные значения показателей качества отливки.

При выборе способа обработки давлением исходят из класса детали, массы детали (заготовки), габаритов, наличия отверстий в боковых стенках, наличия внутренних полостей и фланцев, заданных значений показателей качества заготовки.

При выборе заготовок полезны такие практические рекомендации:

• 1. В единичном серийном производствах стальные валы при разнице диаметров ступеней до 10 мм целесообразно изготавливать из круглого горячекатаного проката. При большей разнице заготовку следует выполнять ковкой в подкладных открытых штампах или горячей объемной штамповкой в закрепленных открытых штампах.
• 2. Заготовки чугунных втулок, фланцев, шестерен и других деталей, имеющих форму тел вращения с осевыми отверстиями, целесообразно получать литьем в песчаные формы по деревянным или металлическим моделям при машинной формовке, а также литьем в кокиль. С увеличением объемов выпуска становится оправданным применение центробежного литья. Отверстие проливают, если его диаметр у детали более 30 мм.
• 3. При наружном диаметре тех же деталей до 60-70 мм, но стальных, их изготавливают из горячекатаных прутков.
• 4. При наружном диаметре тех же деталей более 60-70 мм заготовку целесообразно получать ковкой в подкладных открытых штампах или горячей объемной штамповкой в закрепленных открытых штампах. При этом отверстие прошивают, если его диаметр у детали более 30 мм, а длина не превышает двух диаметров.
• 5. Заготовки чугунных рычагов, вилок, кронштейнов получают литьем в песчаные формы при машинной или ручной формовке, в большинстве случаев по деревянным моделям. Отверстия в бобышках проливают, если их диаметры у деталей более 30 мм.
• 6. Заготовки стальных рычагов, вилок, кронштейнов обычно получают свободной ковкой с напусками, упрощающими их форму, но увеличивающими объем механической обработки.
• 7. Заготовки чугунных корпусных деталей получают чаще всего литьем в песчаные формы по деревянным моделям при ручной или машинной формовке.

Даже внутри одного вида заготовок число конкурирующих альтернативных способов изготовления может быть значительным. Наиболее целесообразно выполнять селекцию альтернативных решений о способе изготовления заготовки по результатам технико-экономического анализа.

При сравнении заготовок разных видов и способов изготовления можно пользоваться следующими критериями:

1) максимума коэффициента использования материала К им: предпочтительнее тот способ, для которого значение АГ ИМ больше:

где А" им/ - коэффициент использования материала при /-м способе изготовления заготовки; m 3i - масса заготовки при /-м способе ее изготовления; /и д - масса детали;

2) минимума материалоемкости: предпочтительнее тот способ, для которого масса заготовки т 3 минимальна:

Снижение материалоемкости Ат. при использовании выбранной заготовки по сравнению с любым /-м ее вариантом:

Для самых предварительных приближенных оценок альтернативных способов изготовления заготовок одного вида можно воспользоваться критерием минимума относительной стоимости заготовок Z 0:

где Z 0i - относительная стоимость заготовки для /-го способа; U t - относительная удельная стоимость заготовки при i-м способе изготовления (табл. 3.11).

Таблица 3.11

Относительная удельная стоимость отливок

Окончание

Примечание. В реальных производственных условиях значения относительной удельной стоимости могут существенно отличаться от табличных!

Учитывая, что ЛГ ИМ/ = m a /m 3i , запишем:

Предварительный выбор вида и способа получения заготовок может и не привести к единственному варианту В этом случае целесообразно наметить для альтернативных вариантов типовые процессы изготовления (как собственно исходной заготовки, так и детали) и далее выполнить экономическое сравнение вариантов, по результатам которого принять окончательное решение.

Экономическое сравнение вариантов заготовок при принятии окончательного решения можно выполнять:

• 1) по технологической себестоимости заготовки;
• 2) цеховой себестоимости заготовки;
• 3) себестоимости изготовления детали;
• 4) приведенным затратам на изготовление заготовки;
• 5) приведенным затратам на изготовление детали.

Технологическая себестоимость заготовки отражает расходы, связанные с выполнением процесса ее изготовления в конкретных производственных условиях (в данном цехе), составляя при этом лишь часть цеховой себестоимости. Сравнения по технологической себестоимости возможно лишь тогда, когда производство заготовок по сравниваемым вариантам осуществляется в цехах одного типа (литейных, кузнечных, сварочных). Технологическая себестоимость заготовки

где С зп - основная и дополнительная заработная плата рабочих заготовительного производства; С 0 - затраты на эксплуатацию, содержание и ремонт оборудования; С со - затраты на содержание и ремонт оснастки; С к - затраты на эксплуатацию и ремонт производственных зданий; С а - затраты на амортизацию оборудования и оснастку.

Технологическая себестоимость заготовки может быть определена приближенно:

где С ч/ - норматив производственных затрат, приходящихся на один час работы заготовительного оборудования, занятого в/-й операции; / шт, - норма времени на /-ю операцию изготовления заготовки.

Цеховую себестоимость заготовки С цз используют при сравнении ее различных видов и способов (литье и обработка давлением; литье в песчаные формы, литье под давлением и т.д.):

где С м - затраты на материалы; С зп - заработная плата основных и вспомогательных рабочих заготовительного производства; Z - накладные цеховые расходы (Z= 150-800%).

где С, - стоимость 1 кг материала; /я м - общая масса материала, расходуемого на одну заготовку; Ц 03 - цена 1 кг реализуемых отходов; /я 03 - масса реализуемых отходов.

Более точно, чем (3.10), цеховую себестоимость можно определить как

где С тз - технологическая себестоимость заготовки; С м - затраты на материалы; Суз - общецеховые расходы определяются по стоимости работы оборудования (рабочего места) за 1 ч.

Сравнение по цеховой себестоимости может быть рекомендовано для относительно однородной продукции.

Себестоимость изготовления детали дает более полную картину взаимосвязанных затрат на производство заготовки и ее последующей механической обработки. Расчеты себестоимости следует проводить только по тем статьям затрат, которые изменяются в сопоставляемых вариантах. Затраты на основные материалы и заработную плату основных рабочих составляют до 80% себестоимости, поэтому сравнение вариантов изготовления детали при различных исходных заготовках можно проводить по этим двум статьям. Себестоимость изготовления детали

где М - затраты на материалы; L - заработная плата основных рабочих, занятых обработкой заготовок.

Стоимость основных материалов (заготовок) с учетом утилизации отходов определяют по формуле

где // заг - цена заготовки, руб./шт.; т 0 - масса отходов на одну деталь, кг/шт.; Ц 0 - цена отходов, руб./кг.

Цены материалов, заготовок и отходов определяют по действующим оптовым прейскурантам:

где /я 3 - норма расхода материала на одну деталь (масса заготовки), кг/шт.; Ц м - действующая оптовая цена единицы массы материала, руб./кг; К ТЗ - коэффициент транспортно-заготовительных расходов (1,05-1,08 для черных металлов; 1,00- 1,02 для других металлов).

Численно

где /я д - масса детали, кг.

Стоимость вспомогательных материалов М нс определяют по заводским нормам расхода и по соответствующим прейскурантам на материалы с добавлением транспортно-заготовительных расходов (8-10%).

Расчет по (3.8)-(3.16) может быть выполнен с использованием данных .

Выбор исходной заготовки связан с принятием соответствующего технологического решения, реализация которого требует обязательных производственных затрат.

Приведенные затраты П г относящиеся к /-му варианту любого технологического решения, определяют по формуле

где Су - себестоимость продукции при/-м варианте технологического решения; Kj - капитальные вложения по/-му варианту; Е- коэффициент сравнительной экономической эффективности.

До 1990-х гг. при определении приведенных затрат использовали нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности Е н. Для машиностроения?„ = 0,12. Нормативно задаваемый при этом срок окупаемости дополнительных капитальных вложений равен 8,3 года.

При наличии нескольких вариантов технологического решения лучшему из них соответствует меньшее значение приведенных затрат. Значение Е выбирают в диапазоне 0,12 1. Большему значению Е соответствует меньший срок окупаемости дополнительных капитальных вложений. Этот срок может быть ограничен, например, сроком погашения кредита, взятого в том числе и для реализации рассматриваемого технологического решения.

Выбор заготовок чаще всего проводят по приведенным затратам на изготовление детали. Вместе с тем возможно использование в качестве критерия и одного из слагаемых в (3.17). Заготовку могут выбирать, например, по минимуму величины суммарной технологической себестоимости изготовления детали С? :

где С тз - технологическая себестоимость заготовки; С 0 -стоимость механической обработки.

Методика определения технологической себестоимости заготовки изложена выше.

Стоимость механической обработки (С 0),- на рассматриваемой /-й операции определяют по формуле

где / шт/ - штучное время на / операции механической обработки, мин; 0 пз; - часовые приведенные затраты на работу оборудования, используемого в /-й операции, руб./ч.

где t oi - суммарное основное время для рассматриваемой /-й операции;

Таблица 3.12

Значения коэффициента

Окончание

Часовые приведенные затраты, связанные с эксплуатацией станка данной группы и типа, определяют по формуле

где 3 он - основная и дополнительная заработная плата оператора и наладчика за физический час работы оборудования с учетом отчислений на социальное страхование, руб./ч; к мо - коэффициент многостаночного обслуживания (табл. 3.13); О рм - часовые затраты на эксплуатацию рабочего места, руб./ч; Е- коэффициент сравнительной экономической эффективности; К оЬ - капитальные вложения в оборудование, отнесенные к часу его эксплуатации, руб./ч; ^ - капитальные вложения в производственные здания, отнесенные к часу эксплуатации оборудования, руб./ч.

Таблица 3.13

Значения коэффициента многостаночного обслуживания /с мо

Окончание

Основную и дополнительную заработную плату оператора и наладчика за час работы оборудования с учетом отчислений на социальное страхование предложено определять по формуле

где / 0 - часовая тарифная ставка оператора (станочника) соответствующего разряда; к и - коэффициент, учитывающий зарплату наладчика. Если наладку станка выполняет сам станочник, например в единичном и серийном производствах, то к н = 1,0. В массовом производстве к н = 1,1 - 1,15.

Часовую тарифную ставку определяют по действующим тарифноквалификационным справочникам или нормативам, устанавливаемым отделом труда и заработной платы предприятия. Учитывают условия труда и форму его оплаты (сдельную или повременную).

Часовые затраты на эксплуатацию рабочего места О определяют по формуле

где О - часовые затраты на эксплуатацию базового рабочего места при двухсменном режиме работы, руб./ч; Л чз - коэффициент часовых затрат, показывающий, во сколько раз затраты, связанные с эксплуатацией данного рабочего места (станка), больше, чем аналогичные расходы у базового станка.

При соответствующем выборе базового рабочего места для определения значения О рм можно воспользоваться соотношением

где К мч - коэффициент машино-часа (табл. 3.14.). Для базового рабочего места К мч = 1,0. При пониженной загрузке станка (коэффициент загрузки менее 0,6) возможна коррекция величины 0 рм в сторону уменьшения.

Для оценки капитальных вложений в оборудование и производственные здания, отнесенных к часу эксплуатации оборудования (К 0б и ^соответственно), предполагаются следующие соотношения: для серийного производства:

для массового производства:

где Z/ o6 - оптовая цена оборудования, руб.; - коэффициент транспортнозаготовительных расходов (? тз = 1,10-1,15); 5 П - производственная площадь, занимаемая оборудованием с учетом проходов, м 2 ; С ш - стоимость 1 м 2 производственной площади, руб/ м 2 ; q - принятое число станков на операции; / шт - штучное время, мин; В г - годовой объем выпуска деталей, шт.

Таблица 3.14

Значения коэффициента машино-часа К мч для станков различных групп и типов

Окончание

Производственную площадь, занимаемую оборудованием, с учетом проходов определяют по формуле

где 5 0б - производственная площадь, занимаемая оборудованием; к дп -коэффициент, учитывающий дополнительную производственную площадь (на проходы, проезды и др.). Значение к дп зависит от величины S o6:

где п - число операций механической обработки заготовки в технологическом процессе изготовления детали.

Использование изложенной методики при выборе заготовок требует предварительного определения состава ТП изготовления детали, определения режимов обработки, а также экономических характеристик эксплуатации рабочего места для каждой операции.

Применяемая в МГТУ им. Н.Э. Баумана методика выбора варианта заготовки базируется на использовании критерия минимума приведенных затрат на изготовление детали. Сравнение вариантов заготовок выполняют попарно: сравнивают базовый и предлагаемый (новый) варианты. Расчет ведут для одной детали.

Технологическую себестоимость изготовления одной детали С д определяют по формуле

где Л/ д - стоимость материалов, расходуемых на изготовление одной детали; 3 0 - заработная плата рабочих, занятых обработкой заготовок; А оЬ - амортизационные отчисления на оборудование.

Полагают, что стоимость материалов, расходуемых на изготовление одной детали, определяется стоимостью материала заготовки:

где /я р - норма расхода материала; /я 3 - масса заготовки (/я р * /я 3).

Более точным является первое выражение, и при наличии данных о нормах расхода следует применять его. При отсутствии таких данных можно воспользоваться второй формулой.

Для базового и нового вариантов заготовок по формуле (3.29) определяют соответствующие значения стоимости материалов М д и Л/“ .

Заработную плату рабочих, занятых обработкой заготовки, определяют по формуле

где / ср - среднее значение часовой тарифной ставки рабочего, руб./ч; Г д - трудоемкость механической обработки заготовки, ч.

Значение Г д может быть определено суммированием штучнокалькуляционных времен по операциям процесса механической обработки детали для каждого из сравниваемых вариантов. При известной трудоемкости процесса обработки базового варианта заготовки Т ® значение трудоемкости для нового варианта может быть определено по формуле

где /и®, /и" - масса заготовки по базовому и новому варианту соответственно.

Амортизационные отчисления Л о6 определяют как сумму отчислений по каждой единице оборудования, используемого в процессе обработки заготовки:

где A^j - амортизационные отчисления по j -й единице оборудования, используемого в операции /; q - число единиц оборудования, используемого в операции /; т - общее число операций в процессе обработки заготовки.

Балансовая стоимость каждой единицы оборудования А г бо, отнесенная к конкретной операции обработки заготовки, может быть определена по формуле

где Я об - оптовая цена оборудования; к ТЗ - коэффициент транспортнозаготовительных расходов, к п = 1,05... 1,10; - коэффициент занятости данной

единицы оборудования выполнением обработки данной заготовки.

где / шт - штучное время, мин; F д - действительный годовой фонд рабочего времени оборудования в зависимости от выбранного режима работы, ч; ? 3 - коэффициент загрузки оборудования.

Для единичного производства к ъ = 0,8...0,9; среднесерийного к 3 = 0,65...0,75; массового - к 3 = 0,6...0,65. Амортизационные отчисления для единицы оборудования

где a Q - процент амортизационных отчислений.

Если в /-й операции используют q единиц одинакового оборудования у, то

Капитальные вложения для каждого из сравниваемых вариантов процессов изготовления деталей определяются как суммарная балансовая стоимость используемого на каждой операции оборудования, отнесенная к одной детали:

Приведенные затраты Я; на изготовление детали из заготовки соответствующего варианта определяют по формуле:

Полученные значения приведенных затрат для базового (Я 6) и нового (ГР 1) вариантов сравнивают. Более предпочтителен вариант заготовки, соответствующий меньшему значению приведенных затрат на изготовление детали.

В случае если, например, новый вариант заготовки более предпочтителен, чем базовый (Я 6 > ГГ), экономический эффект (3), отнесенный к одной детали, можно определить по формуле:

Годовой экономический эффект Э г от использования более предпочтительного варианта заготовки

где В г - годовой объем выпуска деталей.

При необходимости могут быть определены дополнительные экономические показатели, например срок окупаемости ^дополнительных капитальных вложений:

Представленные методики отражают лишь затратную сторону технологического решения, связанного с выбором заготовки. Для объективного выбора наиболее эффективного решения более предпочтительны критерии, отражающие не только затратную сторону, но и полезный эффект решения. Наиболее перспективно применение относительных критериев типа «полезный эффект/затраты».

При выборе заготовок в качестве такого критерия могло бы быть использовано отношение

где (АГ И А - коэффициент использования материала для у-го варианта заготовки; П j - приведенные затраты на изготовление детали из заготовки j -го варианта.

Более предпочтительному варианту заготовки соответствует большее значение K B2j . В зависимости от конкретных технологических задач могут быть использованы и другие характеристики полезного эффекта, связанного с рациональным выбором заготовок.

При выполнении проекта целесообразно кратко пояснить применение выделенной методики выбора заготовки . Для объективности выбора лучше выполнить необходимые расчеты по двум различным методикам, сопоставить и проанализировать их результаты.

При выборе заготовок в курсовом проекте затруднение часто вызывает отсутствие информации о технико-экономических показателях заготовительного производства, к тому же непрерывно изменяющихся в зависимости от общей экономической ситуации. Возможно использование данных из различных (в том числе и производственных) источников, относительных величин, биржевой информации и др. .

Наибольшую ценность этого этапа проектирования представляет овладение методическим подходом к выбору заготовок.